Laporan praktikum Heat Exchanger

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

Disusun oleh : Ahmad Faisal Dimas Riska Irawan Hana Nabila Anindita Meyda Astria

(1006660491) (1006660541) (1006660573) (1006679743)

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia November, 2012

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 BAB I PENDAHULUAN

1.1. Tujuan Percobaan Percobaan Double pipe Heat exchanger ini bertujuan untuk mengetahui unjuk kerja alat penukar kalor jenis pipa ganda (double pipe HE) dengan menghitung koefisien perpindahan panas, faktor kekotoran, efektivitas dan perbandingan untuk aliran searah (co-current) dan berlawanan arah (counter current). 1.2. Prosedur Percobaan A. Percobaan Aliran Searah (co-current) 1. Aliran uap air: buka penuh semua aliran di bawah ini secara berurutan: 1, 8, 10, 12, 13. 2. Aliran air: buka penuh semua aliran di bawah ini secara berurutan: 4, 6 dan buka kran 14 sebanyak 1/5 putaran. 3. Amati dan catat T3, T4, T2, T1 setelah suhu tersebut konstan. 4. Amati dan catat kecepatan alir air pada flow meter. 5. Dengan menggunakan gelas ukur dan stopwatch ukurlah laju uap air, dengan mengukur kondensat yang terjadi. 6. Lakukan percobaan ini untuk 3 macam bukaan kran 14.

B. Percobaan Aliran Berlawanan (counter-current) 1. Aliran uap air: buka penuh semua aliran di bawah ini secara berurutan: 1, 8, 11, 9, 13. 2. Aliran air: buka penuh semua aliran di bawah ini secara berurutan: 4, 6 dan buka kran 14 sebanyak 1/5 putaran. 3. Amati dan catat T3, T5, T2, T1 setelah suhu tersebut konstan. 4. Amati dan catat kecepatan alir air pada flow meter. 5. Dengan menggunakan gelas ukur dan stopwatch ukurlah laju uap air, dengan mengukur kondensat yang terjadi.

2

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 6. Lakukan percobaan ini untuk 3 macam bukaan kran 14.

1.3. Instumentasi

Double pipe Heat exchanger merupakan suatu alat yang didisain untuk mempelajari dan mengevaluasi pengaruh perbedaan laju alir dan material teknik pada laju transfer panas melalui dinding tipis. ● Pengaturan Pipa (Pipe Arrangement) Alat ini terdiri atas dua pipa logam berdinding tipis yang tersusun dalam suatu panel vertikal. Pipa dapat beroperasi dengan baik pada aliran searah maupun berlawanan. Setiap pipa terdiri dari sebuah pipa tembaga luar dan dalam. Fluida panas mengalir melalui pipa bagian dalam, sedangkan fluida dingin mengalir melalui anulus antara pipa luar dan dalam. Pengaturan terhadap valve dalam rangkaian ini akan menghasilkan aliran yang sesuai dengan tujuan percobaan yaitu searah dan berlawanan arah. ● Sambungan (Fitting) Heat exchanger mempunyai sambungan pipa standar yang terletak sepanjang siku yang paling rendah dari panel. Tiga sambungan masuk dialokasikan di sebelah kanan panel. ● Valves Valve digunakan untuk mengatur kondisi aliran yang diinginkan dan untuk mengatur laju alir dari fluida. Unit ini memiliki empat needle type metering valve. Dua valve pada masukan tangkin pencampuran dan dua lainnya pada keluaran. Semua valve yang lain berjenis global type gate valve. Valve yang menangani fluida panas di cat berwarna merah sedangkan yang menangani fluida dingin di cat bewarna biru.

3

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 ● Flowmeter Aliran dari suatu fluida diregulasikan dengan needle valve. Laju alir untuk fluida panas dan fluida dingin dengan specific gravity yang sama diukur dengan menggunakan single-pass-tube-type flowmeter. Flowmeter dilengkapi dengan sebuah skala logam yang dapat dipindahkan dan sudah dikalibrasi.

4

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pengertian Heat Exchanger Sesuai dengan namanya, maka alat penukar kalor (heat exchanger) berfungsi mempertukarkan suhu antara dua fluida dengan melewati dua bidang batas. Bidang batas pada alat penukar kalor ini berupa pipa yang terbuat dari berbagai jenis logam sesuai dengan penggunaan dari alat tersebut. Pada percobaan ini akan dilakukan pengamatan unjuk kerja alat penukar kalor pipa ganda (double pipe heat exchanger) yang terdiri dari dua pipa konsentris. Pipa yang berada di luar dikenal sebagai annulus (shell), sedangkan bagian dalam dikenal sebagai pipa (tube).

2.2. Prinsip Kerja Heat Exchanger Heat exchanger adalah heat exchanger antara dua fluida dengan melewati dua bidang batas. Bidang batas pada heat exchanger adalah dinding pipa yang terbuat dari berbagai jenis logam. Pada heat exchanger ini, terdapat dari dua pipa konsentris, yaitu: annullus/shell (pipa yang berada di luar) dan tube (pipa yang berada di dalam). Berdasarkan jenis alirannya heat exchanger dibagi menjadi tiga, yaitu: 1. Pararel Flow Kedua fluida ,mengalir dalam heat exchanger dengan aliran yang searah. Kedua fluida memasuki HE dengan perbedaan suhu yang besar. Perbedaan temperatur yang besar akan berkurang seiring dengan semakin besarnya x, jarak pada HE. Temperatur keluaran dari fluida dingin tidak akan melebihi temperatur fluida panas. 2. Counter Flow Berlawanan dengan paralel flow, kedua aliran fluida yang mengalir dalam HE masuk dari arah yang berlawanan. Aliran keluaran yang fluida dingin ini suhunya mendekati suhu dari masukan fluida panas sehingga hasil suhu yang didapat lebih

5

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 efekrif dari paralel flow. Mekanisme perpindahan kalor jenis ini hampir sama dengan paralel flow, dimana aplikasi dari bentuk diferensial dari persamaan steady-state:

dQ  U T  t a" dL

(1)

dQ  WCdT  wcdt

(2)

3. Cross flow Heat exchanger Dimana satu fluida mengalir tegak lurus dengan fluida yang lain. Biasa dipakai untuk aplikasi yang melibatkan dua fasa. Misalnya sistem kondensor uap (tube and shell heat exchanger), di mana uap memasuki shell, air pendingin mengalir di dalam tube dan menyerap panas dari uap sehingga uap menjadi cair.

2.3. Komponen Penyusun Heat Exchanger Komponen-komponen dari penyusun Heat Exchanger, terdiri dari: 1. Shell dan Tube Suatu sillinder yang dilengkapi dengan inlet dan outlet nozzle sebagai tempat keluar masuknya fluida. Ada 2 jenis tube dalam shell, yaitu finned tube (tube yang mempunyai sirip (fin) pada bagian luar tube) dan bare tube (tube dengan permukaan yang rata) 2. Tube Sheet Tempat untuk merangkai ujung-ujung tube sehingga menjadi satu yang disebut tube bundle. HE dengan tube lurus pada umumnya menggunakan 2 buah tube sheet. Sedangkan pada tube tipe U menggunakan satu buah tube sheet yang berfungsi untuk menyatukan tube-tube menjadi tube bundle dan sebagai pemisah antara tube side dengan shell side. 3. Baffle Berfungsi sebagai penyangga tube, menjaga jarak antar tube, menahan vibrasi yang disebabkan oleh aliran fluida, dan mengatur aliran turbulen sehingga perpindahan panas lebih sempurna. Jenis baffle yaitu battle melintang (segmental, dish and doughnut) dan baffle memanjang. 4. Tie Rods

6

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 Batangan besi yang dipasang sejajar dengan tube dan ditempatkan di bagian paling luar dari baffle yang berfungsi sebagai penyangga agar jarak antara baffle yang satu dengan lainnya tetap.

2.4. Jenis-Jenis Heat Exchanger A. Berdasarkan Fungsinya 1. Heat exchanger Heat exchanger mengontrol kalor antara dua proses aliran: aliran fluida panas yang membutuhkan pendinginan ke aliran fluida temperatur rendah yang membutuhkan pemanasan. Kedua fluida biasanya satu fasa atau suatu fluida yang berbentuk gas dan lainnya berbentuk cairan. 2. Condenser Condenser adalah tipe lain dimana hidrokarbon atau gas lainnya yang mencair sebagian atau seluruhnya dengan pemindahan panas. 3. Cooler – Chiller Berfungsi memindahkan panas, baik panas sensibel maupun panas laten fluida yang berbentuk uap kepada media pendingin, sehingga terjadi perubahan fasa uap menjadi cair. Media pendingin biasanya digunakan air atau udara. Condensor biasanya dipasang pada top kolom fraksinasi. Pada beberapa kasus refrijeran biasa digunakan ketika temperatur rendah dibutuhkan. Pendinginan itu sering disebut „chiller‟. 4. Reboiler Digunakan untuk menguapkan kembali sebagian cairan pada dasar kolom (bottom) distilasi, sehingga fraksi ringan yang masih ada masih teruapkan. Media pemanas yang digunakan adalah uap (steam). Reboiler bisa dipanaskan melalui media pemanas atau dipanaskan langsung. Yang terakhir reboilernya adalah furnace atau fire tube 5. Heater – Superheater Heater digunakan untuk memanaskan fluida yang memiliki viskositas tinggi baik bahan baku ataupun fluida proses dan biasanya menggunakan steam sebagai pemanas. Superheater memanaskan gas dibawah temperatur jenuh.

7

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 B.

Berdasarkan Konstruksinya

1. Tubular Exchanger a. Double-pipe Heat exchanger Terdiri dari satu buah pipa yang diletakkan di

dalam

sebuah

pipa

lainnya

yang

berdiameter lebih besar secara konsentris. Fluida yang satu mengalir di dalam pipa kecil sedangkan fluida yang lain mengalir di bagian luarnya. Pada bagian luar pipa kecil

Gambar 1. Double pipe HE

biasanya dipasang fin atau sirip memanjang, hal ini dimaksudkan untuk mendapatkan permukaan perpindahan panas yang lebih luas. Double pipe ini dapat digunakan untuk memanaskan atau mendinginkan fluida hasil proses yang membutuhkan area perpindahan panas yang kecil (biasanya hanya mencapai 50 m2). Double-pipe Heat exchanger ini juga dapat digunakan untuk mendidihkan atau mengkondensasikan fluida proses tapi dalam jumlah yang sedikit. Kerugian yang ditimbulkan jika memakai Heat exchanger ini adalah kesulitan untuk memindahkan panas dan mahalnya biaya per unit permukaan transfer. Tetapi, double pipe Heat exchanger ini juga memiliki keuntungan yaitu Heat exchanger ini dapat dipasang dengan berbagai macam fitting (ukuran). Pada alat ini, mekanisme perpindahan kalor terjadi secara tidak langsung (indirect contact type), karena terdapat dinding pemisah antara kedua fluida sehingga kedua fluida tidak bercampur. Fluida yang memiliki suhu lebih rendah (fluida pendingin) mengalir melalui pipa kecil, sedangkan fluida dengan suhu yang lebih tinggi mengalir pada pipa yang lebih besar (pipa annulus). Penukar kalor demikian mungkin terdiri dari beberapa lintasan yang disusun dalam susunan vertikal. Perpindahan kalor yang terjadi pada fluida adalah proses konveksi, sedang proses konduksi terjadi pada dinding pipa. Kalor mengalir dari fluida yang bertemperatur tinggi ke fluida yang bertemperatur rendah. Kelebihan Double-pipe Heat exchanger: o Dapat digunakan untuk fluida yang memiliki tekanan tinggi. o Mudah dibersihkan pada bagian fitting

8

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 o Fleksibel dalam berbagai aplikasi dan pengaturan pipa o Dapat dipasang secara seri ataupun paralel o Dapat diatur sedimikian rupa agar diperoleh batas pressure drop dan LMTD sesuai dengan keperluan o Mudah bila kita ingin menambahkan luas permukaannya o Kalkulasi design mudah dibuat dan akurat Kekurangan Double-pipe Heat exchanger: o Relatif mahal o Terbatas untuk fluida yang membutuhkan area perpindahan kalor kecil ( 10.000 makaaliran TURBULEN

Jikaaliranturbulen:

Jikaaliran laminar: [

]

Selanjutnya dengan cara yang sama, akan diperoleh hasil sebagai berikut ini:

Valve

Rh

miu

v

1 per 5

0.003

0.000332

0.241

2 per 5

0.003

0.000381

3 per 5

0.003

4 per 5 5 per 5

Water Reh

Jenisaliran

Pr

k

ho

7710.188

Laminer

2.059

0.674

345.190

0.416

11699.802

Turbulen

2.390

0.667

808.813

0.000415

0.630

16330.752

Turbulen

2.634

0.662

1168.496

0.003

0.000419

0.760

19539.977

Turbulen

2.651

0.661

1559.146

0.003

0.000428

0.814

20493.865

Turbulen

2.714

0.659

1800.540

b. Menghitung

(aliran steam pada pipa dalam)

Dalam perhitungan ini, pipa yang terlibat hanyalah pipa steam (bagian dalam). Jadi, praktikan menghitung nilai Re di dalam pipa tersebut

33

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 kemudian mengkategorikant ermasuk jenis aliran manakah, apakah laminar atau turbulen.

Jikaaliranturbulen:

Jikaaliran laminar: [

]

i. Alirandengan valve 1/5 bukaan

〈̅〉 〈 ̅〉

Re < 10.000 maka aliran LAMINAR [

] [

]

Dengan langkah yang sama, akan diperoleh hasil sebagai berikut: Steam Valve

D

miu

v

Re

Jenisaliran

1 per 5

0.014

0.000673

0.0211881

437.5407334

Laminer

4.467 0.631

271.0023

2 per 5

0.014

0.000708

0.0272975

536.3321818

Laminer

4.719 0.627

293.5131

3 per 5 4 per 5 5 per 5

0.014 0.014 0.014

0.000738 0.000746 0.000846

0.0181984 0.0207981 0.022098

343.25583 388.152232 364.1032359

Laminer Laminer Laminer

4.931 0.625 4.984 0.625 5.741 0.615

255.8565 267.5092 270.1124

34

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Pr

k

h1

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 c. Menghitung nilai Dari tabel A-2 buku Holman, diperoleh bahwa nilai KCumurni (T = 20oC) = 386 W/moC ( ) dimana :

Untuk perhitungan aliran valve 1/5 ( )

(

)

Dengan cara yang sama didapatkan :

1/hi 0.004 0.003 0.004 0.004 0.004

1/h0 0.003 0.001 0.001 0.001 0.001

HitungUc Ai Ai/A0 0.036 0.560 0.036 0.560 0.036 0.560 0.036 0.560 0.036 0.560

ro/ri 1.786 1.786 1.786 1.786 1.786

Uc 187.870 243.315 227.365 243.435 248.528

d. Menentukan nilai

Menghitung Nilai Ud (koefisien perindahan panas total dalam keadaan kotor)

35

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012

dimana : 

A=

m2



dimana λ adalah panas laten (asumsisaturated steam) = 334,994 dan Cp = Cpsteam dari tabel A-9 Holman Untuk perhitungan q pada aliran dengan bukaan valve 1/5 ialah sebagai berikut :

Selanjutnya dengan cara yang sama didapatkan : Valve 1 per 5 2 per 5 3 per 5 4 per 5 5 per 5

T1 (out) 80 56 44 42.5 39

Hitung q T2 (in) w steam 93 0.003 94 0.004 93 0.003 93 0.003 93 0.003

lambda 335.000 335.000 335.000 335.000 335.000

Cp 4.174 4.174 4.174 4.174 4.178

q 0.909 0.736 0.363 0.395 0.370

Setelah mengetahui nilai LMTD, A dan q, maka dapat dilakukan perhitungan mencari nilai Ud. Berikut ialah perhitungan untuk valve 1/5 :

Dengan cara yang sama untuk aliran lain diperoleh : Valve 1 per 5 2 per 5 3 per 5 4 per 5 5 per 5

36

q 0.909 0.736 0.363 0.395 0.370

Ud A steam 0.036 0.036 0.036 0.036 0.036

LMTD 47.889 36.391 28.270 27.105 27.361

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Ud 0.533 0.568 0.361 0.410 0.380

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 e.

MenentukanNilai

Untuk menghitung faktor pengotor digunakan persamaan :

Berikut ialah tabulasi hasil perhitungan yang menggunakan persamaan diatas : Ud 0.533 0.568 0.361 0.410 0.380 f.

Uc 187.870 243.315 227.365 243.435 248.528

Rd 1/Ud 1.877 1.760 2.771 2.442 2.631

1/Uc 0.005 0.004 0.004 0.004 0.004

Rd 1.872 1.756 2.767 2.438 2.627

Menentukan (nilai keefektifan)dan NTU

i. Alirandengan valve 1/5 bukaan 

Penentuan fluida minimum

Fluida Min = C terkecil Fluida Maks = C terbesar 

(nilai kefektifan)

 NTU [

]

Dengan :

Berikut ialah hasil perhitungan yang ditabulasikan : Valve 1 per 5

fluida Steam

w 0.00324

Cp 4.174

Air

0.07837

4.198

37

Perhitungan e dan NTU C ket C* 0.0135 fluida 0.041059 min 0.3290 fluida max

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Tin 93

Tout 80

36

41

e 0.22807

NTU 0.260376

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 ii. Alirandengan valve 2/5 bukaan  Penentuan fluida minimum

Fluida Min = C terkecil Fluida Maks = C terbesar 

(nilai kefektifan)

 NTU [

]

Dengan :

Berikut ialah hasil perhitungan yang ditabulasikan : Valve 2 per 5

fluida Steam

w 0.00417

Cp 4.174

Air

0.13647

4.189

Perhitungan e dan NTU C ket C* 0.0174 fluida 0.03047 min 0.5717 fluida max

Tin 94

Tout 56

34

38

iii. Alirandengan valve 3/5 bukaan 

Penentuan fluida minimum

Fluida Min = C terkecil Fluida Maks = C terbesar 



(nilai kefektifan)

NTU [

Dengan :

38

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

]

e NTU 0.633333 1.026102

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 Berikut ialah hasil perhitungan yang ditabulasikan : Valve 3 per 5

fluida Steam

w 0.0028

Cp 4.174

Air

0.2075

4.185

Perhitungan e dan NTU C ket C* 0.0116 fluida 0.013383 min 0.8683 fluida max

Tin 93

Tout 44

33

35

e NTU 0.816667 1.734699

iv. Alirandengan valve 4/5 bukaan 

Penentuanfluida minimum

Fluida Min = C terkecil FluidaMaks = C terbesar 



(nilai kefektifan)

NTU [

]

Dengan :

Berikut ialah hasil perhitungan yang ditabulasikan : Valve 4 per 5

fluida Steam

w 0.0032

Cp 4.174

Air

0.2507

4.184

Perhitungan e dan NTU C ket C* 0.0133 fluida 0.012666 min 1.0487 fluida max

v. Alirandengan valve 5/5 bukaan  Penentuan fluida minimum

Fluida Min = C terkecil Fluida Maks = C terbesar

39

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Tin 93

Tout 42.5

33

34

e NTU 0.841667 1.888831

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 

(nilai kefektifan)

 NTU [

]

Dengan :

Berikut ialah hasil perhitungan yang ditabulasikan : Valve 5 per 5

fluida Steam Air

w 0.0034 0.2685

Cp 4.178 4.183

Perhitungan e dan NTU C ket C* 0.0141 fluida min 0.01259 1.1233 fluida max

Tin 93 32

Tout 39 23

e 0.77143

NTU 1.50044

Ringkasan Hasil Perhitungan Aliran

Fluida

Q (m3/s)

1/5

Steam Air Steam Air Steam Air Steam Air Steam Air

3.26E-06 8.10E-05 4.20E-06 1.40E-04 2.80E-06 2.12E-04 3.20E-06 2.56E-04 3.40E-06 2.74E-04

2/5 3/5 4/5 5/5

40

h Uc Ud Rd 2o 2o 2o 2o (W/m . C) (W/m . C) (W/m . C) (m . C/W) 345.1900 271.0023 808.8125 293.5131 1168.4956 255.8565 1559.1459 267.5092 1800.5397 270.1124

e

NTU

187.8705

0.5328

1.8716

0.2281

0.2604

243.3155

0.5681

1.7562

0.6333

1.0261

227.3655

0.3609

2.7668

0.8167

1.7347

243.4349

0.4096

2.4375

0.8417

1.8888

248.5278

0.3801

2.6269

0.7714

1.5004

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 BAB IV ANALISIS

5.1. Analisis Percobaan Dalam percobaan ini, praktikan melakukan prosedur terkait dengan heat exchanger (alat penukar kalor) dengan variasi arah aliran (searah dan berlawanan) dan laju alir air sebagai fluida dingin melalui variasi bukaan valve (1/5, 2/5, 3/5, 4/5,1 putaran). Selain itu, praktikan juga menghitung laju alir keluaran berupa kondensat sebagai fluida panas. Dengan variasi laju alir yang masuk (sebagai fluida dingin), maka dapat diketahui efektivitas atau efisiensi suatu alat penukar kalor. Dalam percobaan ini digunakan HE jenis pipa ganda tubular. Jenis pipa ganda tubular digunakan karena lebih efektif mempertukarkan kalor pada skala kecil dibanding jenis HE lain seperti jenis shell and tube. HE tipe ini hanya membutuhkan area perpindahan kalor yang kecil dan mudah diamati suhu masukan dan keluarannya. Untuk aliran searah, praktikan mengatur bukaan valve dan menutup valve tertentu agar aliran fluida menjadi searah. Ketika kedua aliran dimasukkan secara searah, perpindahan kalor mulai terjadi. Data yang diambil berupa suhu yang terbaca pada sensor dan juga laju alir fluida dingin dan kondensat didapatkan saat perubahan suhu fluida dingin dan kondensat yang keluar sudah konstan. Hal yang sama juga dilakukan untuk aliran berlawanan arah sehingga praktikan juga mengambil data suhu serta laju alir air dan kondensat setelah suhu fluida telah konstan. Pengambilan data setelah suhu konstan ini dimaksudkan agar data lebih akurat. Adapun suhu fluida di awal dianggap konstan karena belum dialirkan kalor. Fluida yang dialirkan terlebih dahulu dalam alat penukar kalor adalah air agar kalor dari steam dapat diserap oleh air. Hal ini dikarenakan kalor cenderung bersifat menuju arah lingkungan sehingga pemakaian steam diatur agar aliran kalor tidak menuju langsung ke dinding pipa karena selain akan merusak dinding pipa juga akan meningkatkan pemakaian steam sehingga pemakaian steam menjadi lebih boros dan mahal karena steam harus dibuat terlebih dahulu dengan steam generator.

41

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 Saat steam panas baru melewati pipa-pipa HE (sebelum bertemu dengan air), pipa tersebut terasa panas. Hal ini dikarenakan adanya proses perpindahan kalor dari steam menuju lingkungan juga terjadi pressure drop sepanjang aliran pipa yang mengakibatkan proses perubahan fasa steam menjadi embun meskipun suhu belum mencapai 100oC. Adapun steam dialirkan di dalam pipa yang lebih kecil agar tidak merusak alat karena tekanan steam yang sangat tinggi juga untuk menghindari transfer panas ke pipa bagian luar yang dapat membahayakan praktikan apabila tersentuh. Selain itu, steam dialirkan ke dalam pipa yang lebih kecil untuk menghemat penggunaannya karena harga steam lebih mahal.

5.2. Analisis Hasil dan Perhitungan  Aliran Berlawanan Arah Valve 1/5 2/5 3/5 4/5 5/5

65.5 64.5 64 63.5 63.5

45 39.5 36 35 33.5

2.4E-06 3.0E-06 3.3E-06 3.4E-06 3.6E-06

6.2E-05 1.4E-04 1.7E-04 2.3E-04 2.4E-04

17.08374 18.20478 18.71382 17.64479 18.33966

86.5 75 68.5 67.75 66

3.3E-06 4.2E-06 2.8E-06 3.2E-06 3.4E-06

8.1E-05 1.4E-04 2.1E-04 2.6E-04 2.7E-04

47.89 36.39 28.27 27.104 27.36

 Aliran Searah Valve 1/5 2/5 3/5 4/5 5/5

38.5 36 34 33.5 27.5

Berdasarkan data di atas, ditunjukkan bahwa laju alir steam meningkat seiring dengan laju alir air. Hal ini dikarenakan semakin tingginya kalor yang terpakai untuk mengubah air menjadi steam. Karena besarnya laju alir air yang mengalir, maka bisa dikatakan fluida pendingin (air) yang digunakan banyak sehingga kemampuan mendinginkan fluida panas (steam) lebih besar. Dampaknya, suhu steam yang keluar semakin rendah. Pada aliran berlawanan arah, suhu keluaran steam lebih rendah

42

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 dibandingkan pada aliran searah, hal ini dikarenakan perbedaan suhu awal pada titiktitik tertentu akan lebih besar sehingga menghasilkan driving force yang mendorong steam dan air untuk saling bertukar panas.

Analisis h0 dan hi  Aliran Berlawanan Arah ho

hi

Uc

(W/m2.oC)

(W/m2.oC)

(W/m2.oC)

198.4795

577.9452

166.1864

216.5328

1700.708

201.6989

219.5423

2223.399

207.5893

222.3202

2737.655

212.1791

227.6192

2804.236

217.2292

 Aliran Searah

Valve

Rh

miu

v

1 per 5

0.003

0.000332

0.241

2 per 5

0.003

0.000381

3 per 5

0.003

4 per 5 5 per 5

Water Re

Jenisaliran

Pr

k

ho

7710.188

Laminer

2.059

0.674

345.190

0.416

11699.802

Turbulen

2.390

0.667

808.813

0.000415

0.630

16330.752

Turbulen

2.634

0.662

1168.496

0.003

0.000419

0.760

19539.977

Turbulen

2.651

0.661

1559.146

0.003

0.000428

0.814

20493.865

Turbulen

2.714

0.659

1800.540

Steam Valve

D

miu

v

Re

Jenisaliran

Pr

k

1 per 5

0.014

0.000673

0.0211881

437.5407334

Laminer

4.467 0.631

271.0023

2 per 5

0.014

0.000708

0.0272975

536.3321818

Laminer

4.719 0.627

293.5131

3 per 5 4 per 5 5 per 5

0.014 0.014 0.014

0.000738 0.000746 0.000846

0.0181984 0.0207981 0.022098

343.25583 388.152232 364.1032359

Laminer Laminer Laminer

4.931 0.625 4.984 0.625 5.741 0.615

255.8565 267.5092 270.1124

Untuk persamaan h0 karena alirannya cenderung turbulen, persamaannya adalah :

43

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

h1

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012

Untuk persamaan hi (koefisien panas dari steam) adalah sebagai berikut:

hi = NuD . k/D

Karena aliran steam dalam alat penukar kalor bersifat laminar ditinjau dari bilangan Reynold, maka persamaan yang dipakai untuk bilangan Nusselt adalah :

[

]

Persamaan Bilangan Reynold adalah :

[

(

)

]

Nilai hi dan h0 banyak dipengaruhi oleh berbagai faktor, antara lain Bilangan Reynold, bilangan Prandtl, serta termal konduktivitas. Bilangan Prandtl dan termal konduktivitas didasarkan oleh kondisi steam sedangkan bilangan Reynold adalah didasarkan jenis aliran dari fluida. Jika dilihat berdasarkan persamaan, bilangan Reynold sangat dipengaruhi oleh laju alir. Semakin besar laju alirnya maka semakin besar nilai bilangan Reynoldnya sehingga h0 dan hi dan laju alir berbanding lurus.

Analisis Uc,Ud, dan Rd  Aliran Berlawanan Arah

ho 2o

hi

Uc

(W/m . C) (W/m . C) (W/m2.oC)

44

2o

198.4795

577.9452

166.1864

216.5328

1700.708

201.6989

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012

Valve 1/5 2/ 5 3/5 4/ 5 5/ 5

219.5423

2223.399

207.5893

222.3202

2737.655

212.1791

227.6192

2804.236

217.2292

q 1.386883 1.844763 1.979679 2.0543 2.171635

Perhitungan A 0.0712 0.0712 0.0712 0.0712 0.0712

LMTD 17.08374 18.20478 18.71382 17.64479 18.33966

1.140189 1.42323 1.485772 1.635187 1.663089

 Aliran Searah Uc 1/hi 0.004 0.003 0.004 0.004 0.004

1/h0 0.003 0.001 0.001 0.001 0.001

Valve 1 per 5 2 per 5 3 per 5 4 per 5 5 per 5

Ai 0.036 0.036 0.036 0.036 0.036

q 0.909 0.736 0.363 0.395 0.370

Ud A steam 0.036 0.036 0.036 0.036 0.036

Ai/A0 0.560 0.560 0.560 0.560 0.560

LMTD 47.889 36.391 28.270 27.105 27.361

ro/ri 1.786 1.786 1.786 1.786 1.786

Uc 187.870 243.315 227.365 243.435 248.528

Ud 0.533 0.568 0.361 0.410 0.380

Adapun persamaan Uc (koefisien perpindahan panas dalam keadaan bersih) adalah sebagai berikut :

( )

45

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 Sedangkan persamaan Ud (koefisien perpindahan panas dalam keadaan kotor) adalah sebagai berikut :

Dengan q merupakan panas yang dapat dipindahkan oleh alat penukar kalor dan A adalah luas luas bidang perpindahan panas atau dalam hal ini adalah luas pipa dalam (Ai).

Dengan W = ρ.Q , dan λ adalah panas laten. Dari persamaan di atas, dapat disimpulkan bahwa nilai Uc berbanding lurus dengan nilai hi dan h0. Semakin besar hi dan ho, maka semakin besar juga Uc. Hal ini dikarenakan adanya kaitan erat bilangan Re dengan nilai h. Lain hal nya dengan nilai Ud. Nilai Ud berbanding terbalik dengan LMTD (logarithmic mean temperature difference). LMTD ini mempunyai suatu faktor koreksi, yaitu FT. Nilai FT didapat dari fig. 18 buku Kern. Dan nilai FT ini didapatkan dari titik temu antara R dan S

Nilai LMTD sendiri dapat dihitung menggunakan persamaan berikut :

(

46

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 Di samping itu, praktikan juga menghitung faktor pengotor (Rd) alat penukar kalor melalui persamaan berikut:

Perhitungan Ud 1.140189 1.42323 1.485772 1.635187 1.663089

Uc 166.1864 201.6989 207.5893 212.1791 217.2292

Ud 0.533 0.568 0.361 0.410 0.380

Uc 187.870 243.315 227.365 243.435 248.528

(berlawanan arah) 1/Ud 0.877047 0.702627 0.673051 0.611551 0.601291

1/Uc 0.006017 0.004958 0.004817 0.004713 0.004603

Rd (searah) 1/Ud 1.877 1.760 2.771 2.442 2.631

1/Uc 0.005 0.004 0.004 0.004 0.004

Rd 0.87103 0.697669 0.668233 0.606838 0.596687

Rd 1.872 1.756 2.767 2.438 2.627

Penyebab yang memengaruhi faktor kekotoran secara langsung adalah Uc dan Ud. Secara teoritis, nilai Uc > Ud sehingga nilai dari Rd selalu positif.

Analisis Efektifitas dan NTU  Aliran Berlawanan Arah Aliran

Fluida

Q (m3/s)

h W/m2.oC

Uc W/m2.oC

Ud W/m2.oC

Rd m2.oC/W

e

NTU

1/5

Steam Air Steam Air Steam Air Steam Air Steam

2.40E-06 6.20E-05 3.00E-06 1.42E-04 3.30E-06 1.68E-04 3.40E-06 2.28E-04 3.60E-06

198.4795 577.9452 216.5328 1700.7079 219.5423 2223.3994 222.3202 2737.6546 227.6192

166.1864

1.1402

0.8710

0.8971

2.5817

201.6989

1.4232

0.6977

0.9286

2.9113

207.5893

1.4858

0.6682

0.9429

3.1822

212.1791

1.6352

0.6068

0.9571

3.4944

217.2292

1.6631

0.5967

0.9571

3.5000

2/5 3/5 4/5 5/5

47

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 Air

2.36E-04

2804.2359

 Aliran Searah Aliran

Fluida

Q 3

(m /s) 1/5 2/5 3/5 4/5 5/5

Steam Air Steam Air Steam Air Steam Air Steam Air

3.26E-06 8.10E-05 4.20E-06 1.40E-04 2.80E-06 2.12E-04 3.20E-06 2.56E-04 3.40E-06 2.74E-04

h

Uc 2o

Ud

2o

Rd

2o

e

NTU

2o

(W/m . C) (W/m . C) (W/m . C) (m . C/W) 345.1900 271.0023 808.8125 293.5131 1168.4956 255.8565 1559.1459 267.5092 1800.5397 270.1124

187.8705

0.5328

1.8716

0.2281 0.2604

243.3155

0.5681

1.7562

0.6333 1.0261

227.3655

0.3609

2.7668

0.8167 1.7347

243.4349

0.4096

2.4375

0.8417 1.8888

248.5278

0.3801

2.6269

0.7714 1.5004

Persamaan untuk mendapatkan nilai efektifitas adalah :



 T

Ch Thin  Thout Cmin

hin



 Tcmin







Cc Tcout  Tcin



 

Cmin Thin  Tcin

Sedangkan persamaan untuk mendapatkan nilai NTU adalah : [

]

Dengan :

Dengan : Fluida Min = C terkecil FluidaMaks = C terbesar

Dari hasil perhitungan di atas, dapat diketahui bahwa nilai efisiensi dari aliran berlawanan arah lebih besar dikarenakan suhu keluaran air dari aliran berlawanan

48

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 arah lebih besar. Dengan kata lain, nilai efisiensi ini tergantung dari suhu masukan serta keluaran dari fluida dingin dan steam. Sesuai dengan hasil perhitungan yang ada, nilai NTU memiliki hubungan berbanding lurus dengan efektifitas.

5.3. Analisis Kesalahan 

Adanya kesalahan paralaks yang mengakibatkan kesalahan pencatatan volume air dan kondensat.



Terjadinya kemacetan pada keluaran dari pipa dan valve yang memungkinkan terjadinya perubahan nilai pada suhu sehingga suhu yang tercatat tidak sesuai dengan yang seharusnya.



Proses pembukaan valve yang kurang sesuai sehingga volume air dan steam serta suhu tidak optimal.

49

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 BAB V KESIMPULAN

Berdasarkan percobaan yang dilakukan, dapat ditarik kesimpulan : 1. Double Pipe Heat Exchanger berfungsi mempertukarkan suhu antara dua fluida dengan melewati dua bidang batas. Bidang batas pada alat penukar kalor ini berupa pipa yang terbuat dari berbagai jenis logam sesuai dengan penggunaan dari alat tersebut. 2. Beberapa faktor yang menjadi parameter unjuk kerja dari alat Double Pipe Heat Exchanger adalah faktor kekotoran (dirt factor), luas permukaan perpindahan kalor, koefisien perpindahan kalor, beda temperatur rata-rata, jenis aliran (bilangan reynold) dan arah aliran (co-current atau counter current). 3.

Faktor pengotoran akan memperkecil efisiensi HE. Parameter faktor kekotoran pada alat ini sangat mempengaruhi unjuk kerja alat tersebut. Hal ini terlihat dari koefisien perpindahan panas menyeluruh antara alat saat bersih (UC) dan saat kotor (UD) yang akan berpengaruh pada temperatur akhir yang diperoleh.

4.

Aliran fluida berlawanan akan mempunyai selisih suhu uap dan air awal yang relatif sama dengan selisih suhu uap dan air pada kondisi akhir.

5.

Aliran fluida searah akan memberikan selisih suhu uap dan air awal jauh lebih besar daripada selisih suhu uap dan air pada kondisi akhir.

6.

Aliran counter current lebih efektif daripada aliran co current. Perpindahan panas yang terjadi pada aliran berlawanan lebih menyeluruh, fluida panas dan fluida dingin saling bertukar panas pada titik-titik yang memiliki perbedaan suhu yang besar sehingga jarak suhu steam dan air keluar cukup dekat.

7.

Untuk kedua aliran, laju air meningkat  Re meningkat  h0 dan hi meningkat  Uc meningkat  Rd meningkat  UD menurun  LMTD meningkat  ɛ meningkat  NTU meningkat.

50

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 DAFTAR PUSTAKA

Buku Panduan Praktikum Proses Operasi Teknik I, Teknik Gas dan Petrokimia UI. Holman,J.P. 1997. Perpindahan Kalor. Jakarta:Erlangga. Kern,D.Q. 1981. Process Heat Transfer. Mc-Graw Hill International Company Book,

51

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia