HE L3.docx

ABSTRAK

Perpindahan panas (heat transfer) adalah perpindahan energitermal yang terjadi sebagai akibat dari adanya perbedaan temperatur antara sistem dan lingkungannya. Proses ini berlangsung dengan berbagai mekanisme, antara lain : konduksi, konveksi, radiasi, atau gabungannya. Salah satu aplikasinya di industri adalah pada alat penukar panas (heat exchanger).Heat exchangermerupakan alat vitalyang digunakan untuk mentransfer panas dari fluida bertemperatur tinggi ke fluida yang bertemperatur rendah. Fungsi dari alat ini sendiri dapat mendinginkan atau memanaskan fluida, tergantung pada kebutuhan. Tujuan dari praktikum heat exhanger yang dilakukan adalah untuk menambah pemahaman mengenai konsep perpindahan panas padaheat exchangerguna mendapatkan penyelesaian terhadap problem yang terjadi.Metodologi praktikum ini terdiri dari dua tahapan yaitu tahap set-up peralatan dan tahap pengambilan data. Tahap set-up peralatan meliputi pengaturan awal pada alat praktikum sesuai dengan prosedur hingga kondisinya stabil. Selanjutnya, tahap pengambilan datameliputi pengaturan debit fluida dingin, lalu ditunggu dengan waktu tunggu10 menit, melakukan pengambilan data dengan menekan tombol pada selector kemudian dicatat datanya, apabila telah selesaithermocoupledi-set, dan alat pada sistem dimatikan. Proses diulangi untuk variasi debit fluida dingin. Langkah sesuai dengan prosedur praktikum yang ada.Hasil yang diharapkan dari praktikum heat exchanger adalah didapatkannya data berupa : Grafik qactual = f (Recold) ; Grafik h = f (Recold) ; Grafik = f (NTU, Cr) ; Grafik Pcold = f (Recold) ; dan Grafik Phot = f (Rehot).

PENDAHULUAN

Latar BelakangDefinisi paling sederhana dan umum dari perpindahan panas adalah perpindahan energi kalor sebagai akibat dari perbedaan tempertaur. Proses perpindahan panas ini terjadi dengan berbagai cara. Jika ada perbedaan temperatur didalam media diam (cair atau padat) digunakan istilah konduksi untuk menunjukkan perpindahan panas yang terjadimelintasi media.Istilah konveksi untuk menunjukkan perpindahan panas yang terjadi antara permukaan dan fluida yang bergerak ketika temperaturnya berbeda.Istilah radiasi menunjukkan perpindahan panas yang terjadi akibat suatu permukaan pada temperatur tertentu memancarakan energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Oleh karena itu, tanpa adanya media akan terjadi perpindahan panas secara radiasi antara dua permukaan yang berbeda temperaturnya.Alat penukar panas (heat exchanger) merupakan salah satu alat penunjang produksi yang berfungsi untuk melaksanakan perpindahan energi panas dari suatu aliran fluida ke aliran fluida yang lain. Jenis dan ukuran alat penukar ini sangatbervariasi,bergantung pada kebutuhan. Salah satu jenis peralatan ini adalah shell dan tube, dimana aliran fluida mengalir didalam tabung dan fluida lain dialirkan melalui selongsong melintasi luar tabung. Hal ini akan menyebabkan terjadinya perpindahan panas dari aliran fluida yang temperaturnya lebih tinggi menuju ke fluida lain yang bertemperatur lebih rendah. Untuk mendapatkan perpindahan panas yang lebih besar maka didalam selongsong dipasang sekat-sekat (baffles).Untuk mengetahui karakteristik sebenarnya suatualat penukar panas, perlu dilakukan suatu uji coba peralatan dengan cara melakukan pemodelan alatnya seperti pada kondisi operasional yang sebenarnya.Pada saat fluida mengalir didalam tabung maka terjadi penurunan tekanan akibat adanya kerugian gesek yang terjadi sepanjang tabung yang mengakibatkan bertambahnya biaya pemompaan fluida, demikian juga aliran fluida dalam selongsong.TujuanTujuan dari praktikum alat penukar panas ini adalah mengetahui karakteristik suatu alat penukar panas pada kondisi sebenarnya. Dengan mengetahui koefisien perpindahan panas secara keseluruhan, maka besarnya perpindahan panas diantara dua jenis fluida berbeda temperatur dapat dicari, tujuan diatas dirinci :1. Memahami fenomena fisik dari heat exchanger2. Mengetahui karkateristik sesungguhnya heat exchanger

Rumusan masalahAdapun rumusan masalah dari praktikum ini adalah :1. Bagaimana fenomena fisik heat exchanger?2. Bagaimana karakteristik sesungguhnya heat exchanger?

Batasan MasalahAdapun batasan masalah dari percobaan ini adalah :1. Steady StateProperties di setiap titik tidak berpengaruh terhadap fungsi waktu, properties dianggap konstan.2. Incompressible flowSuatu aliran dimana variasi densitasnya sangat kecil atau diasumsikan perubahan densitasnya sama dengan nol.3. One dimensional ConditionUntuk arah perpindahan panas terjadi tegak lurus terhadap arah aliran4. Ep dan Ek DiabaikanPerubahan energi potensial dan energi kinetikdiabaikan.5. Harga U konstan untuk seluruh panjang pipaHarga U konstan untuk pipa homogen dimana nilai k disepanjang pipa adalah sama6. Penukaran panas hanya terjadi diantara kedua fluida kerja dimana penukaran panas terjadi pada minyak dan air.7. Fully Development FlowAliran fluida mengembang penuh, dimana boundary layer dibagian atas dan bawah bertemu menjadi satu, karena tidak terpengaruh gaya gesek lagi dengan dinding tube.8. Negligible Heat transfer of RadiationRadiasi dari heat exchanger ke surrounding diabaikan karena bilangan konstanta boltzman-nya sangat kecil.9. Fouling Factor DiabaikanKerugian yang dialami tiap aliran yang disebabkan oleh kotoran, sehingga menyebabkan pengecilan diameter pipa diabaikan

Sistematika LaporanUntuk penyusunan laporan perpindahan panas digunakan sistematika sebagai berikut :1. AbstrakBerisi pendahuluan, langkah kerja, tahap persiapan serta data hasil praktikum.2. Bab I PendahuluanBerisi latar belakang, tujuan praktikum, rumusan masalah, serta batasan masalah dan sistematika penyusunan laporan.3. Bab II Dasar TeoriBagian ini memuat dasar teori yang digunakan pada saat pengolahan data dan pada saat praktikum serta pengambilan kesimpulan.4. Bab III MetodologiBerisi mengenai peralatan yang digunakan saat praktikum baik berupa spesifikasi maupun gambar peralatan dan instalasi, serta urutan-urutan saat dilakukan percobaan.5. Bab IV Analisa Data Dan PembahasanBerisi data percobaan dan contoh perhitungan yang didapatkan pada saat praktikum beserta table perhitungan dan grafik hasil perhitungan sera analisa grafiknya.6. Bab V Kesimpulan Dan SaranMemuat kesimpulan dari seluruh praktikum yang telah dilakukan dan saran agar praktikum ini menjadi lebih baik

DASAR TEORI

Tipe Alat Penukar PanasBerdasarkan arah aliran relatif kedua fluida, ada empat macam heat exchanger:a. Pada susunan aliran searah (parallel flow), fluida panas dan dingin masuk pada ujung yang sama, mengalir dengan arah yang sama dan berakhir pada ujung yang sama pula.b. Pada susunan aliran yang berlawanan (counter flow), fluida panas dan dingin masuk pada ujung yang berlawanan, mengalir secara berlawanan arah dan berakhir pada ujung yang berlawanan arah pula.c. Alternatif yang lain adalah aliran melintang atau tegak lurus (cross flow) yang terbagi atas dua kondisi, kedua fluida tak bercampur (unmixed) dan setelah satu dari fluida bercampur tapi yang lainnya tidak bercampur.d. Susunan dengan arah aliran gabungan atau tiga pola aliran di atas.

Berdasarkan tipe alat penukar panas, ada beberapa macam antara lainconcentric tube heat exchanger, shell and tube heat exchanger.

Shell and Tube Heat ExchangerPada peralatan ini proses perpindahan panas terjadi antara fluida yang mengalir dalam tube (tabung) dengan fluida shell (selongsong) yang mengalir di luar tabung. Aliran fluida shellyang berolak akan memberikan koefisien perpindahan panas yang tinggi. Untuk memperoleh efek olakan pada aliran fluida tersebut dipasang baffles (sekat-sekat). Di samping itu baffle juga digunakan untuk mengarahkan aliran dalam fluida di shell dan mengikat atau mendukung tube bundle.

Kondifikasi Shell and Tube Heat ExchangerBerdasarkan TEMA (Tubular Exchanger Manufacturing Association), shell and tube heat exchanger dikodekan dengan 3 huruf dimana masing-masing huruf menunjukkan tipe front end stationary head, bentuk dan laluan di shell, dan tipe rear and head.

Gambar 2.1 Bagian-Bagian Shell and Tube Heat Exchanger tipe AES

a. Fixed Tube Sheet Heat Exchanger Fixed tube sheet heat exchanger tersusun atas shell dan tube sheet yang menyatu (tidak dapat dipisah). Hal ini mencegah kebocoran fluida yang mengalir di shell.Fluida yang mengalir di shell adalah fluida yang tidak menyebabkan fouling karena jenis ini tidak didesain untuk dilakukan pembersihan di sisi shell.

Gambar 2.2Fixed Tube Sheet Heat Exchangerb. U Tube Bundle Heat ExchangerJenis ini hanya mempunyai satu stationary tube sheet dan rear-nya berbentuk U. Tube bundle dapat dikeluarkan dari shell sehingga dapat dilakukan pembersihan secara mekanis. Jumlah laluan di sisi tube harus genap.

Gambar 2.3 U Tube Bundle Heat Exchanger

c. Outside Packed Heat Exchanger Terdapat packing untuk mencegah kebocoran fluida di sisi shell. Ada kalanya fluida mengalami kebocoran sehingga tipe ini tidak boleh digunakan untuk fluida di sisi shell yang bertekanan tinggi, mudah terbakar, dan beracun.

Gambar 2.4Outside Packed Heat Exchanger

d. Internal Floating Heat ExchangerCiri-ciri dari tipe ini adalah floating tube sheet yaitu tube sheet yang terpisah dari shell maupun channel. Konstruksi seperti ini dapat mengakomodasi adanya axial expansion di tube bundle akibat perbedaan temperatur yang besar antara kedua fluida. Memungkinkantubebundle dapat dikeluarkan dari shell untuk dilakukan pembersihan secara mechanical maupun chemical. Tube bundle juga dapat diganti dengan yang baru apabila terjadi kebocoran. Pull Through Floating HeadTube bundle dapat langsung dikeluarkan dari shell dengan mudah yaitu dengan melepas baut di channel dan menantinya keluar.

Gambar 2.5Pull Through Floating Head

Floating Head withBacking DeviceSeperti pada gambar 2.1, floating head dapat dijepit antara backing device dan tube sheet cover.Disebut juga non-pull throughfloating head karena tube bundletidak dapat langsung dilepas darishell.Untuk melepas tube bundle, shell cover dan tube sheet cover harus dilepas terlebih dahulu.

Externally Sealed Floating Tube SheetMemiliki dua stuffing box yang berhadapan, juga memiliki lantern ring diantara packing untuk lubrikasi.Kelebihannya adalah murah dan dapat diproduksi secara massal. Kekurangannya adalah kemungkinan terjadi kebocoran kedua fluida ke atmosfir atau dari satu fluida ke fluida lain.

Jenis- Jenis Bafflesa. Segmental BaffleSegmental baffle dibentuk dengan cara memotong baffle dari bentuk lingkaran, potongan baffle mempunyai ukuran antara 15% - 40% (biasanya 25%) dari ukuran lingkaran penuh. Baffle ini banyak digunakan dan dianggap baffle standar karena mempunyai efisiensi perpindahan panas yang tinggi.

Gambar 2.6Segmental Baffle

b. Strip BaffleBentuk ini juga dapat disebut double segmental, karena terdapat dua potongan pada lingkaran penuh baffle.Besar potongan antara 20% - 30% untuk satu lingkaran.

Gambar 2.7Strip Baffle

c. Disc and Doughnut BaffleDesain dan bentuk terdiri dari baffle berbentuk disc dan doughnut. Diameter bentuk disc lebih besar dari diameter lubang doughnut, padabaffle jenis ini dipakai tie rod untuk menyangga baffle. Tie rod ini sebagian terletak pada susunan tabung sehingga mempengaruhi jumlah efektif tabung dalam berkas / susunan tabung.

Gambar 2.8Disc and Doughnut Baffle

d. Orifice BaffleBafflejenis ini terdiri dari disc dengan lubanglubang yang mempunyai ukuran lebih besar dari diameter tabung. Aliran fluida mengalir melalui anular orifice dan menimbulkan pengaruh olakan pada fluida. Desain dari baffle ini jarang dipakai karena efesiensi yang rendah.

Gambar 2.9Orifice Baffle

e. Rod BaffleBaffle jenis ini lebih berfungsi sebagai sirip daripada pengaruh aliran. Rod baffle heat exchanger dikembangkan oleh Philip. Heat exchanger ini getarannya lebih kecil.

Gambar 2.10Rod Baffle Heat Exchanger and Support (a) Schematic,(b) Details, (c) Cage Assembly, (d) Tube and Support Rod Layout

Analisa Penukar PanasMetode Beda Temperatur Rata- Rata Logaritmik (LMTD)Metode yang sering digunakan untuk perancangan dengan perhitungan untuk kerja peralatan penukar panas.

Harga dapat ditentukan dengan mengetahui harga suhu masuk dan suhu keluar kedua fluida, sehingga persamaan di atas menjadi :

, dimana:q = heat transfer (W)U = overall heat transfer coeffisien (kJ/s.m.K)A = luas bidang perpindahan panas (m)

Gambar 2.11Distribusi Temperatur pada Aliran Penukar Panas

Gambar 2.12 Distribusi Temperatur pada Penukar Panas Aliran Paralel

Untuk mendapatkan hargadiperlukan asumsi : Harga U konstan untuk seluruh panjang pipa Konduksi hanya berlangsung satu dimensi ke arah radial pipa Pertukaran panas hanya terjadi antara kedua fluida Kondisi tunak Perbedaan energi potensial dan kinetik diabaikan. Untuk penukar aliran paralel berlaku :

Metode Number of Transfer Unit (NTU)Metode ini lebih efektif, jika dipakai untuk mengetahui unjuk kerja dari penukar kalor yang sudah jadi. Untuk mendefinisikan unjuk kerja dari penukar kalor terlebih dahulu harus diketahui laju perpindahan panas maksimum yang dimungkinkan oleh penukar kalor tersebut .Jika Cc < Ch, maka= Cc( Th, i Tc, i )Jika Cc > Ch, maka= Ch ( Th, i Tc, i )

Sedangkan effectiveness (e) adalah perbandingan antara laju perpindahan panas heat exchanger dengan laju perpindahan maksimum yang dimungkinkan.

Effectiveness merupakan bilangan tanpa dimensi dan berada dalam batas0