Makalah HE

Praktikum POT 1 Double Pipe HE

BAB I

TEORI PERCOBAAN

I.1 Heat Exchanger; Jenis, Aliran dan Distribusi Temperatur

Heat exchanger dibedakan berdasarkan beberapa faktor. Pertimbangan dalam

pemilihan tipe sederhana adalah kemampuannya dan metode disain yang tepat untuk alat

itu :

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) destilasi, 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 temperatue jenuh.

Dwi Rahmat, Monica, Polu 1


B. Berdasarkan konstruksinya

1.Tubular Exchanger

a. Double-pipe

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 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 fliuda 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).

Mekanismenya perpindahan tersebut

Pada HE ini terjadi proses transfer panas secara tidak langsung dimana proses

pertukaran panasnya terjadi pada dinding pipa bagian dalam. Yang terdapat fluida

pemanas yang mengalir ke dalam pipa kecil,alirannya secara konveksi paksa

kemudian terjadi aliran konduksi dari permukaan yang dalam tadi ke permukaan luar

pipa kecil. Selanjutnya aliran berlangsung berjalan dari permukaan luar pipa kecil ke

fluida lainnya secara konveksi paksa lagi.

b. Shell and tube

Jenis ini terdiri dari shell yang didalamnya terdapat rangkaian pipa kecil yang

disebut tube bundle. Perpindahan panas terjadi antara fluida yang mengalir di dalam

tube dan fluida yang mengalir di luar tube (pada shell side). Shell and tube ini

merupakan Heat Exchanger yang paling banyak digunakan dalam proses-proses

industri.

Keuntungan Shell and Tube Heat Exchanger merupakan Heat Exchanger yang

paling banyak digunakan di proses-proses industri karena mampu memberikan ratio

area perpindahan panas dengan volume dan massa fluida yang cukup kecil. Selain itu

juga dapat mengakomodasi ekspansi termal, mudah untuk dibersihkan, dan



konstruksinya juga paling murah di antara yang lain. Untuk menjamin bahwa fluida

pada shell-side mengalir melintasi tabung dan dengan demikian menyebabkan

perpindahan kalor yang lebih tinggi, maka di dalam shell tersebut dipasangkan

sekat/penghalang (baffles).

Shell and tube ini dibagi lagi sesuai dengan penggunaannya yaitu class R (untuk

keperluan proses dengan tekanan tinggi, class C (untuk keperluan proses dengan

tekanan dan temperatur menengah dan fluida yang tidak korosif, serta class B (untuk

keperluan fluida yang korosif).

Bila dilihat mekanisme perpindahan tersebut

Proses pertukaran panas pada kedua fluida ini terjadi pada dinding tube dimana

terdapat dua proses perpindahan yaitu secara konduksi dan konveksi.

Dilihat dari konstruksinya, Heat Exchanger tipe Shell and Tube dibedakan atas:

Fixed Tube Sheet

Adalah jenis shell and tube Heat Exchanger yang terdiri dari tube-bundle yang

dipasang sejajar dengan shell dan kedua tube sheet menyatu dengan shell. Kelemahan

pada tipe ini adalah kesulitan pada penggantian tube dan pembersihan shell.

Floating Tube Sheet

Adalah Heat Exchanger yang dirancang dengan salah satu tipe tube sheetnya

mengambang, sehingga tube-bundle dapat bergerak di dalam shell jika terjadi

pemuaian atau penyusutan karena perubahan suhu. Tipe ini banyak digunakan dalam

industri migas karena pemeliharaannya lebih mudah dibandingkan fix tube sheet,

karena tube-bundlenya dapat dikeluarkan, dan dapat digunakan pada operasi dengan

perbedaan temperatur antara shell dan tube side di atas 200oF.

U tube/U bundle

Jenis ini hanya mempunyai 1 buah tube sheet, dimana tube dibuat berbentuk U

yang ujung-ujungnya disatukan pada tube sheet sehingga biaya yang dibutuhkan

paling murah di antara Shell and Tube Heat Exchanger yang lain. Tube bundle dapat

dikeluarkan dari shellnya setelah channel headnya dilepas. Tipe ini juga dapat

digunakan pada tekanan tinggi dan beda temperatur yang tinggi. Masalah yang sering

terjadi pada Heat Exchanger ini adalah terjadinya erosi pada bagian dalam bengkokan

tube yang disebabkan oleh kecepatan aliran dan tekanan di dalam tube, untuk itu

fluida yang mengalir dalam tube side haruslah fluida yang tidak mengandung partikel-

partikel padat.

c. Spiral tube



2. Plate Heat Exchanger

Kedua aliran masuk dari sudut dan melewati bagian atas dan bawah plat-plat

parallel dengan fluida panas melewati jalan-jalan (ruang antar plat) genap dan fluida

dingin melewati jalan-jalan ganjil. Plat-plat dapat dipasang secara melingkar agar

dapat memberikan perpindahan panas yang besar dan mencegah terjadinya fouling

(deposit yang tidak diinginkan). Plate Heat Exchanger juga mudah untuk dilepas dan

dipasang kembali sehingga mudah untuk dibersihkan. Heat Exchanger ini dibagi atas

3 macam :

Plate and frame or gasketed plate exchanger

Jenis ini terdiri dari bingkai-bingkai dan plat-plat yang disusun rapat,

permukaan plat mempunyai alur-alur yang berpasangan sehingga jika dirangkai

mempunyai dua aliran. Heat Exchanger ini digunakan untuk temperatur dan

tekanan rendah seperti mendinginkan cooling water.

Spiral plate heat exchanger

Lamella (ramen) heat exchager

3. Extended Surface

Permukaan tabung dan plat memiliki efiisiensi yang terbatas. Untuk

meningkatkan heat fluks maka digunakanlah suatu Heat Exchanger dengan extended

surface (permukaan yang dilebarkan) seperti fin, spine (duri), dan groove (kelokan),

sehingga permukaan fluida yang bersentuhan dengan Heat Exchanger menjadi lebih

banyak, dan akan menyebabkan perpindahan panas yang lebih cepat. Jenis ini mampu

meningkatkan koefisen konveksi cukup besar. Heat Exchanger jenis ini dibagi

menjadi dua macam yaitu plate-fin or matrix Heat Exchanger dan high-finned tube.

4. Regenerator

Pada regenerator fluida panas dan dingin menempati jalan yang sama pada

exchanger secara bergantian Heat Exchanger ini terbagi menjadi dua yaitu fixed-

matrix dan rotary. Banyak digunakan pada aplikasi gas turbin dan furnace preheater.

5. Air Cooler Exchanger



Heat Exchanger yang terdiri dari tube bundle, dimana bundle tersebut berisi

beberapa baris tube dan dilengkapi dengan kipas atau fan yang berfungsi untuk

mengalirkan udara diantara sirip-sirip yang terdapat pada bagian luar tube.

C. Berdasarkan Flow arrangements

1. Single pass

2. Multiple pass

Pada single pass, kedua fluida melewati sistem hanya satu kali, sedangkan pada multiple

pass, salah satu atau kedua fluida mengalir bolak-balik secara zigzag. Pada single pass

aliran fluida bisa parallel ataupun berlawanan, sedangkan pada multiple pass merupakan

kombinasai keduanya. Fluida juga dapat mengalir secara crossflow. Yang pertama, kedua

fluida tidak bercampur, mereka melewati jalan masing-masing tanpa bercampur. Yang

kedua, kedua fliuda bercampur tanpa terjadi reaksi kimia. Jika luas shell besar, cross flow

akan menghasilkan koefisien perpindahan kalor yang lebih tinggi daripada aliran aksial

yang terjadi di dalam tabung double-pipe.

Aliran dan distribusi temperature ideal pada Heat exchanger

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 efekrif

dari paralel flow. Skema dari sistem Double Pipe Heat Exchanger Co-current adalah

sebagai berikut:



Fluida yang lebih dingin

Aliran steam aliran kondensat

Fluida hangat Mekanisme perpindahan kalor jenis ini hampir sama dengan

paralel flow, dimana aplikasi dari bentuk diferensial dari persamaan steady-state:

...............(1)

Dimana a” adalah ft2 dari permukaan per ft panjang pipa atau dari diferensial

neraca kalor

........(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.

Dari ketiga tipe Heat Exchanger tersebut tipe counter flow yang paling

efisien ketika kita membandingkan laju perpindahan kalor per unit area. Dengan beda

temperatur fluida yang paling maksimal di antara kedua tipe Heat Exchanger lainnya,

maka beda temperatur rata-rata (log mean temperature difference) akan maksimal dan

pada akhirnya laju perpindahan kalor akan maksimal pula.

Laju perpindahan kalor: ...............(3)

log mean temperature difference: ......................(4)



I.2 Perancangan Heat Exchanger dan Perhitungannya

1. Bagian-bagian Heat Exchanger

Heat exchanger merupakan alat penukar kalor yang mempunyai macam-macam

bentuk. Untuk mengetahui bagaimana cara untuk merancangnya serta bagaimana

perhitungan yang dibutuhkan dalam merancang alat ini, kita akan menelaah terlebih

dahulu mengenai bagian-bagian heat exchanger itu sendiri.

Pada dasarnya, heat exchanger terbagi atas beberapa bagian utama, yakni :

a. Shell

Shell berupa suatu silinder yang dilengkapi oleh tempat masuknya fluida (inlet

Nozzle) dan tempat keluarnya fluida (outlet Nozzle). Shell terbuat dari bahan karbon

dan alloy dengan ketebalan tertentu untuk menahan beban berat, tekanan dan

temperatur fluida. Semakin tebal dindingnya maka tekanan yang didapatkan dalam

beroperasi semakin tinggi.

b. Tube

Ada 2 jenis tube yang umum digunakan dalam Heat Exchanger yakni :

a. Tube yang mempunyai sirip-sirip pada bagian luar tube (finned tube)

b. Tube dengan permukaan yang rata (bare tube)

Tube dibuat dengan ukuran standar baik ketebalan maupun panjangnya. Susunan tube

pada HE mengikuti tube pattern, yang mana yang paling banyak dijumpai adalah

triangular (segitiga) dan square (bujur sangkar).

c. Tube sheet

Adalah tempat untuk merangkai ujung-ujung tube sehingga menjadi satu yang disebut

tube bundle. Selain itu juga berfungsi untuk memisahkan tube side dengan shell side.

d. Baffle

Berfungsi sebagai penyangga terhadap tube, menjaga jarak antar tube, menahan

vibrasi yang disebabkan oleh aliran fluida dan mengatur aliran turbulen sehingga

perpindahan panas lebih sempurna. Ada 2 jenis baffle, yaitu baffle melintang

(segmental, dish & doughnut dan orifice) dan baffle memanjang.

e. peralatan pelengkap

Adalah batangan besi yang sejajar dengan tube dan ditempatkan di bagian paling luar

dari baffle, berfungsi sebagai penyangga agar jarak antara baffle yang satu dengan

yang lain tetap.

Untuk mengetahui letak bagian-bagian tersebut secara lengkap dapat dilihat pada

lampiran bagian-bagian heat exchanger.



2. Perancangan Heat Exchanger

Berikut ini adalah tahapan-tahapan yang digunakan untuk membuat alat penukar kalor

sedarhana (misalnya shell and tube exchanger):

1. Menentukan fluida apa yang akan mengalir dalam shell dan fluida apa yang akan

mengalir dalam tube. Hal ini diperlukan untuk meminimalisir biaya pompa

(pumping cost). Contohnya air digunakan untuk mendinginkan minyak, maka

minyak yang viskositasnya lebih besar akan mengalir dalam shell. Sifat korosi

bahan, fouling dan pembersihan tube juga menjadi pertimbangan dalam tahapan

ini

2. Mengkalkulasi biaya yang dibutuhkan dengan membandingkan dengan akurasi

komputasi, investasi, dan kemungkinan biaya akibat kesalahan kalkulasi

3. Membuat perkiraan kasar mengenai ukuran dari heat exchanger yang akan dibuat.

Untuk mengerjakan ini dapat digunakan nilai U dalam lampiran atau data dari

percobaan. Hal ini mungkin membutuhkan kalkulasi trial and error, namun dapat

membantu untuk menentukan ukuran laju alirnya, mengantisipasi variasi

temperatur dan menghindari error yang lebih besar.

4. Mengevaluasi heat transfer, pressure drop dan biaya dari beberapa variasi

konfigurasi heat exchanger yang mungkin diaplikasikan. Hal ini biasanya

dilakukan dengan menggunakan program komputer dengan skala besar. Kemudian

menentukan HE yang akan dibuat

5. Memulai proses pembuatannya

Jika dibuat dalam diagram alir maka akan menjadi sebagai berikut :


2. Mengkalkulasi biaya investasi yang ada1. Menentukan fluida yang

mengalir dalam tube dan shell beserta kapasitas dan bahannya

4. Mengevaluasi heat transfer, pressure drop dan biaya dari beberapa perkiraan HE yang mungkin

3. Memperkirakan jenis HE dan berapa besar HE yang akan dibuat


3. Perhitungan dasar dalam Heat Exchanger

Logaritmic Mean Temperature Difference (LMTD)

Pada awalnya kita mengandaikan U (bisa juga digantikan oleh ) sebagai nilai

konstan (nilai U dapat dilihat pada tabel pada lampiran). U sendiri merupakan

koefisien heat transfer overall. Aturan untuk nilai U adalah sebagai berikut :

1. Fluida dengan konduktivitas termal rendah seperti tar, minyak atau gas,

biasanya menghasilkan h yang rendah. Ketika fluida tersebut melewati heat

exchanger, U akan cenderung untuk turun

2. Kondensasi dan Pemanasan merupakan proses perpindahan kalor yang efektif.

Proses ini dapat meningkatkan nilai U.

3. Untuk U yang tinggi, tahanan dalam exchanger pasti rendah

4. untuk fluida dengan konduktivitas yang tinggi , mempunyai nilai U dan h yang

tinggi.

Untuk U pada temperatur yang nyaris konstan, variasi temperatur dari aliran fluida

dapat dihitung secara overall heat transfer dalam bentuk perbedaan temperatur rata-

rata dari aliran dua fluida, maka dapat kita buat persamaan berikut :

...........(5)

Yang menjadi masalah kali ini adalah bagaimana membuat persamaan tersebut

menjadi benar. Kita harus dapat menghitung nilai dari ΔT yang diinginkan. Hal ini

disebabkan karena terlihat pada grafik mengenai kecenderungan perubahan

temperatur fluida akan lebih cepat sejalan dengan posisinya. (grafik bisa dilihat dari

lampiran). Selain itu pada counterflow dan pararel flow, perhitungan tersebut bisa

berbeda. Oleh karena itu perlu dicari suatu persamaan yang dapat menyelesaikan

masalah ini. Dengan menurunkan rumus awal sebagai berikut :

............(6)

Keterangan : h untuk aliran panas dan c untuk aliran dingin

Setelah itu kita menyamakan persamaan antara persamaan untuk counterflow dan

persamaan untuk pararel flow dan didapat :


Pembuatan Heat Exchanger


........(7)

Dimana ΔTa adalah selisih antara suhu keluaran shell dengan suhu fluida pendingin

awal dan ΔTb adalah selisih antara suhu keluaran shell dengan suhu fluida pendingin

akhir.

Δt mean yang dimaksud dalam persamaan tersebut adalah LMTD, yaitu :

.......(8)

Namun demikian penggunaan LMTD juga cukup terbatas. Kita harus menggunakan

faktor koreksi F yang dapat dilihat dalam grafik pada lampiran. Sehingga rumusnya

menjadi :

........(9)

Fouling Resistance

Jika sebuah pipa baru saja digunakan, maka keadaannya masih normal dan bersih

sehingga tidak mengganggu proses perpindahan kalor. Namun pada suatu saat fluida

yang terus menerus mengalir dalam pipa akan membentuk seperti sebuah lapisan

yang akan mengganggu aliran kalor. Hal inilah yang disebut dengan fouling resistan.

Untuk menghitung fouling resistan dapat digunakan rumus berikut ini :

............(10)

Dimana U pipa yang sudah tua tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus

sabagai berikut :

..............(11)

Daftar untuk nilai Rf dapat dilihat pada lampiran. Untuk U<<10000 W/m2 C fouling

mungkin tidak begitu penting, karena hanya menghasilkan resistan yang kecil.

Namun pada ater to water heat exchanger dimana nilai U disekitar 2000 maka fouling

factor akan menjadi penting. Pada finned tube heat exchanger dimana gas panas

mengalir di dalam tube dan gas yang dingin mengelir melewaitinya, nilai U mungkin

sekitar 200, fouling factor akan menjadi signifikan.



Efektivitas Heat Exchanger

Efektivitas heat exchanger dapat dirumuskan sebagai berikut :

........(12)

Maka untuk mencari efektifitas untuk pararel single pass HE adalah sebagai berikut :

..........(13)

Sedangkan untuk counterflow adalah sebagai berikut :

.............(14)

Keterangan : NTU (Number of Transfer Unit) bisa didapatkan dari rumus :

...........(15)

Cmin merupakan nilai C tekecil antara Ch dan Cc, sedangkan Cmax merupakan nilai

yang terbesar.

BAB II



PENGOLAHAN DATA

A. Penentuan Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh

Langkah – langkah dalam penentuan koefisien perpindahan kalor menyeluruh

yaitu :

Menentukan diameter equivalen pipa

Menentukan luas penampang tiap pipa, panjang tiap pipa dan koefisien konduksi pipa

Data pipa Bagian Pipa Luas

D luar pipa (m) 0.025 Pipa luar 0.000491

D dalam pipa (m) 0.014 Pipa Dalam 0.000154

D ekuivalen (m) 0.0306

Panjang pipa (m) 0.81

K pipa (W/m) 386

Menentukan jenis aliran : co-current (searah) dan counter-current (berlawanan arah)

Menentukan data-data aliran air dan steam berupa laju alir (Q), laju massa (W),

viskositas (μ), Bilangan Prandtl (Pr) dan k

Menentukan jenis aliran dengan mencari bilangan reynold

Menentukan ho ( koefisien konveksi ) air

Menentukan hi (koefisien konveksi ) steam

Menentukkan koefisien perpindahan panas total / Uc

a. Aliran Searah



Bukaan Valve Penuh (Bukaan valve 1)

Tabel 1. Temperatur Air dan Steam ( T in dan T out)

Fluida T in ºC T out ºC T average

Air 33 36 34.5

Steam 94 45 69.5

Tabel 2. Sifat Fisis atau Data Aliran Air dan Steam

Data Air

Q (m3/s) 1.80E-04

W (kg/s) 0.17892

μ air (kg/m.s) 7.31E-04

Pr air 4.878057554

k 0.625870504

Data Steam

Q (m3/s) 3.36E-06

W (kg/s) 3.34E-03

μ steam(kg/m.s) 4.09E-04

Pr steam 2.587913669

k 0.66326259

Re air pada suhu 34.5ºC 22272.30635

ho air (W/m2 C) 2.27E+03

Re steam pada suhu 69.5ºC 742.3057115

hi steam laminer (W/m2 C) 2.83E+02

Koefisien perpindahan kalor menyeluruh (Uc) = 273 W/m

Bukaan Valve ½



Air 32 38 35

Steam 95 44 69.5


Data Air

Q (m3/s) 1.92E-04

W (kg/s) 1.90E-01

μ air (kg/m.s) 7.24E-04

Pr air 4.825

k 0.6265

Data Steam

Q (m3/s) 2.98E-06

W (kg/s) 2.96E-03


Pr steam 2.587913669

k 0.66326259



Re air pada suhu 35ºC 23926.84236

ho air (W/m2 C) 2.40E+03




Bukaan Valve ¼



Air 33 36 34.5

Steam 94 45 69.5


Data Air

Q (m3/s) 1.70E-04

W (kg/s) 1.69E-01

μ air (kg/m.s) 7.31E-04

Pr air 4.878057554

k 0.625870504

Data Steam

Q (m3/s) 2.46E-06

W (kg/s) 2.44E-03


Pr steam 2.587913669

k 0.66326259


ho air (W/m2 C) 2.18E+03




b. Aliran Berlawanan Arah

Bukaan Valve Penuh (Bukaan valve 1)



Air 28 46 37

Steam 98 36 67




Data Air

Q (m3/s) 2.07E-04

W (kg/s) 0.2054121

μ air (kg/m.s) 6.94E-04

Pr air 4.6127698

k 0.629018

Data Steam

Q (m3/s) 3.50E-06

W (kg/s) 3.48E-03


Pr steam 2.6778417

k 0.6605647


ho air (W/m2 C) 2.62E+03

Re steam pada suhu 67ºC 749.7955



Bukaan Valve ½



Air 28 46 37

Steam 98 36 67


Data Air

Q (m3/s) 1.87E-04

W (kg/s) 0.1857945

μ air (kg/m.s) 6.94E-04

Pr air 4.61276978

k 0.62901799

Data Steam

Q (m3/s) 3.23E-06

W (kg/s) 3.21E-03


Pr steam 2.67784173

k 0.66056475


ho air (W/m2 C) 2.41E+03

Re steam pada suhu 67ºC 690.702541



Bukaan Valve ¼





Air 28 47 37.5

Steam 101 36 68.5


Data Air

Q (m3/s) 1.83E-04

W (kg/s) 0.18157398

μ air (kg/m.s) 6.86E-04

Pr air 4.55971223

k 0.62964748

Data Steam

Q (m3/s) 3.02E-06

W (kg/s) 2.99E-03


Pr steam 2.62388489

k 0.66218345


ho air (W/m2 C) 2.38E+03




B. Penentuan Nilai Keefektifan (ε) dan NTU Secara Perhitungan

1. Co-Current Heat Exchanger dengan Q air = 0.00018 m 3 /s

Dari tabel A-9 (Holman), didapat:

TemperaturSaturated Water Steam

Cp (kJ/kgoC) C (kJ/oC) Cp (kJ/kgoC) C (kJ/oC)

Inlet 4,174 0,7468 4,2047 0,0140

Outlet 4,174 0,7468 4,174 0,0139

Dari data diatas terlihat bahwa yang merupakan fluida minimum ialah steam dengan

Cmin = 0,0139 dan Cmax = 0,7468; sehingga diperoleh :







Inlet 4,175 0,79306 4,206 0,01245

Outlet 4,174 0,79306 4,174 0,01236







Inlet 4,174 0,705 4,2047 0,0103

Outlet 4,174 0,705 4,174 0,0102



4. Counter - Current Heat Exchanger dengan Q air = 0.00020665 m 3 /s






Inlet 4,178 0,858 4,209 0,01465

Outlet 4,174 0,857 4,174 0,01453



5. Counter-Current Heat Exchanger dengan Q air = 0.0001869 m 3 /s




Inlet 4,178 0,7762 4,209 0,0135

Outlet 4,174 0,7755 4,174 0,0134



6. Counter - Current Heat Exchanger dengan Q air = 0.00018267 m 3 /s






Inlet 4,178 0,759 4,214 0,01260

Outlet 4,174 0,758 4,174 0,01248



BAB III

ANALISIS

III.1 Analisis Percobaan

Percobaan Double Pipe Heat Exchanger ini mempunyai tujuan yaitu:

1. Mengetahui prinsip kerja double pipe



2. Menghitung koefisien perpindahan kalor

3. Menghitung efektivitas

4. Membandingkan aliran searah dan berlawanan arah

Dalam percobaan ini digunakan Double Pipe Heat Exchanger dibanding HE

lainnya seperti Shell and Tube HE, hal ini dikarenakan pada double pipe Heat Exchanger

memungkinkan terjadinya proses pemanasan atau pendinginan fluida hasil proses yang

membutuhkan area perpindahan panas yang kecil, dapat mendidihkan ataupun

mengkondensasikan fluida proses namun dalam jumlah yang kecil, sehingga HE ini

sangat cocok untuk percobaan yang bertujuan untuk melihat unjuk kerja alat, serta

mengetahui parameter-parameter yang mempengaruhinya. Kelebihan lain dari model HE

tipe Double Pipe ini adalah:

Perawatan yang lebih mudah dan simpel

Dapat dipasang dalam berbagai macam fitting

Dapat mendidihkan fluida dengan cepat

Dalam mengambil data percobaan, dilakukan variasi terhadap variabel-variabel

percobaan. Dalam hal ini dilakukan variasi terhadap laju alir air yang berada dalam

anulus (dengan laju alir steam yang tetap karena kran steam dibuka penuh dalam setiap

pengambilan data) dan arah aliran steam terhadap aliran air (co-current/searah dan

counter current/berlawanan arah). Dilakukan variasi terhadap laju alir air bertujuan untuk

mengetahui pengaruh besar laju air terhadap efisiensi HE. Sedangkan variasi terhadap

arah aliran bertujuan untuk mengetahui arah aliran yang seperti apa yang baik dalam

proses pentransferan panas

Steam sengaja alirkan di dalam pipa dengan tujuan agar kalor yang diberikan

steam terserap dengan baik oleh air dibandingkan apabila steam dialirkan di dalam

anulus. Selain itu jika steam dialirkan pada luar pipa, maka akan terjadi pembuangan

energi steam secara sia-sia ke lingkungan; dengan kata lain pengaliran steam di luar pipa

membuat HE tidak ekonomis. Skema sederhana dari sistem Double Pipe Heat Exchanger

Co-current adalah sebagai berikut:



Pada posisi masukan, tengah, dan keluaran aliran dipasang sensor temperatur untuk

mendeteksi suhu aliran pada posisi tersebut. Berdasarkan neraca panas dan energi, panas

yang dilepaskan oleh steam akan mengalami tahanan konveksi termal lapisan steam film

di dalam pipa, tahanan konduksi termal dari dinding pipa, dan tahanan konveksi termal

oleh air di anulus, dan dengan asumsi tidak ada kehilangan panas karena radiasi.

Persamaannya:

Dan dengan mengasumsikan ketebalan dinding pipa sangat tipis maka tahanan konduksi

termal dari dinding pipa dapat diabaikan,sehingga didapatkan persamaan:

Perhitungan perpindahan kalor

dengan koefisien perpindahan kalor (U) secara menyeluruh:

Jadi bisa dilihat bahwa nilai koefisien perpindahan kalor ini dipengaruhi oleh :

1.Koefisien konveksi air

2.Koefisien konveksi steam

3.Koefisien konduksi pipa

4.Ukuran pipa

Koefisien konveksi air memiliki rumus :

Nilai ho merupakan nilai yang mempengaruhi laju perpindahan kalor secara

konveksi pada air. Maka dapat dinyatakan bahwa semakin besar nilai ho, semakin cepat

kalor yang dialirkan oleh air. Karena kalor yang dialirkan air semakin cepat, hal ini

berdampak pada kecepatan penyerapan kalor steam oleh uap yang dampaknya terlihat

pada meningkatnya laju kondensasi.

Nilai ho sangat dipengaruhi oleh turbulensi dan sifat-sifat thermal air lainnya, jadi

nilai ho akan berubah seiring dengan kenaikan temperatur.



Koefisien konveksi steam memiliki rumus :

Nilai h1 merupakan nilai yang mempengaruhi laju perpindahan kalor secara

konveksi pada steam. Maka dapat dinyatakan bahwa semakin besar nilai h1, semakin

cepat kalor yang dialirkan oleh steam. Karena kalor yang dialirkan steam semakin cepat,

hal ini berdampak pada kecepatan penyerapan kalor steam oleh uap yang dampaknya

terlihat pada meningkatnya laju kondensasi.

Nilai hi sangat dipengaruhi oleh turbulensi dan sifat-sifat thermal steam lainnya,

jadi nilai hi akan berubah seiring dengan kenaikan temperatur.

LMTD (Log Mean Temperature Difference)

LMTD merupakan salah satu parameter unjuk kerja Double Pipe Heat Exchanger dengan

asumsi kondisi tunak (laju alir kalor radial di setiap titik sama), nilai U tetap di sepanjang

pipa,. Cp konstan (bukan fungsi T), dan tidak terjadi perubahan fasa fluida, dan tidak

terjadi kehilangan panas.

Perhitungan Efektivitas

Efisiensi sistem HE yang mempunyai persamaan :

Jelas juga akan terpengaruh oleh Qair seiring dengan perubahan suhunya. Dari hasil

perhitungan diketahui bahwa untuk nilai Qair yang lebih besar maka akan diperoleh

efisiensi sistem yang lebih besar pula. Hal ini juga senada dengan kenaikan NTU yang

seiring dengan kenaikan Qair yang dapat dilihat pada pengolahan data.

Perbandingan Aliran Searah dan Berlawanan Arah



Pada aliran Co-current dan aliran Counter Current Heat Exchanger, pengaruh

kenaikan Qair adalah peningkatan bilangan Re peningkatan ho & hi peningkatan U.

Dan juga peningkatan LMTD, efisiensi dan diikuti oleh NTU.

Dari gambar diatas terlihat bahwa pada aliran co- current memiliki T yang lebih kecil

dari aliran counter yang terlihat pada jarak Th3 dengan Tc2. Karerna T besar untuk

aliran counter maka driving force-nya besar, sehingga efektivitas naik dan berartu

meningkatkan efisiensi kerja alat. Sedangkan pada aliran co-current, karena T kecil

menyebabkan driving force-nya kecil, sehingga efektivitas dan efisiensi kerja alat lebih

kecil dari pada aliran counter.



III.2 Analisis Data

Perubahan Q air terhadap Q steam

Dari data yang diperoleh, dapat terlihat bahwa, seiring dengan kenaikan laju alir

air, laju kondensat semakin besar. Hal ini dikarenakan oleh semakin banyaknya kalor

yang diserap oleh air dari steam, jadi semakin banyak steam yang terkondensasi menjadi

air.

Pengaruh aliran, suhu dan ho dan hi

Merujuk pada data yang telah diamati dan diolah, kita dapat melihat sebuah

kecenderungan bahwa bahwa semakin tinggi aliran air, suhu steam keluaran akan

semakin kecil hal ini disebabkan karena makin banyak kalor yang dibutuhkan untuk

memanaskan air dalam pipa, yang berakibat pada makin berkurangnya suhu steam. Hal

ini juga mempengaruhi nilai hi dan ho. Hi dan ho sangat dipengaruhi oleh sifat-sifat

thermal fluida tersebut, jadi perubahan aliran yang mengakibatkan perubahan suhu akan

mengakibatkan perubahan pada hi dan ho

Pengaruh jenis aliran terhadap suhu

Jenis aliran yang terhadap dalam percobaan ini adalah co-current dan counter

current. Terdapat variasi suhu dalam kedua aliran tersebut. Data yang diperoleh adalah :

Jenis Aliran Percobaan Stream T in T out

Co-Current 1 Air 33 36

Steam 94 45

2 Air 32 38

Dwi Rahmat, Monica, Polu

No Q air Q steam

1 1.80E-04 3.36E-06

2 1.92E-04 2.98E-06

3 1.70E-04 2.46E-06

4 2.07E-04 3.50E-06

5 1.87E-04 3.23E-06

6 1.83E-04 3.02E-06

24

Aliran Searah

Aliran Berlawanan


Steam 95 44

3 Air 33 36

Steam 94 45

Counter-Current 1 Air 28 46

Steam 98 36

2 Air 28 46

Steam 98 36

3 Air 28 47

Steam 101 36

Dari data yang diperoleh dalam percobaan, didapat bahwa kenaikan suhu air lebih

signifikan pada jenis aliran counter-courrent. Hal ini sesuai dengan teori, karena pada

aliran counter LMTD yang dihasilkan lebih besar, sehingga semakin panas yang berhasil

ditransfer, sehingga efektifitas HE semakin besar. Karena pada proses-proses di industri

yang melibatkan proses HE, lebih banyak menggunakan aliran counter daripada co-

current.

Selain dipengaruhi oleh besar laju alir air (dengan laju steam tetap), arah aliran

(co-current/counter-current), perpindahan panas dalam Double Pipe Heat Exchanger

dipengaruhi oleh faktor pengotoran dalam Double Pipe Heat Exchanger. Adanya faktor

pengotoran ini menghambat jalannya perpindahan panas. Faktor pengotoran (fouling

factor) merupakan besaran yang menyatakan tingkat pengotoran suatu Heat Exchanger.

III.3 Analisis Kesalahan

Ada beberapa hal yang berpotensi menyebabkan terjadinya kesalahan-kesalahan

pada saat praktikum, diantaranya adalah:

1. Pada saat pengambilan data laju alir air ataupun kondensat, waktu yang dicatat

seringkali mengandung banyak kesalahan paralaks praktikan

2. Pada saat pengambilan data suhu, sistem belum mencapai kesetimbangan

sehingga hasil pengukurannya belum merupakan hasil sebenarnya.

3. Bukaan valve yang bervariasi menyebabkan praktikan harus mengatur sedemikian

rupa sehingga bukaan valve yang satu dengan yang lain menghasilkan data yang

berbeda namun sesuai dan valid. Namun, dalam hal ini faktor kesalahan manusia

sangat rentan terjadi.




Makalah HE

Documents