laboratorium proses pemisahan dengan perpindahan massa heat exchanger

LABORATORIUM PROSES PEMISAHAN DENGAN

PERPINDAHAN MASSA

Percobaan : .....................................

PROGRAM STUDI D3 TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2015

Kelompok : ...............

Nama :

1. ........................................... NRP. ........................................

2. ........................................... NRP. ........................................

3. ........................................... NRP. ........................................

4. ........................................... NRP. ........................................

Tanggal Percobaan : .................................................................

Tanggal Penyerahan : .................................................................

Asisten : .................................................................

Dosen Pembimbing : .................................................................

Heat Exchanger

III α

Zandhika Alfi P.

May Saktianie N.

28 April 2015

Gita Ema R.

2313 030 035

2313 030 029

Saidah Altway S.T.,M.T.,M.Sc.

Nurul Qiftiyah 2313 030 067

Rizka Amalia K. P. 2313 030 073

21 April 2015

i

ABSTRAK

Tujuan dari percobaan Heat Exchanger adalah Menentukan nilai ∆TLMTD, hi/ho, Q, UD, Rd,

dan Efisiensi, Mengetahui pengaruh flow Rate terhadap ∆TLMTD, hi/ho, Q, UD, Rd, dan Efisiensi.

Mendemonstrasikan penggunaan salah satu jenis exchanger yang beroperasi dengan aliran

Co-Curent maupun aliran Counter-Curent serta perbandingan nilai ∆TLMTD, UD, Q, dan

Efisiensi antara kedua aliran tersebut. Prosedur Percobaan adalah Tahap Persiapan, yaitu

pertama mengisi tangki minimal ¾ bagian dari volume. Menghidupkan pompa, sampai pompa

mati dengan sendirinya. Mengecek volume boiler, dengan cara melihat pada gelas penduga

pada unit control. Volume control air tidak boleh penuh, jika penuh akan menyebabkan bahaya

karena tidak ada ruang penguapan ketika boiler dipanaskan. Membuangnya atau mengurangi

air jika penuh melalui kran drain atau pembuangan hingga pada batas aman. Membuka katup

kompor lalu menyulutkan api ke kompor. Jika bau gas menyengat, maka tutup kembali

regulator tabung LPG dengan segera. Menunggu sampai air mendidih pada temperatur130oC

dengan melihat pada termometer. Menyeting tekanan uap pada tekanan 1.2 bar dengan jalan

mengatur katup pengaman SV (Safety Valve). Tekanan dapat dilihat pada manometer.

Menjaga isi bak atau tangki minimal ¾ volumenya. Menggunakan boiler apabila tekanan telah

stabil. Tahap Percobaan dibagi dua yaitu arah aliran co-current, membuka valve V2, V6, V9.

Menutup valve V4, dan V7. Mengalirkan air dengan membuka valve V5 sebagai variabel setelah

keadaan steady state. Mengukur Rate steam dan juga Rate air. Mengamati suhu steam yang

masuk (T1) dan suhu steam yang keluar (T2). Mengukur suhu air yang masuk (t1) dan suhu air

yang keluar (t2). Mencatat suhu yang telah di dapat. Tahap yang kedua adalah Arah Aliran

Counter-Current, yaitu membuka valve V2, V7, dan V8. Menutup valve V4, V6, V9, dan V5.

Mengalirkan air dengan membuka valve V9 sebagai variabel setelah keadaan steady state.

Membuka valve V1 sebagai variabel setelah keadaan steady state. Mengukur Rate steam dan

juga Rate air. Mengamati suhu steam yang masuk (T1) dan suhu steam yang keluar (T2).

Mengukur suhu air yang masuk (t1) dan suhu air yang keluar (t2). Mencatat suhu yang telah

didapat. Dari hasil percobaan Heat Exchanger yang telah dilakukan, maka dapat diperoleh

kesimpulan untuk Hubungan flow rate dengan ∆TLMTD, hi/ho, Q, Ud, dan efisiensi adalah

berbanding lurus, maksudnya nilai ∆TLMTD, hi/ho, Q, Ud, dan efisiensi akan semakin bertambah

seiring bertambahnya flow rate, sedangkan untuk nilai Rd mengalami penurunan seiring

bertambahnya flow rate. Namun dari hasil praktikum untuk nilai-nilai ho, Q, Ud, Rd dan

efisiensi ada yang mengalami penyimpangan dari literatur. Perbandingan nilai ∆TLMTD, Q, dan

efisiensi antara aliran Counter-Curent lebih besar yang aliran Co-Curent. Sedangkan untuk

nilai Ud berlawanan dengan nilai ∆TLMTD, Q, dan efisiensi, yaitu nilai Ud lebih besar pada

aliran Co-Curent. Namun dari hasil praktikum terjadi penyimpangan dengan literatur pada

nilai ∆TLMTD, Ud dan efisiensi.

ii

DAFTAR ISI

ABSTRAK ............................................................................................................... i

DAFTAR ISI ........................................................................................................... ii

DAFTAR GAMBAR .............................................................................................. iii

DAFTAR TABEL ................................................................................................... iv

DAFTAR GRAFIK.................................................................................................. v

BAB I PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang ............................................................................................ I-1

I.2 Rumusan Masalah ....................................................................................... I-2

I.3 Tujuan Percobaan ....................................................................................... I-2

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

II.1. Dasar Teori ............................................................................................. II-1

II.2. Aplikasi Industri ..................................................................................... II-13

BAB III METODOLOGI PERCOBAAN

III.1. Variabel percobaan ................................................................................ III-1

III.2. Bahan yang digunakan .......................................................................... III-1

III.3. Alat yang digunakan .............................................................................. III-1

III.4. Prosedur percobaan ............................................................................... III-1

III.5. Diagram alir ........................................................................................... III-3

III.6 Gambar alat ........................................................................................... III-6

BAB IV HASIL PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

IV.1 Hasil Percobaan ..................................................................................... IV-1

IV.2 Hasil Perhitungan .................................................................................... IV-3

IV.3 Pembahasan ............................................................................................ IV-10

BAB V KESIMPULAN .......................................................................................... V-1

DAFTAR NOTASI .................................................................................................. vi

DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................. viii

APPENDIKS ............................................................................................................ ix

Lampiran

- Laporan Sementara

- Lembar Revisi

iii

DAFTAR GAMBAR

Gambar II.1 Proses Perpindahan Panas ..................................................................... II-1

Gambar II.2 Double Pipe Heat Exchanger ............................................................... II-4

Gambar II.3 Shell and Tube Heat Exchanger............................................................ II-5

Gambar II.4 Cross flow Heat Exchanger .................................................................. II-6

Gambar II.5 Pola Aliran dan Distribusi Temperatur dalam Co-current Flow .......... II-7

Gambar II.6 Pola Aliran dan Distribusi Temperatur dalam Counter-Current Flow . II-8

Gambar III.6 Seperangkat Peralatan Heat Exchanger ................................................ III-6

iv

DAFTAR TABEL

Tabel IV.1 Hasil Percobaan dan Perhitungan ∆TLMTD dengan Rate Aliran

Dingin Konstan Co-Curent ..................................................................... IV-1

Tabel IV.2 Hasil Percobaan dan Perhitungan ∆TLMTD dengan Rate Aliran

Dingin Konstan Counter-Curent ............................................................. IV-1

Tabel IV.3 Hasil Perhitungan Properti Fisik untuk Rate Dingin Konstan pada

Aliran Co-Current ................................................................................... IV-2

Tabel IV.4 Hasil Perhitungan Properti Fisik untuk Rate Dingin Konstan pada

Aliran Counter-Current .......................................................................... IV-2

Tabel IV.5 Hasil Perhitungan Rate Massa (W), Kecepatan (v) dan Rate Massa

per satuan Luas (G) untuk Rate Dingin Konstan pada Aliran Co-

Current .................................................................................................... IV-3

Tabel IV.6 Hasil Perhitungan Rate Massa (W), Kecepatan (v) dan Rate Massa

per satuan Luas (G) untuk Rate Dingin Konstan pada Aliran

Counter-Current ..................................................................................... IV-3

Tabel IV.7 Hasil Perhitungan UD, Uc, dan Rd untuk Rate Dingin Konstan pada

Aliran Co-Current ................................................................................... IV-4

Tabel IV.8 Hasil Perhitungan UD, Uc, dan Rd untuk Rate Dingin Konstan pada

Aliran Counter-Current .......................................................................... IV-4

Tabel IV.9 Hasil Perhitungan Efisiensi Heat Exchanger .......................................... IV-4

Tabel IV.10 Hasil Perhitungan NRe, JH, hi, ho, hio untuk Rate Dingin Konstan

pada Aliran Co-Current .......................................................................... IV-5

Tabel IV.11 Hasil Perhitungan NRe, JH, hi, ho, hio untuk Rate Dingin Konstan

pada Aliran Counter-Current .................................................................. IV-5

v

DAFTAR GRAFIK

Grafik IV.1 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) vs ∆TLMTD (oF) pada Aliran Co-

Current dan Counter-Curent dengan Rate Dingin Konstan............... IV-6

Grafik IV.2 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) vs hi (BTU/hr.ft2ᵒF) pada

Aliran Co-Current dan Counter-Curent dengan Rate Dingin

Konstan............................................................................................... IV-7

Grafik IV.3 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) vs ho (BTU/hr.ft2ᵒF) pada

Aliran Co-Curent dan Counter-Current dengan Rate Dingin

Konstan............................................................................................... IV-8

Grafik IV.4 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) vs Qavg (BTU/hr) pada Aliran

Co-Current dan Counter-Curent dengan Rate Dingin Konstan......... IV-9

Grafik IV.5 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) vs Ud (BTU/hr.ft2ᵒF) pada


Konstan.............................................................................................. IV-10

Grafik IV.6 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) vs Rd (BTU/hr.ft2ᵒF) pada


Konstan............................................................................................... IV-11

Grafik IV.7 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) vs Efisiensi % pada Aliran Co-

Curent dan Counter-Current dengan Rate Dingin Konstan............... IV-12

vi

DAFTAR NOTASI

No. Simbol Keterangan Satuan

1 A Luas Heat Exchanger ft2

2 Ap Luas penampang pipa ft2

3 Aa Luas penampang annulus ft2

4 Cpc Kapasits panas aliran air dingin (BTU/(lb)(°F))

5 Cph Kapasits panas aliran air panas (BTU/(lb)(°F))

6 D Diameter inside pipa Ft

7 D1 Diameter inside annulus Ft

8 D2 Diameter outside annulus Ft

9 De Diameter ekivalen Ft

10 Gc Kecepatan massa aliran air dingin (lb/hr.ft2)

11 Gh Kecepatan massa aliran air panas (lb/hr.ft2)

12 hi Koefisien perpindahan panas inside fluida (BTU/hr.ft2ᵒF)

13 ho Koefisien perpindahan panas outside fluida (BTU/hr.ft2ᵒF)

14 hio Nilai hi dibanding diameter pipa outside (BTU/hr.ft2ᵒF)

15 kc Konduktivitas termal aliran air dingin (BTU/[hr.ft2.°F/ft])

16 kh Konduktivitas termal aliran air panas (BTU/[hr.ft2.°F/ft])

17 L Panjang pipa Ft

18 LMTD Log mean temperature difference oF

19 NRe,c Bilangan Reynold aliran air dingin -

20 NRe,h Bilangan Reynold aliran air panas -

21 JH,c Bilangan Prandtl aliran air dingin -

22 JH,h Bilangan Prandtl aliran air panas -

23 P Tekanan udara mmHg

24 Qc Kalor aliran air dingin (BTU/hr)

25 Qh Kalor aliran air panas (BTU/hr)

26 Qav Kalor rata-rata (BTU/hr)

27 T1 Suhu aliran air panas masuk oF

28 T2 Suhu aliran air panas keluar oF

vii

29 t1 Suhu aliran air dingin masuk oF

30 t2 Suhu aliran air dingin keluar oF

31 Tavg Suhu rata-rata aliran air panas oF

32 tavg Suhu rata-rata aliran air dingin oF

33 UD Over all Heat transfer Dirt Coeffition (BTU/hr.ft2ᵒF)

34 Uc Over all Heat transfer Clean Coefficient (BTU/hr.ft2ᵒF)

35 Rd Dirt Factor (BTU/hr.ft2ᵒF)

36 Vc Debit aliran air dingin ft3/hr

37 Vh Debit aliran air panas ft3/hr

38 Wc Berat aliran air dingin lb/hr

39 Wh Berat aliran air panas lb/hr

40 μc Viskositas a;iran air dingin (lb/ft.hr)

41 μh Viskositas aliran air panas (lb/ft.hr)

42 ρc Densitas aliran air dingin (lb/ft3)

43 ρh Densitas aliran air panas (lb/ft3)

44 Η Efisiensi %

viii

DAFTAR PUSTAKA

Geankoplis Christie John Transport Processes and Separation Process Principles [Book]. -

New Jersey : Pearson Education.Inc, 2003. - Vol. IV.

Barun, A. (2007). ANALISIS PERFORMANSI PADA HEAT EXCHANGER JENIS

SHEELAND TUBE TIPE BEM DENGAN MENGGUNAKAN PERUBAHAN LAJU

ALIRAN MASSA FLUIDA PANAS (Mh). Jakarta: Universitas Muhammadiya

Jakarta.

Dewi, L. (2010). Shell and Tube Heat Exchanger. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh

Nopember.

Dwi, I. W. (2012). Heat Exchanger. Lampung: Universitas Lampung.

Kern Donald Q. Process Heat Transfer [Book]. - Japan : McGraw Hill Boook Company,

1965. - Vol. 21.

Murugesan. (2012). The Effect of Mass Flow Rate on the Enhanced Heat Transfer

Charactristics in A Corrugated Plate Type Heat Exchanger. Research Journal of

Engineering Sciences, 25.

Sadiawan, S. S. (2013). PENGARUH SIRIP CINCIN INNER TUBE TERHADAP

KINERJA PERPINDAHAN PANAS PADA HEAT EXCHANGER. 5(1).

Sutowo Cahya Analisa Heat Exchanger Jenis Sheel and Tube dengan Sistem Single Pass

[Journal]. - Jakarta : Universitas Muhammadiyah, 2010. - 1 : Vol. II.

I-1

BAB I

PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Pada dunia industri saat ini, proses perpindahan kalor merupakan salah satu

proses kunci dalam kerja mesin. Mesin-mesin industri bekerja menghasilkan berbagai

macam perubahan energi, dari energi termis maupun energi mekanis yang dapat

meningkatkan peningkatan suhu kerja dalam sistem. Untuk dapat mencegah maupun

terjadinya peningkatan panas yang semakin tinggi maka di perlukan proses

pendinginan (Sutowo, 2010).

Alat penukar kalor adalah suatu alat yang dapat memberikan fasilitas

perpindahan panas dari satu fluida ke fluida lain yang berbeda temperaturnya, serta

menjaga agar kedua fluida tersebut tidak bercampur. Proses perpindahan panas yang

paling sederhana adalah proses yang terjadi dimana fluida yang panas dan fluida

yang dingin secara langsung. Dengan sistem demikian kedua fluida akan mencapai

temperatur yang sama, dan jumlah panas yang berpindah dapat diperkirakan dengan

mempersamakan kerugian energi dari fluida yang lebih panas dengan perolehan

energi yang lebih dingin (Sutowo, 2010).

Sehingga alat penukar kalor memiliki peran penting dalam dunia penindustrian

terhadap keberhasilan keseluruhan rangkaian proses, karena kegagalan operasi alat

ini baik akibat kegagalan mekanikal maupun operasional dapat menyebabkan

berhentinya operasi unit yang ada dalam proses industri tersebut. Maka suatu alat

penukar kalor (Heat exchanger) dituntut untuk memiliki kinerja yang baik agar dapat

diperoleh hasil yang maksimal serta dapat menunjang penuh terhadap suatu

operasional unit.

I.2 Rumusan Masalah

1. Bagaimana cara menentukan nilai ∆TLMTD, hi/ho, Q, UD, Rd, dan Efisiensi?

2. Bagaimana pengaruh flow rate terhadap ∆TLMTD, hi/ho, Q, UD, Rd, dan Efisiensi?

3. Bagaimana cara mendemonstrasikan penggunaan salah satu jenis exchanger yang

beroperasi dengan aliran Co-Curent maupun aliran Counter-Curent serta

perbandingan nilai ∆TLMTD, UD, Q, dan Efisiensi antara kedua aliran tersebut?

BAB I PENDAHULUAN

I-2

II Laboratorium Proses Pemisahan dan Perpindahan Massa

Program Studi D3 Teknik Kimia

FTI - ITS

I.3 Tujuan Percobaan

1. Menentukan nilai ∆TLMTD, hi/ho, Q, UD, Rd, dan Efisiensi.

2. Mengetahui pengaruh flow rate terhadap ∆TLMTD, hi/ho, Q, UD, Rd, dan Efisiensi.

3. Mendemonstrasikan penggunaan salah satu jenis exchanger yang beroperasi

dengan aliran Co-Curent maupun aliran Counter-Curent serta perbandingan nilai

∆TLMTD, UD, Q, dan Efisiensi antara kedua aliran tersebut.

II-1

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

II.1 Dasar Teori

II.1.1 Perpindahan Panas

Perpindahan panas adalah laju perpindahan panas antara medium panas dan dingin

yang kemudian disebut sebagai medium source dan receiver. Besarnya laju

perpindahan panas pada setiap medium (zat padat, cair dan gas) berbeda-beda (Kern,

1965).

Perpindahan energi dalam bentuk panas terjadi dalam proses kimia atau proses

lainnya. Perpindahan panas sering terjadi dalam proses pemisahan, seperti proses

pengeringan makanan, distilasi alkohol, pembakaran dan evaporasi. Perpindahan panas

terjadi karena adanya perbedaan temperatur dan aliran panas mengalir dari daerah

bersuhu tinggi menuju daerah yang bersuhu rendah (Geankoplis, 2003).

Gambar II.1 Proses Perpindahan Panas

Terdapat tiga jenis mekanisme dasar dari perpindahan panas yaitu secara konduksi,

konveksi dan radiasi. Dan dalam proses perpindahan panas dapat terjadi antara salah

satu jenis mekanisme tersebut atau lebih. Dan jenis perpindahan panas tersebut yaitu :

1. Konduksi

Panas dikonduksikan oleh adanya transfer energi dari gerakan molekul yang

saling berdekatan. Dalam konduksi, perpindahan energi juga bisa dilakukan oleh

elektron bebas, dimana terdapat pada zat padatan seperti logam. Contoh konduksi

adalah perpindahan panas melalui dinding exchangers atau alat pendingin,


II-2

Laboratorium Proses Pemisahan dengan Perpindahan Massa


FTI-ITS

pengolahan besi, dll. Proses perpindahan panas yang mengikuti aliran ini dapat

dituliskan persamaannya sebagai berikut :

dx

dTk

A

qxatau

ceresis

cedrivingfor

kx

Tqx

tan

Dimana : qx = rate perpindahan panas dalam arah x (watt)

A = luas penampang searah aliran panas (m2)

k = Thermal conductivity bahan (W/m.K)

x = jarak perpindahan panas (m)

T = suhu (oK)

2. Konveksi

Konveksi adalah perpindahan panas akibat adanya gerakan/pencampuran dari

daerah panas ke dingin. Contohnya adalah kehilangan panas dari radiator mobil,

pendinginan secangkir kopi dengan cara meniup bagian atas, dll.

Perpindahan panas secara konveksi dapat digolongkan menjadi dua bagian

yaitu:

a. Forced convection, disebabkan oleh adanya bantuan tenaga atau gaya dari

luar sehingga terjadi gerakan dimana fluida secara paksa dialirkan melalui

permukaan zat padat dengan menggunakan pompa, kipas atau alat lainnya.

b. Natural atau free convection, dimana pergerakan perpindahan panas

disebabkan oleh adanya perbedaan densitas yang diakibatkan adanya

perbedaan temperatur dari fluida tersebut.

Perpindahan panas secara konveksi dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:

)( fw TThAq

dimana : h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K)

Tw = suhu dinding yang berkontak dengan fluida (oK)

T = suhu fluida / rata-rata (oK)

A = luas area / dinding (m2)

3. Radiasi

Berbeda halnya dengan proses perpindahan panas secara konduksi dan

konveksi dimana proses tersebut membutuhkan media fisik untuk mengalirkan

panas, radiasi tidak membutuhkan hal tersebut. Sehingga radiasi merupakan

perpindahan energi panas melalui suatu ruangan karena adanya gelombang


II-3



FTI-ITS

elektromagnetik. Contohnya adalah pemindahan panas ke bumi akibat sinar

matahari, pemanasan fluida pada koil dari tabung furnace, dll.

Perpindahan panas secara radiasi dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :

4ATQ

Dimana : = konstanta Boltzman = 5,676 x 10-8 W/m2..oK4

ε = emissivity (=1 untuk benda hitam)

A = luas permukaan benda

(Geankoplis, 2003)

II.1.2 Heat Exchanger

Peralatan perpindahan panas sangat dibutuhkan dalam berbagai proses industri.

Heat Exchanger (HE) memanfaatkan panas antara dua aliran proses. Heater digunakan

terutama untuk memanaskan fluida proses. Cooler untuk mendinginkan fluida proses

dimana air digunakan sebagai medium pendingin utama. Condenser adalah cooler yang

tujuan utamanya untuk memanfaatkan panas laten menggantikan panas sensibel.

Reboiler adalah penyuplai panas yang diperlukan pada proses distilasi sebagai panas

laten. Evaporator berfungsi untuk memekatkan larutan dengan menguapkan airnya.Dan

jika yang diuapkan bukan air, maka alatnya disebut vaporizer (Kern, 1965).

Dalam proses industri perpindahan panas antara dua fluida dilakukan dengan

menggungakan Heat Exchanger. Umumnya fluida panas dan dingin tidak dikontakkan

secara langsung, melainkan dipisahkan dengan adanya tube wall atau flat atau curved

surface. Perpindahan panas fluida panas ke tube wall atau permukaan tube merupakan

proses perpindahan panas secara konduksi kemudian secara konveksi menuju fluida

dingin. Sehingga Heat Exchanger adalah alat perpindahan panas yang digunakan

sebagai media perpindahan panas yang terjadi karena perbedaan temperatur dari dua

fluida yang mengalir dan tidak saling bercampur.

Terdapat berbagi jenis Heat Exchanger yaitu :

a. Double pipe Heat Exchanger

Double pipe Heat Exchanger (DPHE) merupakan jenis alat Heat

Exchanger yang sederhana. Dimana salah satu fluida mengalir di dalam pipa

dan fluida lainnya mengalir di dalam annular (ruang diantara dua pipa). Aliran

dalam fluida bisa secara co-current dan counter current. Alat ini dapat dibuat


II-4



FTI-ITS

dengan sepasang pipa tunggal panjang dengan fitting pada bagian akhir atau

dari beberapa pasang yang dihubungkan secara seri. Heat Exchanger tipe ini

biasa digunakan untuk aliran rate yang kecil.

Gambar II.2 Double Pipe Heat Exchanger

b. Shell and tube exchanger

Apabila diperlukan aliran fluida yang lebih besar maka Shell and tube

exchanger dapat digunakan. Alat ini merupakan exchanger yang diperlukan

dalam proses industri. Aliran fluida dalam exchanger ini merupakan aliran

secara kontinyu (berlangsung terus menerus). Terdapat beberapa tube yang

diperlukan dalam alat ini, dimana fluida mengalir di dalam tube. Tube yang

disusun dalam bundle, yang dimasukkan dalam satu shell dan fluida lain

dialirkan di luar tube namun berada di dalam shell. Shell and tube exchanger

yang paling sederhana ditunjukkan dalam gambar II.3 (a) untuk 1 shell pass

dan 1 tube pass atau 1-1 counter-flow exchanger.

Fluida dingin masuk dan mengalir di bagian dalam melalui tube dalam

paralel pada satu pass. Fluida panas masuk pada bagian akhir yang lain dan

mengalir counterflow across di luar tube-tube. Cross baffle digunakan agar

memaksa fluida mengalir across tube dari susunan parallel. Dibutuhkan aliran

fluida yang turbulen dalam cross flow agar dapat meningkatkan koefisien

perpindahan panas.


II-5



FTI-ITS

(a) 1 shell pass and 1 tube pass

(b) 1 shell pass and 2 tube passes

Gambar II.3 Shell and Tube Heat Exchanger

1-2 paralel counter flow exchanger, fluida pada tube side mengalir

dalam 2 passes dan shel-side liquid mengalir dalam satu pass. Pada pass

pertama dari tube side fluida dingin mengalir counter flow menuju fluida panas

shell-side, dan pada pass kedua dari tube side fluida dingin mengalir dalam

paralel (co-current) dengan fluida panas. Tipe lainnya, yaitu exchanger dengan

2 shell-side passes dan 4 tube passes.

c. Cross-flow Exchanger

Apabila suatu gas seperti udara dipanaskan atau didinginkan, peralatan

yang digunakan biasanya adalah cross-flow exchanger. Salah satu fluida, yaitu

liquid mengalir pada bagian dalam tube dan gas mengalir melalui tube bundle

disebabkan oleh konveksi paksa atau konveksi bebas.

Cold fluidout

Hot fluid in Cold fluid in

Hot fluid out

Hot fluid out Cold fluid in

Cold fluid out Hot fluid in


II-6



FTI-ITS

Gambar II.4 Cross flow Heat Exchanger

Neraca panas

Berdasarkan Kern (1965), menyatakan persamaan neraca panas sebagai berikut :

Qh= Q

c

𝑊ℎ𝐶𝑝ℎ (𝑇1 − 𝑇2) = 𝑊𝑐𝐶𝑝𝑐 (𝑡1 − 𝑡2)

Dimana :

Qh = Panas yang dilepas oleh fluida panas, kJ/s

Qc = Panas yang dilepas oleh fluida dingin, kJ/s

Wh = Laju alir fluida panas, kg/s

Wc = Laju alir fluida dingin, kg/s

CP,h = Kapasitas panas untuk fluida panas, kJ/kgoK

CP,c = Kapasitas panas fluida dingin, kJ/kgoK

II.1.3 Logarithmic Mean Temperature Difference (LMTD)

Pada umumnya kedua fluida yang mengalir bervariasi tidak linear dengan temperatur.

Pada setiap titik T-t antara kedua aliran berbeda sehingga LMTD diperlukan untuk

mempelajari T-t vs Q, sehingga persamaan perpindahan panas di dalam double pipe

exchanger menurut Geankoplis (2003), dapat ditulis sebagai berikut :

Q=A UDLMTD


II-7



FTI-ITS

Dimana :

A = Luas perpindahan panas, m2

UD = Overall heat transfer coefficient, kJ/sm2 oK

LMTD = Logarithmic Mean Temperature Difference, oK

Ketika fluida panas dan dingin dalam Heat Exchanger mengalir secara counter-

current atau co-current, Log Mean Temperature Difference (LMTD) akan digunakan :

LMTD= (∆T2- ∆T1)

ln∆T2

∆T1

Dimana ∆T2 adalah perbedaan suhu pada ujungexchanger dan∆T1adalah ujung yang

lain.LMTDinidigunakan untuk douple pipe Heat Exchanger dan 1-1exchanger

dengan 1 shell pass dan 1 tube pass dalam aliran counter maupun co-current (Geankoplis, C.J.,

1997).

LMTD untuk co-current :

Berdasarkan Kern (1965), meyatakan bahwa jika dua fluida memasuki exchanger pada

dua ujung yang sama dan mengalir dengan arah yang sama, alirannya disebut parallel atau co-

current flow.

t1 T1

T1 T2

t2 t1

Gambar II.5 Pola Aliran dan Distribusi Temperatur dalam Co-current Flow

Berdasarkan Kern (1965), Log Mean Temperature Difference (LMTD) untuk aliran

co-current dinyatakan dalam persamaan berikut ini :

LMTD=(T1-t1)-(T2-t2)

ln(T1-t1)

(T2-t2)

t2

T2


II-8



FTI-ITS

LMTD untuk Counter Current :

Berdasarkan Kern (1965), meyatakan bahwa ketika dua fluida memasuki exchanger

pada ujung yang berbeda dan melewati exchanger unit dengan arah yang berlawanan, aliran

tipe ini disebut counter flow atau counter current flow.

Gambar II.6 Pola Aliran dan Distribusi Temperatur dalam Counter-Current Flow

Berdasarkan Kern (1965), Log Mean Temperature Difference (LMTD) untuk aliran co-

current dinyatakan dalam persamaan berikut ini :

LMTD=(T1-t2)-(T2-t1)

ln(T1-t2)

(T2-t1)

Berdasarkan Kern (1965), meyatakan bahwa penurunan dari perbedaan temperatur

antara kedua fluida pada aliran berlawanan berlaku asumsi-asumsi dibawah ini :

1. Koefisien perpindahan panas total (U) adalah konstan pada keseluruhan proses.

2. Laju alir massa adalah konstan karena aliran dianggap steady state.

3. Panas spesifik dalah konstan pada keseluruhan proses.

4. Tidak ada perubahan fase dalam temperature, yaitu penguapan dan kondensasi.

Penurunan itu dapat dipakai pada perubahan panas temperatur dan pada saat

penguapan atau kondensasi adalah isothermal pada keseluruhan proses.

5. Kehilangan panas diabaikan.

II.1.4 Individual Heat Transfer Koefisien

Menurut Geankoplis (2003), individual heat transfer koefisien adalah koefisien

perpindahan panas untuk menyatakan besarnya perpindahan panas antara fluida yang

mengalir dalam suatu permukaan dengan permukaan tersebut. Untuk mecari besarnya

individual heat transfer biasanya dipergunakan analisa dimensional dari bilangan-bilangan tak

berdimensi, antara lain :

t1

t1

t2

T1

T2

T1

t2

T2


II-9



FTI-ITS

1. Reynold Number (Nre)

Nre= D G

µ

2. Nusel Number (Nnu)

Nnu= h D

k

3. Pradtl Number (Npr)

Npr= 𝐶𝑝 µ

k

Karena untuk perhitungan OHTC harus dipergunakan satu harga luas perpindahan

panas yang biasanya adalah permukaan luar pipa,maka berdasarkan Kern (1965), menyatakan

bahwa individual heat transfer coefficient aliran dalam pipa harus diubah dengan

menggunakan persamaan :

hio=hi

D1

De

II.1.6 Fouling Factors

Dalam realitanya permukaan dari alat heat-transfer tidak bersih, kotoran, scale, dan

deposit lain terbentuk pada salah satu atau kedua sisi tube exchanger serta pada heat-transfer

surface lainnya. Deposit-deposit ini akan resistansi pada aliran dan mereduksi koefisien heat-

transfer overall U.

Untuk mencegah atau mengurangi permasalah fouling yaitu dengan menggunakan

inhibitor kimia ditambahkan untuk meminimalkan korosi, deposisi garam, dan pertumbuhan

alga. Kecepatan air yang digunakan adalah di atas 1 m/s untuk membantu mereduksi fouling.

Perbedaan temperatur yang tinggi bisa memungkinkan untuk mencegah deposisi solid pada

permukaan (Geankoplis, 2003).


II-10



FTI-ITS

Berdasarkan Kern (1965), koefisien overall dari perpindahan panas diperlukan

untuk memperoleh kondisi proses dapat diperoleh dari persamaan Fourier bila luas

permukaan A diketahui dan Q dan Δt dihitung dari proses. Lalu U = Q/A Δt. Abaikan

resistensi dinding pipa :

1

U= Rio+Ro=

1

hio

+ 1

ho

U= hioho

hio + ho

Berdasarkan Kern (1965), menyatakan bahwa timbulnya kerak atau kotoran yang

menempel pada pipa sehingga perpindahan panas tidak lagi efektif adalah sebagai masalah

dalam pengoperasian pada double pipe Heat Exchanger. Makin tebal kerak tersebut, maka

tahanan terhadap proses perpindahan panas makin besar sehingga koefisien perpindahan

panas menjadi kecil. Untuk menyatakan hal tersebut maka secara matematis dapat ditulis :

1

Uc

= 1

hio

+ 1

ho

Uc = hioho

hio + ho

Gambar II.6 Lokasi fouling factor dan koefisien perpindahan panas

Berdasarkan Kern (1965), koefisien perpindahan panas dan faktor kekotoran untuk

fluida dalam inner pipe dan annulus ditunjukkan dalam Gambar II.6.

Berdasarkan Kern (1965), persamaan Fourier yang menyatakan hubungan antara dua

koefisien overall UC dan UD adalah sebagai berikut :

1

UD

= 1

Uc

+Rd


II-11



FTI-ITS

Rd= Rdi+Rd0

Dimana :

UC = Overall heat transfer coefficient dalam keadaan bersih, kJ/sm2 oK

UD = Overall heat transfer coefficient dalam keadaan kotor, kJ/sm2 oK

Rd = Faktor kekotoran gabungan, sm2 oK/kJ

Geankoplis (2003), menyatakan bahwa efek dari deposit dan fouling biasanya

diperhatikan dalam design dengan menambahkan resistance dari fouling pada inside dan

outside tube ke dalam persamaan :

Ui= 1

1

hi+

1

hdt+

(ri-ro)Ai

kiAAim+

Ai

hiho+

Ai

hihdo

Dimana : hdi = fouling factor untuk inside tube (W/m2oK)

hdo = fouling factor untuk outside tube (W/m2oK)

Uo= 1

Ao

Aihi+

(ro-ri)Ao

kAAAim +

1

hi

II.1.7 Harga efisiensi

Menurut Dodge, efisiensi dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara panas yang

diberikan dengan panas yang seharusnya dapat diberikan secara maksimum, atau dapat

didefinisikan sebagai berikut :

ƞ= jumlah perpindahan panas aktual

jumlah perpindahan panas ideal


II-12



FTI-ITS

Efisiensi Heat Exchanger, sebagai berikut :

Untuk counter current

Bila Qid panas < Qid dingin

ƞ= T1-T2

t1-t2 x 100%

Bila Qid panas > Qid dingin

ƞ= t1-t2

T1-T2

x 100%

Untuk co-current

Bila Qid panas < Qid dingin

ƞ= T1-T2

T1-t1 x 100%

Bila Qid panas > Qid dingin

ƞ= t1-t2

T1-t1 x 100%


II-13



FTI-ITS

II.2 Aplikasi Industri

ANALISA HEAT EXCHANGER JENIS SHEEL AND TUBE DENGAN SISTEM

SINGLE PASS

Cahya Sutowo

Proses perpindahan kalor pada dunia industri pada saat ini, merupakan proses kunci

kerja dalam suatu mesin, karena semua mesin bekerja dalam temperatur yang cukup tinggi.

Berbicara mengenai alat penukar kalor, defenisi dari alat penukar kalor ialah suatu alat yang

memfasilitasi perpindahan panas dari satu fluida ke fluida lain yang berbeda tamperatur , dan

menjaga agar kedua fluida tersebut tidak saling bercampur. Fungsi dari alat penukar kalor ini

tidak hanya terbatas untuk proses pendinginan saja, tetapi juga di fungsikan untuk proses

pemanasan. Salah satu alat penukar kalor (Heat Exchanger), yang digunakan pada untuk

mempertukarkan kalor antara fluida kerja yang berbeda temperaturnya. Oleh karena itu

penggunaan Heat Exchanger perlu diperhatikan kinerjanya secara teratur karena penggunaan

Heat Exchanger dapat menghemat pemakaian energi pada mesin dengan menjaga agar mesin

tersebut tidak bekerja dengan temperatur yang cukup tinggi. Proses perpindahan panas yang

paling sederhana adalah proses yang terjadi dimana fluida yang panas dan fluida yang dingin

secara langsung. Dengan sistem demikian kedua fluida akan mencapai temperatur yang sama,

dan jumlah panas yang berpindah dapat diperkirakan dengan mempersamakan kerugian

energi dari fluida yang lebih panas dengan perolehan energi yang lebih dingin.

Penelitian ini dilakukan untuk menganalisa unjuk kerja alat penukar kalor jenis shell

and tube dengan system satu lintasan sebagai pendingin mesin pada PLTU, PJB Muara karang

Unit 1 seperti kompresor, hydrogen cooler. Dimana alat penukar kalor ini bekerja untuk

mendinginkan kembali air pendingin dari mesin selama mesin itu bekerja, dengan

menggunakan air laut sebagai fluida pendinginnya.

Dari penelitian dan perhitungan yang dilakukan alat penukar kalor jenis cangkang dan

pipa satu lintas sebagai pendingin tambahan maka dapat diambil kesimpulan, dengan bilangan

Reynold. Pada cangkang maupun pada pipa semua hasil bilangan tersebut (Re>10.000), maka

didapat aliran yang mengalir pada pipa maupun pada cangkang adalah aliran Turbulen, hal

tersebut diakibatkan dengan besarnya nilai kecepatan aliran massa pada cangkang dan pada

pipa sehingga aliran yang timbul adalah aliran turbulen. Keuntungan timbulnya aliran

turbulen dari pada aliran laminar adalah dengan tingginya kecepatan aliran massa maka akan

mempercepat proses perpindahan panas dari air panas ke air dingin melalui pipa.

III-1

BAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

III.1 Variabel Percobaan

Dengan rate dingin konstan aliran co-current dan aliran counter-current: 38,14 ft3/hr,

rate dingin 7,97 ft3/hr, 10,41 ft3/hr, dan 11,37 ft3/hr.

III.2 Bahan yang Digunakan

1. Air

III.3 Alat yang Digunakan

1. Beaker Glass

2. Gelas Ukur

3. Serangkaian alat Double Pipe Heat Exchager

4. Stopwatch

5. Termometer

III.4 Prosedur Percobaan

III.4.1 Tahap Persiapan

1. Mengisi air minimal ¾ bagian dari volume.

2. Mengecek volume boiler dengan cara melihat pada gelas penduga pada unit

control.

3. Membuangnya atau mengurangi air jika penuh melalui kran drain atau pembuangan

hingga pada batas aman.

4. Membuka katup kompor lalu menyulutkan api ke kompor.

5. Menunggu sampai manometer menunjukan tekanan 2.2 bar dengan suhu sekitar

1340C.

6. Menyeting tekanan uap pada tekanan 2.2 bar dengan jalan mengatur katup

pengaman SV.

7. Menjaga volume bak atau tangki maksimal ¾ volumenya.

8. Menjaga agar volume boiler berada pada maksimal ¾ unit control.


Laboratorium Proses Pemisahan dengan Perpindahan Massa Program Studi D3 Tekinik Kimia

III-2

FTI-ITS

Mulai

III.4.2 Tahap Percobaan

a. Aliran Co- Current

1. Membuka valve V2, V6, dan V9.

2. Menutup valve V4 dan V7.

3. Mengalirkan air dengan membuka valve V5 sebagai variabel setelah keadaan steady

state.

4. Membuka valve V1 sebagai variabel setelah keadaan steady state.

5. Mengukur rate steam dan juga rate air.

6. Mengamati suhu steam yang masuk T1 dan suhu steam yang keluar pada T2.

7. Mengukur suhu air yang masuk t1 dan suhu air yang keluar t2.

8. Mencatat suhu yang telah di dapat.

b. Aliran Counter Current

1. Membuka valve V2, V7, dan V8.

2. Menutup valve V4, V6, V9dan V5.

3. Mengalirkan air dengan membuka valve V9 sebagai variabel setelah keadaan steady

state.

4. Membuka valve V1 sebagai variabel setelah keadaan steady state.

5. Mengukur rate steam dan juga rate air.

6. Mengamati suhu steam yang masuk T1 dan suhu steam yang keluar pada T2.

7. Mengukur suhu air yang masuk t1 dan suhu air yang keluar t2.

8. Mencatat suhu yang telah di dapat.

III.5 Diagram Alir Percobaan

III.5.1 Tahap Persiapan

Mengecek volume boiler dengan cara melihat pada gelas penduga pada unit control

Mengisi air minimal ¾ bagian dari volume

A



III-3

FTI-ITS

Selesai

Menunggu sampai manometer menunjukan tekanan 2.2 bar dengan suhu sekitar 1340C

Menjaga agar volume boiler berada pada maksimal ¾ unit control.

Menyeting tekanan uap pada tekanan 2.2 bar dengan jalan mengatur katup pengaman

SV

Menjaga volume bak atau tangki maksimal ¾ volumenya.

Membuangnya atau mengurangi air jika penuh melalui kran drain atau pembuangan

hingga pada batas aman

Membuka katup kompor lalu menyulutkan api ke kompor

A



III-4

FTI-ITS

Selesai

Mulai

III.5.2 Tahap Percobaan

a. Aliran Co-Current

Mengalirkan air dengan membuka valve V5 sebagai variabel setelah keadaan

steady state

Mengukur rate steam dan juga rate air

Mencatat suhu yang telah didapat

Mengukur suhu air yang masuk t1 dan suhu air yang keluar t2

Membuka valve V2, V6, dan V9

Menutup valve V4 dan V7

Membuka valve V1 sebagai variabel setelah keadaan steady state

Mengamati suhu steam yang masuk T1 dan mengukur suhu steam yang

keluar T2



III-5

FTI-ITS

b. Aliran Counter-Current

Mengalirkan air dengan membuka valve V9 sebagai variabel setelah keadaan

steady state.

Membukavalve V1 sebagai variabel setelah keadaan steady state

Mengamati suhu steam yang masuk T1 dan suhu steam yang keluar T2

Mengukur rate steam dan juga rate air

Membuka valve V2, V7, dan V8

Menutup valve V4,V6,V9 dan V5

Mengukur suhu air yang masuk t1 dan suhu air yang keluar t2

Mencatat suhu yang telah didapat

Mulai

Selesai



III-6

FTI-ITS

Gambar III.6 Seperangkat Peralatan Heat Exchanger

IV-1

BAB IV

HASIL PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

Data-data yang diperoleh dari Double Pipe Heat Exchanger (DPHE) :

Panjang pipa = 6,06948 ft

ID inner pipe = 0,068667 ft

OD inner pipe = 0,0875 ft

ID annulus = 0,13417 ft

Flow Area annulus = 0,008120389 ft2

Flow Area inner pipa = 0,003701362 ft2

Diameter ekivalen = 0,118222 ft

IV.1 Hasil Percobaan

Tabel IV.1 Hasil Percobaan dan Perhitungan ∆TLMTD dengan Rate Aliran Dingin Konstan

Co-Curent

Rate Aliran (ft3/hr) Temperatur (°F) LMTD (°F)

Dingin Panas T1 T2 Ht1 Tt2 Tavg tavg

38,14

7,97 276,8 111,2 93,2 95 194 94,1 68,953

10,41 276,8 172,4 93,2 95 224,6 94,1 122,949

11,28 276,8 179,6 93,2 95 228,2 94,1 127,771

Tabel IV.2 Hasil Percobaan dan Perhitungan ∆TLMTD dengan Rate Aliran Dingin Konstan

Counter-Curent

Rate Aliran (ft3/hr) Temperatur (°F) LMTD (°F)

Dingin Panas T1 T2 Ht1 Tt2 Tavg tavg

38,14

7,97 273,2 172,4 98,6 111,2 222,8 104,9 112,18

10,41 273,2 179,6 102,2 111,2 226,4 106,7 114,54

11,28 273,2 190,4 107,6 114,8 231,8 111,2 116,542

BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN

IV-2



FTI-ITS


IV-3



FTI-ITS

Tabel IV.5 Hasil Perhitungan Rate Massa (W), Kecepatan (v) dan Rate Massa per satuan

Luas (G) untuk Rate Dingin Konstan pada Aliran Co-Current

Vc (ft3/hr) Vh (ft

3/hr) Wh (lb/hr) Wc (lb/hr) Gh (lb/hr.ft2) Gc (lb/hr.ft2)

38,14

7,97 480,11 2366,21 129711,71 291391,21

10,41 619,19 2366,21 167287,07 291391,21

11,28 669,92 2366,21 180992,83 291391,21

Tabel IV.6 Hasil Perhitungan Rate Massa (W), Kecepatan (v) dan Rate Massa per satuan

Luas (G) untuk Rate Dingin Konstan pada Aliran Counter-Curent

Vc (ft3/hr) Vh (ft

3/hr) Wh (lb/hr) Wc (lb/hr) Gh (lb/hr.ft2) Gc (lb/hr.ft2)

38,14

7,97 474,45 2361,25 128182,54 290780,4

10,41 618,67 2360,48 167146,58 290685,58

11,28 668,79 2357,81 180687,54 290356,78


IV-4



FTI-ITS

Tabel IV.7 Hasil Perhitungan UD, Uc, dan Rd untuk Rate Dingin Konstan pada Aliran Co-

Current

Vc (ft3/hr) Vh (ft

3/hr) Qh

(BTU/hr)

Qc

(BTU/hr)

Qav

(BTU/hr)

UD

(BTU/hr.ft2ᵒF)

Uc

(BTU/hr.ft2ᵒF)

Rd

(hr.ft2ᵒF/BTU)

38,14

7,97 79585,72 4301,77 41943,75 182,22 299,12 0,00214

10,41 64902,01 4301,77 34601,89 84,31 299,12 0,00852

11,28 65441,81 4301,77 34871,79 81,76 299,12 0,00889

Tabel IV.8 Hasil Perhitungan UD, Uc, dan Rd untuk Rate Dingin Konstan pada Aliran

Counter-Current

Vc (ft3/hr) Vh (ft

3/hr) Qh

(BTU/hr)

Qc

(BTU/hr)

Qav

(BTU/hr)

UD

(BTU/hr.ft2ᵒF)

Uc

(BTU/hr.ft2ᵒF)

Rd

(hr.ft2ᵒF/BTU)

38,14

7,97 48015,86 30049,27 39032,57 104,23 291,73 0,00617

10,41 58139,14 21456,76 39797,95 104,09 293,8 0,0062

11,28 55708,07 17129,02 36418,55 93,61 290,88 0,00724

Tabel IV.9 Hasil Perhitungan Efisiensi Heat Exchanger

Vc (ft3/hr) Vh (ft

3/hr) Aliran Co-Current:

η (%)

Aliran Counter Current:

η (%)

38,14

7,97 90,2 57,73

10,41 56,86 54,74

11,28 52,94 50


IV-5



FTI-ITS


IV-6



FTI-ITS

IV.3 Pembahasan

Berdasarkan dari percobaan heat exchanger yang telah dilakukan didapatkan hasil

perhitungan yang ditampilkan pada tabel IV.1 hingga tabel IV.11, kemudian didapatkan

grafik hubungan Vh dengan Δ LMTD, h0, hi, Ud, Rd dan efisiensi, untuk setiap aliran Co-

Current dan Counter Current, seperti yang telah dijelaskan dibawah ini:

Grafik IV.1 Grafik hubungan Vh (ft3/hr) vs LMTD (0F) untuk Aliran Counter Current dan Aliran

Co-Current dengan Rate Dingin Konstan

Pada Grafik IV.1, dapat dilihat hubungan antara Vh pada arah aliran Co-Curent

dan Counter-Curent (Rate Dingin Konstan) dengan ∆TLMTD mengalami kenaikan, hal ini

sesuai dengan literatur yang menyebutkan bahwa nilai LMTD akan meningkat seiring

dengan meningkatnya debit aliran (Sadiawan, 2013).

Pada grafik dapat dilihat bahwa harga ∆TLMTD untuk aliran Counter-Curent lebih

kecil dibandingan dengan nilai ∆TLMTD aliran Co-Curent, hal ini tidak sesuai dengan

literatur yang menyebutkan bahwa harga ∆TLMTD untuk aliran Counter Curent lebih besar

dan memiliki driving force atau perbedaan suhu yang lebih besar dibandingkan dengan

aliran Co-Curent (Kern, 1988).

60

70

80

90

100

110

120

130

140

7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 10.50 11.00 11.50

LM

TD

(0F

)

Vh (ft3/h)

Vc=38,14 untuk Co Current

Vc=38,14 untuk Counter Current


IV-7



FTI-ITS

Grafik IV.2 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) dengan hi (BTU/hr.ft2ᵒF) pada Aliran Co-

Current dan Counter-Curent dengan Rate Dingin Konstan

Pada Grafik IV.2, dapat dilihat hubungan antara Vh pada arah aliran Co-Current

dan Counter-Curent (Rate Dingin Konstan) dengan hi menunjukkan nilai yang semakin

meningkat. Hal ini sesuai dengan literatur yang mengatakan bahwa koefisien perpindahan

panas individu (hi, ho) akan semakin besar dengan penambahan rate aliran yang mengalir

pada Heat Exchanger (Murugesan,2012).

300

350

400

450

500

550

7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 10.50 11.00 11.50

hi

(BT

U/h

r.ft

2.0

F)

Vh (ft3/h)




IV-8



FTI-ITS

Grafik IV.3 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) dengan ho (BTU/hr.ft2ᵒF) pada Aliran

Co-Current dan Counter-Curent dengan Rate Dingin Konstan

Pada Grafik IV.3, dapat dilihat hubungan antara Vh pada arah aliran Counter-

Current (rate Dingin Konstan) dengan Vh sebesar 7,97 ft3/h menuju Vh sebesar 10,41 ft3/h,

nilai ho menunjukkan peningkatan. Hal ini sesuai dengan literatur yang menyebutkan

bahwa kenaikan pada laju alir masa yang diikuti dengan kenaikan laju alir yang pada

akhirnya meningkatkan harga koefisien perpindahan panas total dan juga menaikan

koefisien perpindahan panas individu. Sedangkan pada grafik aliran Co-Current nilai ho

menunjukkan nilai yang sama atau konstan, dan pada aliran Counter-Current dengan Vh

sebesar 10,41 ft3/h menuju Vh sebesar 11,28 ft3/h nilai ho menunjukkan penurunan, hal ini

tidak sesuai dengan literatur yang ada. Ketidaksesuaian ini disebabkan oleh kurang

ketelitian dalam mengukur suhu pada air dan tekanan serta bukaan valve yang tidak

konstan dilakukan untuk mengatur besarnya laju aliran fluida sehingga memperngaruhi

hasil percobaan (Murugesan, 2012).

357

359

361

363

365

367

369

371

373

375

7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 10.50 11.00 11.50

ho (

BT

U/h

r.ft

2.0

F)

Vh (ft3/h)




IV-9



FTI-ITS

Grafik IV.4 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) dengan Qavg (BTU/hr) pada Aliran

Co-Current dan Counter-Curent dengan Rate Dingin Konstan


dengan Vh sebesar 10,41 ft3/h menuju Vh sebesar 11,28 ft3/h dan Counter-Curent dengan

Vh sebesar 7,97 ft3/h menuju Vh sebesar 10,41 ft3/h nilai Q mengalami kenaikan, hal ini

sesuai dengan literatur yang menyebutkan bahwa semakin tinggi laju aliran/debit aliran

maka akan meningkat pula Q. Sedangkan pada aliran Co-Current dengan Vh sebesar 7,97

ft3/hr menuju Vh sebesar 10,41 ft3/hr serta aliran Counter-Curent dengan Vh sebesar 10,41

ft3/h menuju Vh sebesar 11,28 ft3/h grafik mengalami penurunan sehingga hal ini tidak

sesuai dengan literatur yang ada, dikarenakan kurangnya ketelitian dalam pengamatan suhu

dan tekanan serta bukaan valve yang dilakukan untuk mengatur besarnya laju aliran fluida

tidak konstan sehingga mempengaruhi hasil percobaan (Sadiawan, 2013).

Harga Q pada aliran Counter-Curent lebih besar dibandingkan dengan aliran Co-

Curent, hal ini sesuai dengan literatur, dimana di dalam literatur menyatakan dalam

persamaan Q ≈ LMTD dan untuk aliran Co-Curent harga LMTD lebih kecil

jikadibandingkan dengan harga LMTD Counter-Curent, sehingga harga Q Counter-Curent

lebih besar dari harga Q aliran Co-Curent (Kern, 1988).

33357

34357

35357

36357

37357

38357

39357

40357

41357

42357

43357

7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 10.50 11.00 11.50

Q (

BT

U/h

r)

Vh (ft3/h)




IV-10



FTI-ITS

Grafik IV.5 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) dengan Ud (BTU/hr.ft2ᵒF) pada Aliran Co-



dan Counter-Curent (Rate Dingin Konstan) dengan Ud menunjukkan nilai yang semakin

kecil atau mengalami penurunan. Hal ini tidak sesuai dengan literatur yang menyebutkan

bahwa kenaikan pada laju alir masa yang diikuti dengan kenaikan laju alir yang pada

akhirnya meningkatkan harga koefisien perpindahan panas total dan juga menaikan

koefisien perpindahan panas individu, ketidaksesuaian ini dikarenakan kurang ketelitian

dalam pengamatan suhu dan tekanan serta bukaan valve yang dilakukan untuk mengatur

besarnya laju aliran fluida tidak konstan sehingga mempengaruhi hasil percobaan

(Murugesan, 2012).

Pada aliran Counter-Curent lebih besar dibandingkan dengan aliran Co-Curent,

sehingga tidak sesuai dengan literatur yang ada. Dimana di dalam literatur disebutkan

bahwa harga Ud untuk aliran Co-Curent lebih besar jika dibandingkan dengan harga Ud

Counter-Curent, hal ini disebabkan karena harga Ud berbanding terbalik dengan ∆TLMTD

dan nilai ∆TLMTD Counter-Curent lebih besar dari nilai ∆TLMTD Co-Current. Dimana untuk

aliran Co-Curent harga ∆TLMTD nya lebih kecil dari pada Counter-Curent (Kern, 1988).

60

80

100

120

140

160

180

200

7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 10.50 11.00 11.50

Ud

(B

TU

/hr.

ft2ᵒF)

Vh (ft3/h)




IV-11



FTI-ITS

Grafik IV.6 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) dengan Rd (hr.ft2.°F/Btu) pada Aliran Co-



dan Counter Current (rate Dingin Konstan) dengan Rd menunjukkan nilai yang semakin

meningkat. Hal ini tidak sesuai dengan literatur yang menyebutkan bahwa semakin tinggi

kecepatan linier fluida, semakin rendah kemungkinan terjadinya fouling, maka harga Rd

adalah semakin kecil. Ketidaksesuaian ini disebabkan oleh kurang ketelitian dalam

pengamatan suhu dan tekanan serta bukaan valve yang dilakukan untuk mengatur besarnya

laju aliran fluida tidak konstan sehingga mempengaruhi hasil percobaan (Dwi, 2012).

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0.01

7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 10.50 11.00 11.50

Rd

(h

r.ft

2.°

F/B

tu)

Vh (ft3/h)




IV-12



FTI-ITS

Grafik IV.7 Grafik Hubungan antara Vh (ft3/hr) dengan Efisiensi (%) pada Aliran Co-



dan Counter Current (Rate Dingin Konstan) dengan harga efisiensi yang semakin menurun.

Hal ini tidak sesuai dengan literatur yang menyebutkan bahwa semakin besar laju aliran

massa fluida dingin yang dialirkan pada suatu alat penukar panas maka akan semakin besar

keefektifan yang akan dihasilkan oleh alat penukar panas tersebut, maka efisiensi alat

penukar panas besar. Ketidaksesuaian ini dipengaruhi oleh kurangnya ketelitian dalam

pengamatan suhu dan tekanan serta bukaan valve yang dilakukan untuk mengatur besarnya

laju aliran fluida tidak konstan sehingga mempengaruhi hasil percobaan. Pada arah aliran

Co-Current harga efisiensi mengalami kenaikan (Barun, 2007).

Harga Efisiensi untuk aliran Co-Curent lebih besar dibandingkan dengan aliran

Counter-Curent, hal ini tidak sesuai dengan literatur yang menyebutkan bahwa aliran

counter-current lebih efisien karena menghasilkan koefisien transfer panas yang lebih

besar dibanding aliran Co-Curent (Dewi, 2010).

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 10.50 11.00 11.50

Eff

isie

nsi

(%

)

Vh (ft3/h)



V-1

BAB V

KESIMPULAN

Dari hasil praktikum yang dilakukan, telah didapatkan nilai-nilai sebagai berikut :

1. Nilai ∆TLMTD pada variabel dingin konstan dalam keadaan Co-Curent adalah 68,953 0F;

122,949 0F; 127,771 0F, dan pada aliran Counter-Curent sebesar 112,18 0F; 114,54 0F;

116,542 0F.

2. Nilai hi pada variabel dingin konstan dalam keadaan Co-Curent adalah 325,73

(BTU/hr.ft2oF), 416,76 (BTU/hr.ft2oF), 481,31 (BTU/hr.ft2oF), dan pada aliran Counter-

Curent sebesar 310,13 (BTU/hr.ft2oF), 482,57(BTU/hr.ft2oF), 485,27 (BTU/hr.ft2oF).

3. Nilai ho pada variabel dingin konstan dalam keadaan Co-Curent adalah 373,62

(BTU/hr.ft2oF), dan pada aliran Counter-Curent sebesar 362,16 (BTU/hr.ft2oF), 365,36

(BTU/hr.ft2oF), 360,85 (BTU/hr.ft2oF).

4. Nilai Qavg pada variabel dingin konstan dalam keadaan Co-Curent adalah 41943,75

(BTU/hr), 34601,89 (BTU/hr), 34871,79 (BTU/hr), dan pada aliran Counter-Curent

sebesar 39032,57 (BTU/hr), 39797,95 (BTU/hr), 36418,55 (BTU/hr).

5. Nilai Ud pada variabel dingin konstan dalam keadaan Co-Curent 182,22

(BTU/hr.ft2oF), 84,31 (BTU/hr.ft2oF), 81,76 (BTU/hr.ft2oF), dan pada aliran Counter-

Curent sebesar 104,23 (BTU/hr.ft2oF), 104,09 (BTU/hr.ft2oF), 93,61 (BTU/hr.ft2oF).

6. Nilai Rd pada variabel dingin konstan dalam keadaan Co-Curent adalah 0,00214

(hr.ft2oF/BTU), 0,00852 (hr.ft2oF/BTU), 0,00889 (hr.ft2oF/BTU), dan pada aliran

Counter-Curent sebesar 0,00617 (hr.ft2oF/BTU), 0,0062 (hr.ft2oF/BTU), 0,00724

(hr.ft2oF/BTU).

7. Nilai Efisiensi pada variabel dingin konstan dalam keadaan Co-Curent adalah 90,2 %,

56,86%, 52,94%, dan pada aliran Counter-Curent sebesar 57,73%, 54,74%, 50%.

8. Hubungan flow rate dengan ∆TLMTD, hi/ho, Q, Ud, dan efisiensi adalah berbanding

lurus, maksudnya nilai ∆TLMTD, hi/ho, Q, Ud, dan efisiensi akan semakin bertambah

seiring bertambahnya flow rate, sedangkan untuk nilai Rd mengalami penurunan

seiring bertambahnya flow rate. Namun dari hasil praktikum untuk nilai-nilai ho, Q, Ud,

Rd dan efisiensi ada yang mengalami penyimpangan dari literatur.

9. Perbandingan nilai ∆TLMTD, Q, dan efisiensi antara aliran Counter-Curent lebih besar

yang aliran Co-Curent. Sedangkan untuk nilai Ud berlawanan dengan nilai ∆TLMTD, Q,

BAB V Kesimpulan

V-2

II Laboratorium Proses Pemisahan dengan Perpindahan Massa


FTI - ITS

dan efisiensi, yaitu nilai Ud lebih besar pada aliran Co-Curent. Namun dari hasil

praktikum terjadi penyimpangan dengan literatur pada nilai ∆TLMTD, Ud dan efisiensi.

ix

APPENDIKS

Perhitungan pada aliran Co-Curent fluida dingin konstan dengan bukaan aliran panas (Vh)

7,97 ft3/hr dan aliran dingin 38,14 ft3/hr

Untuk aliran Co-Curent panas konstan,

Menghitung ∆LMTD :

T1=276,8ᵒF ; T2=111,2ᵒF ; t1=93,2ᵒF ; t2=95ᵒF

∆LMTD=

(T1-t1)-(T2-t2)

ln(T1-t1)

(T2-t2)

∆LMTD =

(276,8-93,2)-(111,2-95)

ln(276,8-93,2)

(111,2-95)

∆LMTD = 68,953 ᵒF

Bagian inner pipe : Fluida panas Bagian annulus : Fluida dingin

1. Flow Area

Tav=T1+T2

2

Tav=276,8+111,2

2

Tav=194ᵒF

ρh = 60,24 lbm/ft3

A pipa=

4x (ID pipa)2

A pipa=

4x (0,068667 )2

A pipa= 0.00370136 ft2

1. Flow Area

tav=t1+t2

2

tav=93,2+95

2

tav=94,1ᵒF

ρh = 62,04 lbm/ft3

A annulus=

4x ((ID annulus)2 − (OD pipa)2)

A annulus=

4x ((0,13417)2- (0,0875 )2)

A pipa= 0.0081204 ft2

t1

Heat Exchanger

T2

T1

t2 ∆t2

∆t1

x

Vh= 62, 6906924 ml

sx

1ft3

28317mlx

3600 s

hr

Vh= 7.97 𝑓𝑡3/hr

Wh= Vh av x ρh

Wh=7,97 x60,24= 480,11 lb/hr

Gh=

Wh

A pipa

Gh=

480,11

0,00370136

Gh= 129711,71 lb/hr.ft2

2. Nreh

µh=0,7531 lb/ft.hr

Nre h=ID x Gh

µh

Nre h=0.068667 x 129711,71

0,7531

Nre h=11827

3. Individual Heat Transfer (hi dan ho)

Pada Tav= 194 ᵒF

Cp h=1,001 Btu/lb.ᵒF

Kh=0.3905 Btu/hr.ft2.ᵒF/ft

jHh=46

hi = jHKh

Dx (

Cphµh

Kh)

1/3

x ( µ

µo)

0,14

hi = 46 0,3905

0,068667x (

1,001x0.7531

0.3905)

1/3

x1.0

hi=325,73Btu

hr.ft

2.ᵒF

ft

Vc=300 ml

sx

1ft3

28317mlx

3600 s

hr

Vc= 38,14 𝑓𝑡3/hr

Wc= Vc x ρc

Wc=38,14 x 62,04 = 2366,21 lb/hr

Gc=

Wh

A annulus

Gc=

2366,21

0,0081204

Gc= 291391,21 lb/hr.ft2

2. Nrec

µc=1,756 lb/ft.hr

Nre c=De x Gc

µh

Nre c=0,11822 x 291391,21

1,756

Nre c=19617,8


Pada Tav= 94,1 ᵒF

Cp c=1,01 Btu/lb.ᵒF

Kc=0.3608 Btu/hr.ft2.ᵒF/ft

jHc=72

ho = jHKc

Dx (

Cpcµc

Kc)

1/3

x ( µ

µo)

0,14

ho=72 0.3608

0.11822x (

1.01x1.756

0.3608)

1/3

x1.0

ho=373,62Btu

hr.ft

2.ᵒF

ft

xi

hio=1500 Btu

hr.ft2.ᵒFft

4. Qh

Qh=Wh x Cph x (T1-T2)

Qh=480,11 x 1.001 x (276,8-111,2)

Qh=79585,72 Btu/hr

Qav= ½ (Qh+Qc)

Qav= ½ (79585,72 +4301,77)

Qav= 41943,75 Btu/hr

Ud=Qav

A x LMTD

Ud=41943,75

3,33821 x 68,953

Ud= 182,22 Btu

hr.ft2.ᵒF

ƞ=(T

1-T2)

(T1-

t1) x 100%

ƞ = 90,2%

Rd=Uc-Ud

Uc x Ud

Rd=299,12-182,22

299,12x 182,22

Rd=0.00214Btu

hr.ft2.ᵒF

Sesuai dengan Rd Heat Exchanger 0,003

hio=1500 Btu

hr.ft2.ᵒFft

4. Qc

Qc=Wc x Cpc x (t2-t1)

Qc=2366,21 x 1.01 x (95-93,2)

Qc=4301,77 Btu/hr

Uc=hio x ho

hio + ho

Uc =1500 x 371,62

1500 + 371,62

Uc = 299,12 Btu

hr.ft2.ᵒF

xii

Perhitungan pada aliran Counter-Curent fluida panas konstan dengan bukaan aliran

panas 7,97 ft3/hr dan aliran dingin 38,14 ft3/hr.

Untuk aliran Counter-Curent panas konstan,

Menghitung ∆LMTD :

T1=273,2 ᵒF ; T2=172,4 ᵒF ; t1=98,6 ᵒF ; t2=111,2 ᵒF

∆LMTD=

(T1-t2)-(T2-t1)

ln(T1-t2)

(T2-t1)

∆LMTD=

(273,2-111,2)-(172,4-98.6)

ln(273,2-111,2)

(172,4-98.6)

∆LMTD = 112,180F

Bagian inner pipe : Fluida panas Bagian annulus : Fluida dingin

1. Flow Area

Tav=T1+T2

2

Tav=273,2+172,4

2

Tav=222,8ᵒF

ρh = 59,53 lbm/ft3

A pipa=

4x (ID pipa)2

A pipa=

4x (0,06867 )2

A pipa= 0.003701362 ft2

Vh= 62, 6906924 ml

sx

1ft3

28317mlx

3600 s

hr

Vh= 7.97 𝑓𝑡3/hr

1. Flow Area

Tav=t1+t2

2

tav=98,6+111,2

2

tav=104,9 ᵒF

ρh = 61,91 lbm/ft3

A annulus=

4x ((ID annulus)2 − (OD pipa)2)

Aannulus=

4x ((0,13417)2- (0,0875 )2)

A annulus= 0.0081204 ft2

Vc= 300 ml

sx

1ft3

28317mlx

3600 s

hr

Vc= 38,14 𝑓𝑡3/hr

t1

Heat Exchanger

T2

T1

t2

∆t2

∆t1

xiii

Wh= Vh av x ρh

Wh=7,97x59,53= 474,45 lb/hr

Gh=

Wh

A pipa

Gh=

474,45

0,00370136

Gh= 128182,54 lb/hr.ft2

2. Nreh

µh=0,6347 lb/ft.hr

Nre h=ID x Gh

µh

Nre h=0,068667 x 128182,54

0,6347

Nre h=13867,8


Pada Tav= 222,8 ᵒF

Cp h=1,004 Btu/lb.ᵒF

Kh=0.3946 Btu/hr.ft2.ᵒF/ft

jHh=46

hi=jHKh

Dx (

Cphµh

Kh)

1/3

x ( µ

µo)

0,14

hi = 46 0,3946

0,068667x (

1,004x0.6347

0.3946)

1/3

x1.0

hi=310,13Btu

hr.ft

2.ᵒF

ft

hio=1500 Btu

hr.ft2.ᵒFft

Wc= Vc x ρc

Wc=38,14 x 61,91 = 2361,25 lb/hr

Gc=

Wh

A annulus

Gc=

2361,25

0,0081204

Gc= 290780,4 lb/hr.ft2

2. Nrec

µc=1,756 lb/ft.hr

Nre c=De x Gc

µc

Nre c=0,11822 x 290780,4

1,756

Nre c=22022,2


Pada Tav= 104,9 ᵒF

Cp c=1,01 Btu/lb.ᵒF

Kc=0.3652 Btu/hr.ft2.ᵒF/ft

jHc=72

ho=jHKc

Dx (

Cpcµc

Kc)

1/3

x ( µ

µo)

0,14

ho=72 0.3652

0,11822x (

1.01x1,756

0.3652)

1/3

x1.0

ho=362,16Btu

hr.ft

2.ᵒF

ft

hio=1500 Btu

hr.ft2.ᵒFft

xiv

4. Qh

Qh=Wh x Cph x (T1-T2)

Qh=474,45 x 1.004 x (100,8)

Qh=48015,86 Btu/hr

Qav= ½ (Qh+Qc)

Qav= ½ (48015,86 +30049,27)

Qav= 39032,57 Btu/hr

Ud=Qav

A x LMTD

Ud=39032,567

3,33821 x 112,18

Ud= 104,23 Btu

hr.ft2.ᵒF

ƞ=(T

1-T2)

(T1-

t1) x 100%

ƞ = 57,73%

Rd=Uc-Ud

Uc x Ud

Rd=291,73 - 104,23

291,73 x 104,23

Rd=0.00617Btu

hr.ft2.ᵒF

Tidak sesuai dengan Rd Heat Exchanger 0,003

4. Qc

Qc=Wc x Cpc x (t2-t1)

Qc=2361,25 x 1.01 x (12,6)

Qc=30049,27 Btu/hr

Uc=hio x ho

hio + ho

Uc =1500 x 362,16

1500 + 362,16

Uc = 291,73 Btu

hr.ft2.ᵒF

laboratorium proses pemisahan dengan perpindahan massa heat exchanger

Documents

28 april 2015 gita ema

mengetahui pengaruh

tahap percobaan dibagi

tangki minimal volumenya

percobaan heat exchanger

laboratorium proses

perpindahan massa percobaan

may saktianie n