Bab IV Pembahasan Rini

BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-21

IV.2 Pembahasan

Pada percobaan, dilakukan proses perpindahan panas dalam suatu alat yang disebut

‘double pipe heat exchanger’ (penukar panas pipa ganda). Air digunakan sebagai fluida

pada aliran dingin maupun sebagai fluida pada aliran panas. Dimana aliran panas mengalir

di dalam pipa (inner pipe), sedangkan aliran dingin mengalir dalam annulus.

Yang dijadikan variabel pada percobaan ini adalah laju alir dari aliran panas dan

dingin, serta arah alirannya. Percobaan dilakukan pada aliran dingin konstan dan aliran

panas konstan, yang dilakukan dengan aliran Co-Current (searah) dan aliran Counter

Current (berlawanan arah). Dalam pengambilan datanya ditentukan 3 variabel untuk aliran

panas dan 3 variabel untuk aliran dingin. Data yang diambil selama percobaan adalah suhu

aliran panas masuk (T1) dan keluar (T2), serta suhu aliran dingin masuk (t1) dan keluar (t2).

Data diambil dalam rentang waktu kurang lebih 1 menit, hal ini dikarenakan

sedikitnya waktu untuk pengambilan data sedangkan banyak variabel yang harus di ambil.

Data-data yang diperoleh lalu diolah dalam perhitungan untuk perpindahan panas

dalam suatu ‘double pipe heat exchanger’, yang sebagian besar rumus serta metoda

perhitungannya diambil dari ‘Kern’ dan ‘Geankoplis’. Hasil dari perhitungan ditampilkan

dalam bentuk grafik hubungan antara variasi laju alir dengan LMTD, h i, ho, Ud, serta

effisiensi () dari perpindahan panas. Dan untuk berikutnya akan dibahas mengenai

pengaruh variasi laju alir tersebut terhadap variable-variabel yang telah disebutkan diatas,

berdasarkan grafik-grafik yang telah dibuat, disertai kecenderungan-kecenderungannya dan

teori-teori yang mendukungnya.

Berdasarkan percobaan dan perhitungan yang telah dilakukan, maka diperoleh hasil

sebagai berikut:

Laboratorium Operasi Teknik Kimia II


1. Pengaruh Laju Alir terhadap LMTD

Grafik IV.2.1 Hubungan Vh terhadap LMTD, counter-current, pada aliran dingin konsta

Grafik IV.2.2 Hubungan Vh terhadap LMTD, co-current, pada aliran dingin konstan

Grafik IV.2.3 Hubungan Vc terhadap LMTD, counter-current, pada aliran panas konstan



Grafik IV.2.4 Hubungan Vc terhadap LMTD, co-current, pada aliran di panas konstan

Sebanding dengan LMTD,Apabila Vc naik maka LMTD NAIK

Dari gambar IV.2.1 - IV.2.4 grafik hubungan antara Vh dengan LMTD pada Vc

konstan, Pada laju aliran dingin yang konstan, nilai LMTD nya bervariasi dan berfluktuasi,

baik untuk aliran yang Co-Current maupun untuk aliran yang Counter-Current. Untuk

aliran yang Co-Current nilai LMTD untuk masing-masing variasi aliran panas mempunyai

kecenderungan naik, namun hal ini tidak berlaku untuk keseluruhan, karena ada juga data

yang naik turun. Untuk aliran yang Counter-Current lebih konstan, meskipun nilai LMTD

dari masing-masing variasi aliran panas nilainya tidak sama dan juga memiliki

kecenderungan naik serta terdapat juga data yang naik turun. Hal yang mungkin untuk

menerangkannya, antara lain adalah karena belum stabilnya suhu yang dibaca, dimana

pembacaan suhu dilakukan pada saat suhu dari aliran, baik itu aliran panas maupun aliran

yang dingin, belum konstan masih terjadi kenaikan ataupun penurunan suhu. Nilai LMTD

pada aliran Counter-Current lebih konstan dan memiliki nilai yang lebih besar jika

dibandingkan dengan nilai LMTD pada aliran Co-Current, hal ini dikarenakan perpindahan

panas yang terjadi secara Counter-Current adalah lebih baik dibandingkan secara Co-

Current. Karena aliran secara Counter-Current ini memungkinkan untuk terjadinya

perpindahan panas yang maksimum jika tersedia suatu area perpindahan panas yang tak

berhingga(Geankoplis,Transport Processes and Unit Operations,P.272).

2. Pengaruh Laju Alir terhadap hi



Gambar IV.2.5 Grafik Hubungan Vh terhadap hi, counter-current, pada aliran dingin

konstan

Gambar IV.2.6 Grafik Hubungan Vh terhadap hi, co-current, pada aliran dingin konstan



Gambar IV.2.7 Grafik hubungan Vc terhadap hi, counter current, pada aliran panas konstan

Gambar IV.2.8 Grafik hubungan Vc terhadap hi, co-current, pada aliran panas konstan

Nilai hi dalam hal ini merupakan nilai yang menunjukkan koeffisien perpindahan

panas yang terjadi secara konveksi dalam aliran panas, yaitu nilai koeffisien perpindahan

panas yang terjadi pada fluida yang mengalir di dalam pipa. Oleh karena itu nilai hi ini

sangatlah dipengaruhi oleh perubahan yang terjadi pada aliran panas baik itu laju alirnya

maupun arah alirannya. Hal ini dapat dibuktikan dari grafik-grafik yang menghubungkan

antara variasi laju alir dengan nilai hi.



Pada laju aliran dingin konstan, dapat dilihat pada grafik IV.2.5 – IV.2.8, nilai hi

naik dengan naiknya laju aliran panas (pada kondisi aliran dingin yang konstan). Hal

tersebut seperti telah disebutkan dikarenakan nilai hi ini merupakan koeffisisen perpidahan

panas secara konveksi yang terjadi untuk aliran dalam pipa, yaitu aliran panas tersebut.

Naiknya laju alir tentu saja akan memperbesar nilai hi. Karena dengan semakin besarnya

laju alir, sedangkan luas permukaan pipa yang digunakan adalah tetap, maka akan

memperbesar nilai kecepatan alirnya,seperti diketahui bahwa kecepatan alir dari suatu

fluida sangat lah berpengaruh pada nilai NRe. Untuk kondisi pipa yang digunakan adalah

sama, semakin tinggi laju alir, kecepatan alirnya akan semakin tinggi pula, sehingga NRe

pun semakin tinggi. Yang mana nilai NRe ini menunjukkan jenis alirannya apakah laminar,

transisi, ataupun turbulen. Dengan semakin besarnya nilai NRe maka aliran dari fluida

akan semakin turbulen. Dengan semakin turbulennnya aliran fluida maka dapat

memindahkan panas yang lebih besar, karena dalam kondisi tersebut tumbukan antar

molekul dalam fluida di aliran panas akan lebih sering terjadi, sehingga kemungkinan

perpindahan energi antar molekul akan lebih besar karena terjadinya arah kecepatan yang

seakan-akan mencampur fluida tersebut.

Seperti telah diketahui bahwa NRe merupakan suatu bilangan tak berdimensi yang

dinyatakan sebagai Dv/, suatu bilangan yang dipengaruhi oleh kecepatan, densitas,serta

viscositas dari fluida juga diameter dari pipa yang dilaluinya. Ditemukan bahwa untuk

aliran yang turbulen nilai Nre selalu diatas 2100 dan umumnya diatas 2100. Dengan

definisi bahwa perpindahan panas secara konveksi terjadi akibat adanya pencampuran,

dimana hal tersebut terpenuhi pada kondisi aliran yang turbulen, dan tidak dipenuhi oleh

aliran dalam kondisi laminar ..(Qern,Process Heat Transfer,P.29)

Naiknya nilai hi dengan adanyan kenaikan pada variasi laju alir panas terjadi baik

pada aliran Co-Current maupun pada aliran Counter-Current. Nilai hi pada aliran Counter-

Current sedikit lebih besar dibandingkan dengan nilai hi pada aliran Co-Current. Hal

tersebut menunjukkan bahwa arah aliran tidak begitu besar pengaruhnya terhadap nilai hi

ini, yang paling besar pengaruhnya adalah laju aliran panasnya, hal ini bisa di lihat dari

kecenderungannya .(Geankoplis,P.227)

3. Pengaruh Laju Alir terhadap ho



Gambar IV.2.9 Grafik hubungan Vh terhadap ho, counter-current, pada aliran dingin

konstan

Gambar IV.2.10 Grafik hubungan Vh terhadap ho, co-current, pada aliran dingin konstan



Gambar IV.2.11 Grafik hubungan Vc terhadap ho, counter current, pada aliran panas

konstan

Gambar IV.2.12 Grafik hubungan Vh terhadap ho, co-current, pada aliran panas konstan

Pada grafik IV.2.9 dan IV.2.12 hubungan antara Vh dengan ho semakin

besar fluida panas maka ho cenderung konstan pada laju alir fluida dingin (Vc) konstan,

baik untuk aliran co – current maupun counter current.

Nilai ho menunjukkan nilai koeffisien perpindahan panas yang juga terjadi secara

konveksi pada fluida yang di luar pipa, dalam hal ini fluida tersebut merupakan aliran

dingin yang mengalir di luar pipa yang berada dalam suatu annulus, sehingga aliran dingin

mengalir di dalam annulus. Sehingga dapat dengan jelas dipahami bahwa nilai ho pada



percobaan ini sangatlah dipengaruhi oleh perubahan-perubahan yang terjadi pada aliran

dingin, yang sama seperti pada aliran panas, perubahan dilakukan pada laju alir serta arah

aliran.

Pada laju aliran dingin konstan pada grafik IV.2.9 – IV.2.12, nilai ho yang

diperoleh untuk setiap variasi aliran panas adalah konstan, yang mana hal ini menunjukkan

bahwa laju alir panas tidak lah berpengaruh pada nilai ho ini, hal ini terjadi baik untuk

aliran Co-current maupun untuk aliran Counter-Current. Namun untuk peningkatan laju

aliran dingin, dapat dilihat bahwa nilai ho nya juga meningkat. Fenomena ini juga dapat

dijelaskan dengan teori NRe yang telah diuraikan diatas. Serta nilai ho untuk setiap variasi

laju aliran dingin baik untuk aliran Co-Current maupun untuk aliran Counter-Current

hampir sama, sekali lagi menunjukkan bahwa arah aliran tidak berpengaruh koeffisien

perpindahan panas konveksi (ho) ini. Namun dalam grafik diatas terdapat penyimpangan

data, pada keempat grafik grafik ini, hal ini dimungkinkan terjadi karena ada kesalahan

pada pembacaan maupun pada proses perhitungan yang telah dilakukan. Namun hal

tersebut tidak mengganggu asumsi dari analisis grafik ini mengenai pengaruh laju alir

terhadap ho ini, karena sebagian besar data yang ada mengarah pada kecenderungan yang

telah diuraikan diatas.

4. Pengaruh Laju Alir terhadap Ud

Gambar IV.2.13 Grafik hubungan Vh terhadap Ud, counter-current, pada aliran dingin

konstan



Gambar IV.2.14 Grafik hubungan Vh terhadap Ud, co-current, pada aliran dingin konstan

Gambar IV.2.15 Grafik hubungan Vc terhadap Ud, counter-current, pada aliran dingin

konstan



Gambar IV.2.16 Grafik hubungan Vc terhadap Ud, co-current, pada aliran dingin konstan

Dari persamaan empiris terlihat bahwa Ud berbanding lurus dengan Q (jumlah

panas yang ditransfer), yaitu :

Q = W. Cp. T, dan

Ud=Q/A. LMTD.

Jadi, Ud ≈ Q ≈ W, sehingga semakin besar fluida yang mengalir akan semakin

besar pula kecepatan alirannya, maka harga Ud akan cenderung naik. Kecenderungan ini

dapat dilihat dari gambar grafik di atas baik untuk co-current maupun untuk counter-

current.



5. Pengaaruh Laju Alir terhadap Efisiensi

Gambar IV.2.17 Grafik hubungan Vh terhadap efisiensi, counter-current, pada aliran

dingin konstan

Gambar IV.2.18 Grafik hubungan Vh terhadap efisiensi, co-current, pada aliran dingin

konstan



Gambar IV.2.19 Grafik hubungan Vc terhadap efisiensi, counter-current, pada aliran panas

konstan

Gambar IV.2.20 Grafik hubungan Vc terhadap efisiensi, co-current, pada aliran panas

konstan

Grafik pengaruh laju alir terhadap effisiensi dapat dilihat pada grafik IV.2.16 -

grafik IV.2.20, pada aliran yang Co-Current maupun aliran Counter-current, didapatkan

nilai effisiensi yang yang mempunyai kecenderungan tersendiri. Pada aliran dingin konstan

Co-Current pada grafik IV.2.20 cenderung mengalami kenaikan effisiensi. Namun pada

aliran dingin konstan Counter-current pada grafik IV.2.17 dan IV.2.19 serta pada rate

dingin konstan Co-Current pada grafik IV.2.20 terlihat bahwa efisiensinya turun. Secara

teoritis efisiensi heat exchanger akan naik sebanding dengan kenaikan perbedaan antara



laju alir air dingin masuk dan air panas masuk. Hal ini kemungkinan disebabkan pada saat

pengambilan data tidak dilakukan secara konsisten dan waktu yang digunakan (kurang

lebih 1 menit) untuk mengambil data kurang lama sehingga proses perpindahan panasnya

tidak berjalan maksimal.

Pada grafik dan data terlihat bahwa effisiensi dengan menggunakan aliran

Counter-Current lebih tinggi dibandingkan dengan effisiensi pada aliran Co-Current, hal

ini menunjukkan bahwa panas yang dipindahkan pada aliran counter-Current lebih besar

daripada panas yang dipindahkan pada aliran Co-Current.

Nilai effisiensi yang diperoleh berkisar dari 40% sampai 60%, hal ini menunjukkan

double pipe heat exchanger yang digunakan kurang dapat beroperasi dengan baik, yang

ditunjukkan bahwa kurang dari 50% panas yang dilepas oleh aliran panas yang dapat

diserap oleh aliran dingin.

Selain nilai LMTD, hi,ho,hio, dan effisiensi, di cari juga nilai Uc, Ud, dan Rd.

Dimana nilai Uc merupakan koeffisien perpindahan panas overal dalam keadaan bersih,

hubungannya dengan rate fluida diturunkan dengan persamaan 1/Uc = (1/hio) + (1/ho),

dimana Uc sebanding dengan hi dan ho, sedangkan hi dan ho sebanding dengan G. Jika

dibandingkan dengan Uc, harga Ud akan lebih kecil, karena Ud dipengaruhi oleh factor

kekotoran sehingga panas yang ditransfer oleh penukar panas akan lebih kecil

dibandingkan dalam keadaan bersih. Sedangkan hubungan antara Uc dan Ud dapat

dinyatakan dengan persamaan berikut:

Dimana Rd menunjukkan fouling factor dari heat exchanger.(Qern,Process Heat transfer,P.106-107)

Dodge memberikan definisi efisiensi heat exchanger sebagai rasio

jumlah pans yang dipindahkan dari fluida ke maksimum yang telah

dipindahkan.

Efisiensi heat exchanger pada aliran counter-current realatif lebih

besar daripada aliran co-current, karena dipengaruhi oleh adanya panas

yang dikeluarkan oleh fluida panas (Qh) dan panas yang diterima oleh

fluida dingin (Qc), serta adanya selilsih temperature fluida dingin

dengan fluida panas.

(Kern, D. Q, “Process Het Transfer”)



Effisiensi ditentukan dari perbandingan jumlah panas yang

ditransfer (dapat dinyatakan sebagai selisih suhu antara fluida masuk

dengan suhu keluarnya dan juga terhadapa panas yang diterima atau

dikeluarkan baik oleh fluida panas ataupun fluida dingin), sehingga

dengan adanya panas yang diterima atau dikeluarkan oleh fluida dapat

ditentukan dengan cara mengambil garis pertemuan antara

temperature fluida panas dengan temperature fluida dingin atau

didasarkan terhadap perbedaan panas akibat fluida dingin (Qc) dan

panas akibat fluida panas (Qh).

Terhadap panas maksimum yang mungkin untuk ditransfer (dapat

dinyatakan sebagai selisih suhu antara fluida masuk dengan suhu

keluarnya dan juga terhadapa panas yang diterima atau dikeluarkan

baik oleh fluida panas ataupun fluida dingin), sehingga dari grafik di

atas tampak bahwa effisiensi Heat Exchanger akan naik dengan naiknya

rate fluida panas dan akan turun dengan naiknya rate fluida dingin.

Pada aliran searah suhu fluida panas keluar tidak dapat mendekati suhu

fluida dingin masuk sehingga perpindahan panas aliran co-current lebih

kecil daripada conter-current.

Effisiensi Heat Exchanger pada aliran counter-current relatif lebih

besar daripada aliran co-current, karena dipengaruhi dengan adanya

panas yang dikeluarkan oleh fluid panas (Qh) dan panas yang diterima

oleh fluida dingin (Qc) serta dengan adanya selisih antara temperatur

fluida dingin dengan fluida panas.

(Kern, D. Q. “Process Heat Transfer”, hal. 119)

Heat Exchanger jenis memiliki perpindahan panas yang sangat

kecil. Hal ini dapat dilihat dari suhu air dingin yang keluar, di mana suhu

tersebut tidak terlalu berbeda jauh dengan saat masuk. Dan dari hasil

perhitungan effisiensi alat tersebut, bisa dikatakan bahwa lebih banyak

panas hilang daripada panas yang digunakan untuk memanaskan air

dingin yang masuk.


Documents

Bab IV Pembahasan Rini