Heat Exchanger

BAB I

HEAT EXCHANGER

1.1 Tujuan Percobaan

Mempelajari salah satu jenis alat Heat Exchanger yang beroperasi secara co-current

dan counter current flow dimana alat tersebut ingin diketahui individual heat transfer

coefficient (hi) serta overall heat transfer coefficient (Ud) berdasarkan hukum Nusselt.

Dengan demikian kita dapat mengetahui harga faktor Pengotoran atau Fauling Factor

(Rd) dari alat tersebut.

1.2 Dasar Teori

Alat penukar panas (Heat Exchanger) adalah suatu peralatan dimana terjadi

perpindahan panas dari suatu fluida yang mempunyai temperatur yang lebih tinggi ke

fluida lain yang temperaturnya lebih rendah, baik secara langsung maupun tidak

langsung. Dalam hal ini Heat Exchanger digunakan sebagai pemanas pendahuluan

sebelum crude oil masuk dalam furnace dengan menggunakan residu sebagai media

pemanasnya. Heat exchanger yang digunakan adalah tipe shell and tube, dimana shell

dilalui oleh fluida panas (residu) sedangkan tube dilalui oleh fluida dingin (crude oil).

Perpindahan panas adalah proses pertukaran panas yang terjadi antara benda panas

dan benda dingin, yang masing – masing disebut source and receiver (sumber dan

penerima). Ada 3 macam cara perpindahan panas yaitu konduksi, konveksi dan radiasi.(1)

A. Cara perpindahan panas

1. Konduksi

Suatu material bahan yang mempunyai gradient, maka kalor akan mengalir

tanpa disertai oleh suatu gerakan zat. Aliran kalor seperti ini disebut konduksi atau

hantaran. Konduksi thermal pada logam - logam padat terjadi akibat gerakan elektron

yang terikat dan konduksi thermal mempunyai hubungan dengan konduktivitas listrik.

Pemanasan pada logam berarti pengaktifan gerakan molekul, sedangkan pendinginan

berarti pengurangan gerakan molekul.

2. Konveksi

Arus fluida yang melintas pada suatu permukaan, maka akan ikut terbawa

sejumlah enthalphi. Aliran enthalphi ini disebut aliran konveksi kalor atau konveksi.

Konveksi merupakan suatu fenomena makroskopik dan hanya berlangsung bila ada gaya

yang bekerja pada partikel atau ada arus fluida yang dapat membuat gerakan melawan

gaya gesek. Contoh sederhana pepindahan panas secara konveksi adalah aliran air yang

dipanaskan dalam belanga.

3. Radiasi ( pancaran )

Pada radiasi panas, panas diubah menjadi gelombang elektromagnetik yang

merambat tanpa melalui ruang media penghantar. Jika gelombang tersebut mengenai

suatu benda, maka gelombang dapat mengalami transisi (diteruskan),

refleksi(dipantulkan), dan absorpsi (diserap) dan menjadi kalor. Hal itu tergantung pada

jenis benda, sebagai contoh memantulkan sebagian besar radiasi yang jatuh padanya,

sedangkan permukaan yang berwarna hitam dan tidak mengkilap akan menyerap radiasi

yang diterima dan diubah menjadi kalor. Contoh radiasi panas antara lain pemanasan

bumi oleh matahari.

B. Sistem aliran penukar panas

Terdapat berbagai jenis penukar panas menurut ukuran, efektifitas, perpindahan

panas, aliran, jenis konstruksi. Namun berdasar sistem kerja yang digunakan, penukar

panas dapat digolongkan menjadi dua system utama, yaitu:

1. Pertukaran panas secara langsung

Materi yang akan dipanaskan atau didinginkan dikontakkan langsung

dengan media pemanas atau pendingin (misal: kontak langsung antara fluida

dengan kukus, es). Metode ini hanya dapat digunakan untuk hal-hal tertentu yang

khusus.

2. Pertukaran panas secara tidak langsung

Pertukaran panas secara tidak langsung memungkinkan terjadinya

perpindahan panas dari suatu fluida ke fluida lain melalui dinding pemisah.

Berdasarkan arah aliran fluida, pertukaran panas dapat dibedakan :

a. Pertukaran panas dengan aliran searah (co current/paralel flow)

Pertukaran panas jenis ini, kedua fluida (dingin dan panas) masuk pada sisi

penukar panas yang sama, mengalir dengan arah yang sama, dan keluar pada sisi

yang sama pula. Karakter penukar panas jenis ini, temperatur fluida dingin yang

keluar dari alat penukar panas (Tcb) tidak dapat melebihi temperatur fluida panas

yang keluar dari alat penukar panas (Thb), sehingga diperlukan media pendingin

atau media pemanas yang banyak. Neraca panas yang terjadi:

Mc . ( Tcb – Tca ) = Mh . (Tha – Thb) …………………(1.1)

Dengan asumsi nilai kapasitas panas spesifik (cp) fluida dingin dan panas

konstan, tidak ada kehilangan panas ke lingkungan serta keadaan steady state,

maka kalor yang dipindahkan :

q = U . A . TLMTD …………………………………(1.2)

Dimana: U = koefisien perpindahan panas secara keseluruhan ( W/m2.0C)

A = luas perpindahan panas (m2)

TLMTD =

ΔT2−ΔT1

ln (ΔT2 /ΔT1 ) ( log mean temperature diffrensial )

T2 = Thb – Tcb

T1 = Tha – Tca

b. Pertukaran panas dengan aliran berlawanan arah ( counter flow )

Penukar panas jenis ini, kedua fluida ( panas dan dingin ) masuk penukar

panas dengan arah berlawanan, mengalir dengan arah berlawanan dan keluar

pada sisi yang berlawanan . Temperatur fluida dingin yang keluar penukar panas

(Tcb) lebih tinggi dibandingkan temperatur fluida panas yang keluar penukar

panas (Thb), sehingga dianggap lebih baik dari alat penukar panas aliran searah

(Co - Current).

Kalor yang dipindahkan pada aliran counter current mempunyai

persamaan yang sama dengan persamaan (1.2), dengan perbedaan nilai TLMTD,

dengan pengertian beda T1 dan T2, yaitu:

T1 = Thb - Tca

T2 = Tha – Tcb

Fouling Factor (Faktor Pengotoran)

Faktor pengotoran ini sangat mempengaruhi perpindahan panas pada heat

exchanger. Pengotoran ini dapat terjadi endapan dari fluida yang mengalir, juga

disebabkan oleh korosi pada komponen dari heat exchangerakibat pengaruh dari jenis

fluida yang dialirinya. Selama heat exchanger ini dioperasikan pengaruh pengotoran pasti

akan terjadi. Terjadinya pengotoran tersebut dapat menganggu atau memperngaruhi

temperatur fluida mengalir juga dapat menurunkan ataau mempengaruhi koefisien

perpindahan panas menyeluruh dari fluida tersebut.

Beberapa faktor yang dipengaruhi akibat pengotoran antara lain :

- Temperatur fluida

- Temperatur dinding tube

- Kecepatan aliran fluida

Faktor pengotoran (fouling factor) dapat dicari persamaan :

Rd=Uc−U d

U c⋅Ud ..............................................................................................(1.3)

Uc=hio×hohio+ho ………………………................................................(1.4)

Ud= Q

Ao×ΔtLMTD

Dimana :

Ao = a’’× L × Nt

Rd = faktor kekotoran

Uc = koefisien perpindahan panas total dalam keadaan bersih

Ud = koefisien perpindahan panas total dalam keadaan kotor

Ini berasal dari persamaan sebagai berikut :

NRe( an )=Gan×de

μh ……………………………………….……..(Kern hal. 185)

NRe( p )=Gp×di

μc

1.3. Variabel Percobaan

1. Variabel tetap

- Suhu air panas : 60°C.

2. Variabel berubah

- Arah aliran : co-current dan countercourrent.

- Waktu operasi : 30, 60, dan 90 detik.

1.4. Alat dan Bahan

1. Alat yang digunakan

- Seperangkat alat shell and tube exchanger

- Stopwatch

2. Bahan – bahan yang digunakan

- Air panas

- Air dingin

1.5. Prosedur Percobaan

A. Tahap kalibrasi

- Mengalirkan pompa aliran air dingin dengan jalan membuka valve no 9 dan 11

selama 30 detik sehingga diperoleh laju alir yang diinginkan

- Mencatat volume pada flowmeter

- Mengulangi langkah percobaan di atas sesuai dengan run yang telah ditentukan

yaitu 30,60, dan 90 detik.

B. Tahap Persiapan

- Mengisi tangki pemanas dengan air

- Menyalakan heater untuk memanaskan air sehingga suhunya mencapai 60 °C.

- Menyalakan pompa aliran air panas untuk mengalirkan air panas ke seluruh

rangkaian Heat exchanger.

- Apabila suhu yang sudah ditentukan tercapai selanjutnya percobaan dapat

dilaksanakan.

C. Tahap percobaan

- Secara co-current

- Mengalirkan air panas ke dalam tube dengan cara membuka valve 16

- Mengalirkan air dingin dari tangki supply dalam shell dengan jalan membuka

valve 8, 9, 11, dan 13.

- Menjalankanpompa air panas dan air dingin secara bersamaan selama 30 detik

- Mencatat suhu yang masuk dan suhu yang keluar pada fluida panas dan

fluida dingin.

- Mengulangi langkah di atas sesuai dengan run yang telah ditentukan yaitu 30,

60, dan 90 detik.

- Secara countercurrent

- Mengalirkan air panas ke dalamtube dengan cara membuka valve 13

- Mengalirkan air dingin dari tangki supply dalam shell dengan jalan membuka

valve 10, 16 dan 13.

- Menjalankan pompa air panas dan air dingin secara bersamaan selama 30

detik

- Mencatat suhu yang masuk dan suhu yang keluar pada fluida panas dan

fluida dingin

- Mengulangi langkah di atas sesuai dengan run yang telah ditentukan yaitu 30,

60, dan 90 detik.

1.6. Gambar Peralatan

Gambar 1.5. Instrument Heat Exchanger tipe shell and tube

Keterangan Gambar :

1 : Shell and tube heat Exchanger

2 : Tangki pemanas (heater)

3 : Tangki penampng air dingin

4 : Tangki supply

5 : Pompa air dingin

6 : Pompa air panas

7,8,9,10,12,13,14,15,16, : Globe Valve

11 : Gate valve

17, 18, 19, 20, 23 : Termometer

21, 22 : Flowmeter

Gambar 1.6. Instrument Heat Exchanger

1.7. Data Pengamatan

Tabel 1.7.1 Data pengamatan hasil kalibrasi air dingin

Waktu (detik) Volume (Liter) Vrata-rata (Liter)

308

12,59

609

22,511

9013

38,512

Tabel 1.7.2. Data pengamatan air dingin melalui shell dan air panas melaluitube

padaaliran co – current pada suhu 60°C

Run Waktu (detik) T1 (°C) T2 (°C) t1 (°C) t2 (°C)

130

60 49 32 35

2 60 50 32 34

160

60 48 32 35

2 60 49 32 36

190

60 47 32 39

2 60 47 32 39

Tabel 1.7.3. Data pengamatan air dingin melalui shell dan air panas melalui tube pada

aliran countercurrent pada suhu 60°C

Run Waktu (detik) T1 (°C) T2 (°C) t1 (°C) t2 (°C)

130

60 47 32 35

2 60 48 32 34

160

60 46 32 35

2 60 45 32 36

190

60 44 32 37

2 60 44 32 38

1.9 Pembahasan

1. Hubungan antara Ud dengan Rd

Hubungan antara koefisien pepindahan panas total (Ud) dengan faktor kekotoran

(Rd) secara teori adalah berbanding terbalik. Hal ini sesuai dengan rumus :

Rd=U c−U d

U c×U d

2. Faktor Kekotoran dari Heat Exchanger

Rd ketetapan untuk air adalah 0,002 Btu/h.ft2.oF

Dari percobaan co-current didapatkan data sebagai berikut :

Rd hitung pada 30 detik sebesar : 0.0064 Btu/h.ft2.oF



Dari percobaan counter current didapatkan data sebagai berikut :



Rd hitung pada 90 detik sebesar : -0,0117 Btu/h.ft2.oF

1.10. Kesimpulan

Berdasarkan hasil percobaan yang dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan yaitu

hubungan antara koefisien pepindahan panas total (Ud) dengan faktor kekotoran (Rd)

adalah berbanding terbalik, yaitu semakin besar koefisien pepindahan panas total (Ud)

maka faktor kekotoran (Rd) semakin kecil.

APPENDIKS

1.1. Perhitungan

A. Menentukan volume fluidadinginpadapercobaandenganwaktu yang ditentukan.

Data kalibrasi yang didapat:

Grafik kalibrasi antara volume fluida dingin dan waktu kalibrasi:

20 30 40 50 60 70 80 90 10005

10152025303540

f(x) = 0.366666666666667 x + 1.16666666666667R² = 0.997252747252747

Waktu (detik)

Vol

um

e (L

)

Sehingga didapat persamaan sebagai berikut:

y = 0,3667x + 1,1667

Waktu (detik) Volume (L) Vrata – rata (L)

3013

12,527

6024

22,521

9032

38,537

Contoh perhitungan pada t = 30 detik:

y = 0,3667x + 1,1667

y = 0,3667(30) + 1,1667

= 12,1677

Kemudian dari persamaan di atas akan didapatkan volume fluida dingin pada waktu

30, 60, dan 90 detik, sebagai berikut:

- Pada waktu 30 detik diperoleh volume yaitu 12,1677 L



B. Aliran air dingin melalui shell dan air panas melalui tube pada waktu 30 detik untuk

aliran co-current.

1. Menentukan Temperatur Rata-rataoF = 1,8 (oC) + 32

Untuk Air Dingin:

t1 = 32 oC = (1,8 × 32) + 32 = 89,6 oF

t2 = 36 oC = (1,8 × 36) + 32 = 96,8 oF

trata-rata =

t1+ t2

2

=

89 ,6+96 ,82

= 93,2 oF

Pada suhu 93,2 oF didapatkan data-data dari Appendiks A.2-11 Geankoplis hal. 862,

sebagai berikut:

ρc = 62,2218 lbm/ft3

Cpc= 0,999 Btu/lbm.oF

kc = 0,3502 Btu/jam.ft.oF

μc = 0.6176 × 10-3lbm/s.ft ×

3600 sjam

= 2,2233 lbm/jam.ft

Untuk Air Panas:

T1 = 60 oC = (1.8 × 60) + 32 = 140 oF

T2 = 49 oC = (1.8 × 49) + 32 = 120,2 oF

Trata-rata

=T 1+T 2

2

= 140 + 120,22

= 130,1 oF

Pada suhu 130,1 oF didapatkan data-data dari Appendiks A.2-11 Geankoplis hal. 862,

sebagai berikut:

ρh = 61,7048 lbm/ft3

Cph = 0,9995 Btu/lbm.oF

kh = 0,3729 Btu/jam.ft.oF

μh = 0,3750 × 10-3lbm/s.ft ×

3600 sjam

= 1,3500 lbm/jam.ft

2. Menghitung Laju Alir ( ν )

Untuk Air Dingin(νc ) :

Volume Air Pendingin = 12,1677 L ×

1 ft3

28,317 L

= 0,4297 ft3

Waktu = 30 detik ×

1 jam3600 detik

= 8,3333×10-3 jam

νc =

Vt

νc=0,4297 ft3

8,3333×10−3 jam

= 51,5635 ft3/jam

Untuk Air Panas (νh ):

νh =

νc×ρc×Cpc×( t2−t1 )ρh×Cph×(T 1−T 2)

νh =

51,5635 ft3 /jam × 62,1903 lbm/ft3×0,999 Btu/lbm .o F×(96,8-89,6 )o F

61,7192 lbm/ft3×0 ,9995 Btu/lbm .o F×(140-120,2 )o F

νh= 18,8845 ft3/jam

3. Menghitung ∆TLMTD

Untuk aliran co-current:

∆TLMTD =

ΔT 2 - ΔT 1

ln ΔT 2

ΔT 1 =

(T 1−t1 )−(T 2−t2 )

ln(T 1−t1 )(T 2−t2 )

Dimana:

T1= 60 oC = (1,8 × 60) + 32 = 140 oF

T2= 49oC = (1,8 × 49) + 32 = 120,2oF

t1 = 32 oC = (1,8 × 28) + 32 = 89,6 oF

t2 = 36 oC = (1,8 × 29) + 32 = 96,8 oF

Sehingga :

∆TLMTD =

(140−89 ,6 )−(120,2- 96,8 )

ln(140−89 , 6)

(120,2−96 ,8)

= 35,1904 oF

Mencari Ft dengan rumus:

R =

T1−T 2

t2−t1

S =

t2−t1

T1−t1

R =

140−120 ,296 , 8−89 , 6

= 2,75

S =

96 , 8− 89 ,6140 − 120 , 2

= 0,1429

Maka diperoleh: Ft = 0,99

∆Tm = ∆TLMTD × Ft

= 35,1904 oF × 0,99

= 34,8385 oF

4. Menghitung Suhu Caloric (Tc dan tc)

Tc =

T1+T2

2

=

140+120 , 22

= 130,1 oF

tc =

t2+ t1

2

=

96 , 8+89 ,62

= 93,2 oF

5. Evaluasi Perpindahan Panas

Shell and Tube

Type 1-2

L = 120 cm = 3,9370 ft

Bagian Shell (Air Dingin) Bagian Tube (Air Panas)

IDs = 8,7 in = 0,725 ft

c’ = 0,8 in

Pt = 1,25 in

de = 0,95 in = 0,0792 ft[2]

n = 1

B =35× I D s = × 8,7 in = 6 in

N + 1 =

L×12B

=

3 ,9370×126 = 8

di = 0,3 in =0,025 ft

do = 0,45 in = 0,0375 ft

a’ = 0,0625 in

a” = 0,1309 ft2/ft[2]

n = 2

Nt = 24

Flow Area Flow Area

as =

I D s×c' × B

n'× 144× PT

as=

8,7×0,8×61 × 144 ×1, 25

as= 0,2320 ft2

Gs =

mas

=νc×ρc

as

Gs =

51,5635 × 62 ,19030,2320

Gs = 13809,6867 lbm/jam.ft2

Bilangan Reynold (Nre)

NRes =

Gs×de

μc

NRes =

13809,6867 × 0,07921 .6484

NRes = 633,5212

Menghitung JH

NPrs =

Cpc×μc

kc

NPrs =

0,998 ×1 ,64840,3616

NPrs = 4,5512

NNus=1,86 ×[NRe×N Pr×

DL ]1

3 [μbμw ]0,14

NNus= 1,86×

[633,5212 ×4,5512 × 0,7253,9370 ]

13

NNus= 15,2955

JH =

N Nus

(NPrs )1

3

at =

Nt×a '

n'×144

at =

24×0 , 06252×144

at = 0,0052 ft2

Gt =

Mat

=νh× ρh

a t

Gt =

18,8834 × 61 ,61840 ,0052

Gt = 223761,4096 lbm/jam.ft2

BilanganReynold (Nre)

NRet =

Gt×d i

μh

NRet=

223761,40 × 0,0251 , 2847

NRet = 4354,3356

Menghitung JH

JH tidak perlu dicari karena

fluidanya air

NPrt =

Cph×μh

k h

NPrt =

0 ,9996 × 1 , 28470 ,3750

NPrt = 3,4242

N

Nut = 0,027×NRe0,8×NPr

1/3[μbμw ]0,14

JH =

15 , 2955

(4 ,5512 )1

3

JH = 9,2297

Menghitung ho

h

o = JH¿

kc

de×[C p

c×μc

kc]1

3 [ μμW ]

0,14

ho= 9,2297 ×

0 ,36160 ,0792

× [ 0 ,998 × 1 ,64840 ,3616 ]

13

ho = 69,8303 Btu/jam.ft2.oF

NNut = 0,027×4354,33560,8 ×3.42421/3

NNut = 31,8323

Menghitung hi & hio

hi = NNut×

kh

d i

hi = 31,8323 ×

0 ,37500 ,025

hi = 477,5351 Btu/jam.ft2.oF

hio = hi×

d i

do

hio = 477,5351 ×

0 ,0250 ,0375

hio = 318,3567 Btu/jam.ft2.oF

6. Menghitung Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh

a. Menghitung Uc

Uc =

hio×ho

hio+ho

Uc =

318 , 3567×69 ,8303318 , 3567+69 ,8303

Uc = 57,269 Btu/jam.ft2.oF

b. Menghitung Ud

Ud =

QAo×ΔT LMTD

Dimana :

Ao = a’’× L × Nt

Ao = 0,1309 ft2/ft × 3,9370 ft × 24

= 12,3685 ft2

Ud =

νh .×Cph×ρh×ΔT

Ao×ΔT m

Ud =

15,1297 ft3 /jam×0 . 9996 Btu/jam . ft .0 F×61 , 6184 lbm/ft3×(1 40 -120,2 )0 F

12,3685 ft2× 34,8385 0 F

Ud = 42,8211 Btu/jam.ft2.oF

c. Menghitung Faktor Kekotoran (Rd)

Rd =

U c−U d

U c× Ud

Rd =

57,269−42 , 821157,269 ×42 ,8211

Rd = 0,0042 jam.ft2.oF/Btu

C. Aliran air dingin melalui shell dan air panas melalui tube pada waktu 30 detik untuk

aliran counter-current.

1. Menentukan Temperatur Rata-rata

Untuk Air Dingin:

t1 = 32 oC = (1,8 × 32) + 32 = 89,6 oF

t2 = 35 oC = (1,8 × 35) + 32 = 95 oF

trata-rata =

t1+ t2

2

= 89 , 6 + 95

2

= 92,3 oF

Pada suhu 92,3 oF didapatkan data-data dari Appendiks A.2-11 Geankoplis

hal. 862, sebagai berikut:

ρc = 62,1790 lbm/ft3

Cpc = 0,999 Btu/lbm.oF

kc = 0,5528 Btu/jam.ft.oF

μc = 0,5528× 10-3 lbm/s.ft ×

3600 sjam

= 1,9901 lbm/jam.ft

Untuk Air Panas:

T1 = 60 oC = (1,8 × 60) + 32 = 140 oF

T2 = 47 oC = (1,8 × 47) + 32 = 116,6 oF

Trata-rata

=T 1+T 2

2

= 140 + 116,62

= 128,3 oF

Pada suhu 128,3 oF didapatkan data-data dari Appendiks A.2-11 Geankoplis hal.

862, sebagai berikut:

ρh = 61,604 lbm/ft3

Cph = 0,9996 Btu/lbm.oF

kh = 0,3538 Btu/jam.ft.oF

μh = 0,3538 × 10-3 lbm/s.ft ×

3600 sjam

= 1,2738 lbm/jam.ft

2. Menghitung Laju Alir ( ν )

Untuk Air Dingin(νc ) :

Volume Air Pendingin = 3,483 L ×

1 ft3

28,17 L

= 0.4650 ft3

Waktu = 30 detik × 1 jam3600 detik

= 8.3333×10-3 jam

νc = Vt

νc=0,1230 ft3

8 . 3333×10−3 jam

Documents

Heat Exchanger