HEAT EXCHANGER
I. TUJUAN
Untuk dapat memahami prinsip kerja alat penukar panas pipa
ganda (double pipe HE).
Untuk mengetahui karakteristik alat pengukur panas dengan
menghitung :
o LMTD pada aliran berlawanan arah.
o Koefisien perpindahan panas keseluruhan
o Tahanan keseluruhan terhadap aliran dalam pipa
II. PERINCIAN KERJA
Pengkalibrasian laju alir
Penentuan suhu fluida panas (input dan output) dan penentuan
suhu fluida dingin (input dan output)
III. ALAT DAN BAHAN
A. Alat yang digunakan
Alat penukar panas (double pipe HE)
Thermo bath (sumber fluida panas)
Gelas ukur 500 ml
Stop watch
Jerigen penampung air dingin
Data HE, panjang total= 1,5 ;pipa besar= 1” dan pipa kecil= ½”
B. Bahan yang digunakan
Air
IV. DASAR TEORI
a. Pengertian Heat Exchanger
Alat penukar panas atau Heat Exchanger (HE) adalah alat yang
digunakan untuk memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa
perpindahan massa dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai
pendingin. Biasanya, medium pemanas dipakai adalah air yang
dipanaskan sebagai fluida panas dan air biasa sebagai air pendingin
(cooling water). Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar
perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien.
Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida
terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur
langsung (direct contact). Penukar panas sangat luas dipakai dalam
industri seperti kilang minyak, pabrik kimia maupun petrokimia, industri
gas alam, refrigerasi, pembangkit listrik. Salah satu contoh sederhana
dari alat penukar panas adalah radiator mobil di mana cairan pendingin
memindahkan panas mesin ke udara sekitar.
Tipe Aliran pada Alat Penukar Panas
Tipe aliran di dalam alat penukar panas ini ada 4 macam aliran yaitu :
1. Counter current flow (aliran berlawanan arah)
2. Paralel flow/co current flow (aliran searah)
3. Cross flow (aliran silang)
4. Cross counter flow (aliran silang berlawanan)
Jenis-jenis penukar panas
Jenis-jenis penukar panas antara lain :
1. Double Pipe Heat Exchanger
2. Plate and Frame Heat Exchanger
3. Shell and Tube Heat Exchanger
4. Adiabatic wheel heat exchanger
5. Pillow plate heat exchanger
6. Dynamic scraped surface heat exchanger
7. Phase – change heat exchanger
Prinsip dan Teori Dasar Perpindahan Panas
Panas adalah salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari
suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau
dimusnahkan sama sekali. Dalam suatu proses, panas dapat
mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu suatu zat dan atau perubahan
tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan.
Proses terjadinya perpindahan panas dapat dilakukan secara
langsung, yaitu fluida yang panas akan bercampur secara langsung
dengan fluida dingin tanpa adanya pemisah dan secara tidak langsung,
yaitu bila diantara fluida panas dan fluida dingin tidak berhubungan
langsung tetapi dipisahkan oleh sekat-sekat pemisah.
Perpindahan Panas Secara Konduksi
Merupakan perpindahan panas antara molekul-molekul yang saling
berdekatan antar yang satu dengan yang lainnya dan tidak diikuti oleh
perpindahan molekul-molekul tersebut secara fisik. Molekul-molekul
benda yang panas bergetar lebih cepat dibandingkan molekul-molekul
benda yang berada dalam keadaan dingin. Getaran-getaran yang cepat
ini, tenaganya dilimpahkan kepada molekul di sekelilingnya sehingga
menyebabkan getaran yang lebih cepat maka akan memberikan panas.
Perpindahan Panas Secara Konveksi
Perpindahan panas dari suatu zat ke zat yang lain disertai dengan
gerakan partikel atau zat tersebut secara fisik.
Perpindahan Panas Secara Radiasi
Perpindahan panas tanpa melalui media (tanpa melalui molekul).
Suatu energi dapat dihantarkan dari suatu tempat ke tempat lainnya (dari
benda panas ke benda yang dingin) dengan pancaran gelombang
elektromagnetik dimana tenaga elektromagnetik ini akan berubah
menjadi panas jika terserap oleh benda yang lain.
Gambar 1. Perpindahan Kalor pada Heat Exchanger
Pada Dasarnya prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu
memindahkan panas dari dua fluida padatemperatur berbeda di mana
transfer panas dapat dilakukan secara langsung ataupun tidak langsung.
- Secara kontak langsung
Panas yang dipindahkan antara fluida panas dan dinginmelalui
permukaan kontak langsung berarti tidak ada dinding antara kedua
fluida.Transfer panas yang terjadi yaitu melalui interfase / penghubung
antara kedua fluida.Contoh : aliran steam pada kontak langsung yaitu 2
zat cair yang immiscible (tidak dapat bercampur), gas-liquid, dan partikel
padat-kombinasi fluida.
- Secara kontak tak langsung
Perpindahan panas terjadi antara fluida panas dandingin melalui
dinding pemisah. Dalam sistem ini, kedua fluida akan mengalir.
EFEK PANAS
Panas adalah satu bentuk energi yang ditransfer karena adanya gaya
dorong perbedaan suhu. Peristiwa transfer panas banyak dijumpai dalam
industri kimia karena itu perlu dilakukan perhitungan jumlah panas yang
diperlukan atau yang timbul pada suatu proses.
Dilihat dari proses yang terjadi ada beberapa jenis transfer panas, yang
dapat digolongkan dalam dua golingan besar yaitu :
a. Transfer panas yang menyertai perubahan fisika.
b. Transfer panas yang menyertai perubahan kimia.
Yang termasuk dalam golongan pertama (transfer panas yang menyertai
perubahan fisika) :
a. Panas sensible.
b. Panas laten
c. Panas pelarutan (tidak dibahas dalam bab ini)
Sedang yang termasuk dalam golongan kedua yaitu transfer panas yang
menyertai perubahan kimia adalah panas reaksi.
- Panas Sensibel
Panas sensibel adalah transfer panas pada system yang mengakibatkan
perubahan suhu, tanpa disertai :
o Terjadinya perubahan fase
o Reaksi kimia
o Perubahan komposisi
- Panas laten zat murni
Bila zat murni mengalami perubahan fase pada tekanan tetap misalnya
dari padat ke cair atau cair ke uap maka tidak terjadi perubahan
suhu.Perubahan enthalpy karena perubahan fase yang terjadi pada suhu dan
tekanan tetap terkenal dengan mana Panas laten.
- Panas Reaksi Standar
Reaksi kimia selalu di ikuti dengan transfer panas atau perubahan
suhu dan kadang-kadang keduanya terjadi.Hal ini di sebabkan karena
adanya perbedaan struktur molekul antara reaktan dan produk menyebabkan
berubahnya enegi system (reaksi).
- Panas pembakaran standard
Pada kenyataan hanya sedikit reaksi pembentukan yang bisa di lalukan
karena itu data untuk reaksi bentukan ini biasanya di tentukan secara tidak
langsung salah satu cara adalah melalui percobaan mengenai reaksi
pembakaran yang pengukuran menggunakan calorimeter.
b. Jenis – jenis Heat Exchanger
1. Penukar panas pipa rangkap (double pipe heat exchanger )
Salah satu jenis penukar panas adalah susunan pipa ganda. Dalam
jenis penukar panas dapat digunakan berlawanan arah aliran atau arah
aliran, baik dengan cairan panas atau dingin cairan yang terkandung
dalam ruang annular dan cairan lainnya dalam pipa.
Alat penukar panas pipa rangkap terdiri dari dua pipa logam standart
yang dikedua ujungnya dilas menjadi satu atau dihubungkan dengan
kotak penyekat. Fluida yang satu mengalir di dalam pipa, sedangkan
fluida kedua mengalir di dalam ruang anulus antara pipa luar dengan pipa
dalam. Alat penukar panas jenis ini dapat digunakan pada laju alir fluida
yang kecil dan tekanan operasi yang tinggi. Sedangkan untuk kapasitas
yang lebih besar digunakan penukar panas jenis selongsong dan buluh (
shell and tube heat exchanger ).
Gambar 2 .
Penukar panas jenis
pipa rangkap
(double pipe heat
exchanger )
2. Penukar panas cangkang dan buluh ( shell and tube heat exchanger )
Alat penukar panas cangkang dan buluh terdiri atas suatu bundel
pipa yang dihubungkan secara parallel dan ditempatkan dalam sebuah
pipa mantel (cangkang ). Fluida yang satu mengalir di dalam bundel pipa,
sedangkan fluida yang lain mengalir di luar pipa pada arah yang sama,
berlawanan, atau bersilangan. Kedua ujung pipa tersebut dilas pada
penunjang pipa yang menempel pada mantel. Untuk meningkatkan
effisiensi pertukaran panas, biasanya pada alat penukar panas cangkang
dan buluh dipasang sekat ( buffle ). Ini bertujuan untuk membuat
turbulensi aliran fluida dan menambah waktu tinggal ( residence time ),
namun pemasangan sekat akan memperbesar pressure drop operasi dan
menambah beban kerja pompa, sehingga laju alir fluida yang
dipertukarkan panasnya harus diatur.
Gambar 3.Penukar panas jenis cangkang dan buluh
( shell and tube heat exchanger )
3. Penukar Panas Plate and Frame ( plate and frame heat exchanger )
Alat penukar panas pelat dan bingkai terdiri dari paket pelat – pelat
tegak lurus, bergelombang, atau profil lain. Pemisah antara pelat tegak
lurus dipasang penyekat lunak ( biasanya terbuat dari karet ). Pelat –
pelat dan sekat disatukan oleh suatu perangkat penekan yang pada setiap
sudut pelat 10 ( kebanyakan segi empat ) terdapat lubang pengalir fluida.
Melalui dua dari lubang ini, fluida dialirkan masuk dan keluar pada sisi
yang lain, sedangkan fluida yang lain mengalir melalui lubang dan ruang
pada sisi sebelahnya karena ada sekat.
Gambar 4. Penukar panas jenis pelat and Frame
Gambar 5. Penukar panas jenis pelat and Frame
4. Adiabatic wheel heat exchanger
Jenis keempat penukar panas menggunakan intermediate cairan atau
toko yang solid
untuk menahan
panas, yang
kemudian pindah
ke sisi lain dari
penukar panas akan
dirilis. Dua contoh ini adalah roda adiabatik, yang terdiri dari roda besar
dengan benang halus berputar melalui cairan panas dan dingin, dan
penukar panas cairan.
5. Pillow plate heat exchanger
Sebuah pelat penukar bantal umumnya digunakan dalam industri susu
untuk susu pendingin
dalam jumlah besar
langsung ekspansi tank
massal stainless steel. Pelat
bantal memungkinkan
untuk pendinginan di
hampir daerah seluruh
permukaan tangki, tanpa
sela yang akan terjadi
antara pipa dilas ke bagian
luar tangki. Pelat bantal
dibangun menggunakan
lembaran tipis dari logam-spot dilas ke permukaan selembar tebal dari
logam.
Pelat tipis dilas dalam pola teratur dari titik-titik atau dengan pola
serpentin garis las. Setelah pengelasan ruang tertutup bertekanan dengan
kekuatan yang cukup untuk menyebabkan logam tipis untuk tonjolan di
sekitar lasan, menyediakan ruang untuk cairan penukar panas mengalir,
dan menciptakan penampilan yang karakteristik bantal membengkak
terbentuk dari logam.
6. Dynamic scraped surface heat exchanger
Tipe lain dari
penukar panas
disebut "(dinamis)
besot permukaan
heat
exchanger". Ini
terutama
digunakan untuk pemanasan atau pendinginan dengan tinggi viskositas
produk, proses kristalisasi, penguapan tinggi dan fouling aplikasi. Kali
berjalan panjang yang dicapai karena terus menerus menggores
permukaan, sehingga menghindari pengotoran dan mencapai kecepatan
transfer panas yang berkelanjutan selama proses tersebut.
7. Phase-change heat exchanger
Selain memanas atau pendinginan cairan hanya dalam satu fasa,
penukar panas dapat digunakan baik untuk memanaskan cairan menguap
(atau mendidih) atau digunakan sebagai kondensor untuk mendinginkan
uap dan mengembun ke cairan. Pada pabrik kimia dan kilang, reboilers
digunakan untuk memanaskan umpan masuk untuk menara distilasi
sering penukar panas .
Distilasi set-up biasanya menggunakan kondensor untuk
mengkondensasikan uap distilasi kembali ke dalam cairan.Pembangkit
tenaga listrik yang memiliki uap yang digerakkan turbin biasanya
menggunakan penukar panas untuk mendidihkan air menjadi uap.
Heat exchanger atau unit serupa untuk memproduksi uap dari air
yang sering disebut boiler atau generator uap.Dalam pembangkit listrik
tenaga nuklir yang disebut reaktor air bertekanan, penukar panas khusus
besar yang melewati panas dari sistem (pabrik reaktor) primer ke sistem
(pabrik uap) sekunder, uap memproduksi dari air dalam proses, disebut
generator uap.Semua pembangkit listrik berbahan bakar fosil dan nuklir
menggunakan uap yang digerakkan turbin memiliki kondensor
permukaan untuk mengubah uap gas buang dari turbin ke kondensat (air)
untuk digunakan kembali.
Untuk menghemat energi dan kapasitas pendinginan dalam kimia
dan tanaman lainnya, penukar panas regeneratif dapat digunakan untuk
mentransfer panas dari satu aliran yang perlu didinginkan ke aliran yang
perlu dipanaskan, seperti pendingin distilat dan pakan reboiler pra-
pemanasan.
Istilah ini juga dapat merujuk kepada penukar panas yang
mengandung bahan dalam struktur mereka yang memiliki perubahan
fasa. Hal ini biasanya padat ke fase cair karena perbedaan volume kecil
antara negara-negara ini. Perubahan fase efektif bertindak sebagai buffer
karena terjadi pada suhu konstan tetapi masih memungkinkan untuk
penukar panas untuk menerima panas tambahan. Salah satu contoh di
mana ini telah diteliti untuk digunakan dalam elektronik pesawat daya
tinggi.
Pengaturan Arus
Berlawanan (A) dan paralel (B) arus
Gambar. 1: Shell dan penukar panas tabung , lulus tunggal (aliran
paralel 1-1)
Gambar. 2: Shell dan penukar panas tabung, 2-pass sisi tube (1-2
crossflow)
Gambar. 3: Shell dan penukar panas tabung, sisi shell 2-pass, sisi
tabung 2-pass (2-2 lawan)
Ada tiga klasifikasi utama penukar panas menurut
pengaturan aliran mereka. Dalam exchanger paralel aliran panas, kedua
cairan memasuki exchanger pada akhir yang sama, dan perjalanan secara
paralel satu sama lain ke sisi lain. Dalam exchanger counter-flow panas
cairan memasuki penukar dari ujung berlawanan. Desain saat ini counter
adalah yang paling efisien, karena dapat mentransfer panas yang paling
dari panas (transfer) menengah karena fakta bahwa perbedaan suhu rata-
rata sepanjang setiap satuan panjang yang lebih besar. Lihat pertukaran
lawan arus . Dalam penukar lintas-aliran panas, cairan perjalanan sekitar
tegak lurus satu sama lain melalui exchanger.
Untuk efisiensi, penukar panas yang dirancang untuk
memaksimalkan luas permukaan dinding antara dua cairan, dan
meminimalkan resistensi terhadap aliran fluida melalui exchanger. Kinerja
penukar juga dapat dipengaruhi oleh penambahan sirip atau lipatan pada
satu atau kedua arah, yang meningkatkan luas permukaan dan dapat
menyalurkan aliran fluida atau menyebabkan turbulensi.
Suhu mengemudi di permukaan perpindahan panas bervariasi
dengan posisi, tapi suhu rata-rata yang tepat dapat didefinisikan. Dalam
sistem yang paling sederhana ini adalah " log berarti perbedaan suhu
"(LMTD). Kadang-kadang pengetahuan langsung dari LMTD tidak
tersedia dan metode NTU digunakan.
Komponen-komponen Heat Exchanger.
Shell
Kontruksi shell sangat ditentukan oleh keadaan tubes yang akan
ditempatkan didalamnya. Shell ini dapat dibuat dari pipa yang berukuran
besar atau pelat logam yang dirol. Shell merupakan badan dari heat
exchanger, dimana didapat tube bundle. Untuk temperatur yang sangart
tinggi kadang-kadang shell dibagi dua disambungkan dengan sambungan
ekspansi.
Tube (pipa)
Tube atau pipa merupakan bidang pemisah antara kedua jenis
fluida yang mengalir didalamnya dan sekaligus sebagai bidang
perpindahan panas. Ketebalan dan bahan pipa harus dipilih pada tekanan
operasi fluida kerjanya. Selain itu bahan pipa tidak mudah terkorosi oleh
fluida kerja.
Tube Sheet
Tempat untuk merangkai ujung-ujung tube sehingga menjadi satu
yang disebut tube bundle. HE dengan tube lurus pada umumnya
menggunakan 2 buah tube sheet. Sedangkan pada tube tipe U
menggunakan satu buah tube sheet yang berfungsi untuk menyatukan
tube-tube menjadi tube bundle dan sebagai pemisah antara tube side
dengan shell side.
Sekat (Baffle)
Adapun fungsi dari pemasangan sekat (baffle) pada heat exchanger ini
antara lain adalah untuk :
1. Sebagai penahan dari tube bundle
2. Untuk mengurangi atau menambah terjadinya getaran.
3. Sebagai alat untuk mengarahkan aliran fluida yang berada di dalam
tubes.
Ditinjau dari segi konstruksinya baffle dapat diklasifikasikan dalam
empat kelompok, yaitu :
1. sekat plat bentuk segmen.
2. Sekat bintang (rod baffle)
3. Sekat mendatar.
4. Sekat impingement.
Tie Rods
Batangan besi yang dipasang sejajar dengan tube dan ditempatkan
di bagian paling luar dari baffle yang berfungsi sebagai penyangga agar
jarak antara baffle yang satu dengan lainnya tetap.
Tipe-tipe Penukar Panas
Penukar panas diklasifikasikan atas dasar :
1. Bentuk dari aliran melalui penukar panas
a. Paralel flow (aliran sejajar ) / co current
Fluida panas dan fluida dingin melalui penukar panas satu arah yang
sama pada kedua ujungnya. Maka aliran tersebut disebut searah atau
Fluida 1
Fluida 2
Co-current flow
Fluida 1
Fluida 2
Co-current flow
Fluida 1
Fluida 2
sejajar.aliran searah jarang digunakan pada penukar kalor satu-lintas
karena dengan cara ini kita tidak akan dapat membuat suhu keluar
fluida yang satu mendekati suhu fluida yang kedua, dan kalor yang
dapat dipindahkan akan kurang dari yang dapat dipindahkan bila
aliran itu berlawanan arah. Aliran searah biasanya digunakan dalam
situasi khusus, dimana suhu maksimum fluida dingin perlu dibatasi,
atau dalam hal dimana terdapat keharusan mengubah suhu fluida
dengan cepat; sedikitnya, salahsatu fluida.
b. Berlawanan arah/ countercurrent tflow
Fluida yang satu masuk pada ujung penukar panas, sedang fluida
yang satu lagi pada ujung yang lain, lalu masing-masing mengalir
menurut arah yang berlawanan.
c. Single pass cross flow
Salah satu fluida bergerak sepanjang permukaan dalam arah saling
tegak lurus
2. Alat penukar kalor pipa ganda (double tube exchanger)
Alat penukar kalori ini menggunakan 2 macam tube yang
diameternya tidak sama pada konstruksi pipa ganda ini terdapat pipa
didalam (inner tube) dan luar pipa (outer tube) sering disebut annulus.
Bila ditinjau dari segi kebutuhan operasi, maka alat penukar ini
dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
a. Penukar kalori susunan seri
b. Penukar kalor susunan seri parallel
Pada konstruksi susunan seri, maka fluida dalam tube sebelah
dalam maupun sebelah luar (didalam annulus) alirannya satu lintasan
tanpa cabang sedangkan alat penukar kalor susunan seri paralel, didalam
tube sebelah dalam dan fluda dalam anulus masing-masing mempunyai
cabang. Penutup pipa rangkap ini ternyata tidak memadai untuk laju
aliran yang lebih besar dari pada yang dapat ditangani dengan beberapa
buah tabung saja. Jika kita menggunakan banyak penukar kalor pipa
rangkap secara parallel, bobot logam yang digunakan sebagai pipa luar
akan menjadi sedemikian tinggi sehingga penggunaan konstruksi
selongsong dan tabung sekaligus, akan lebih menjadi ekonomis. Penukar
panas ini hanya melakukan suatu lintasan selongsong dan satu lintasan
pula di dalam tabung.
Dalam penukar panas, koefisien perpindahan panas sisi
selongsong dan koefisien sis tabung sama-sama penting, dan keduanya
cukup besar agar koefisien menyeluruh dan memuaskan dapat tercapai.
Kecepatan dan keturbulenan zat cair sisa selongsong juga tidak kala
pentingnya dari kecepatan dari keterbulenan zat cair sisi tabung. Untuk
meningkatkan aliran silang dan menaikkan kecepatan rata-rata fluida sisi
selongsong itu dipasang sekat-sekat tersebut terbuat dari logam
berbentuk piring bundar yang satu sisinya dipotong. Dalam prakteknya
biasanya segmen itu dipotong pada tinggi seperempat diameter
selongsong. Sekat-sekat demikian disebut sekat 25 % (25 percent
baffles). Sekat itu lalu diberi lubang-lubang untuk melakukan tabung-
tabung. Agar kebocoran dapat dibuat minimum, ruang bebas pemasangan
antara sekat dan selongsong harus dibuat sekecil mungkin. Sekat itu
ditunjang oleh sebuah atau beberapa buah batang pemandu yang
dipasang diantara kedua plak tabung. Agar sekat-sekat itu terpasang erat
ditempatnya, dipasang pula potongan-potongan tabung pendek sebagai
penjaga jarak antara sekat-sekat.
3. Penukar kalor jenis plat.
Untuk perpindahan panas antara dua fluida pada tekanan rendah
dan selang yaitu, dibawa kira-kira 20 atm, penukar kalor jenis plat dapat
bersaing dengan penukar kalor jenis selongsong dan tabung, lebih-lebih
dalam situasi yang memerlukan penggunaan bahan tahan korosi. Plat-plat
logam, biasanya dengan permukaan bergelombang, didukung oleh suatu
kerangka; lidah panas dialirkan melalui pasangan-pasangan plat sela-
menyela, dan bertukar panas dengan fluida dingin yang mengalir
disebelahnya.
Plat-plat itu biasanya berjarak 5 mm satu sama lain. Plat-plat itu
dapat dengan mudah dipisahkan untuk pembersihan, tambahan luas, bila
diperlukan, dapat dilakukan dengan menambahkan plat-plat lagi. Beda
dengan penukar panas selongsong dan tabung, penukar panas jenis plat
dapat digunakan untuk tugas-tugas rangkap; umpamanya, beberapa fluida
yang berlainan dapat dialirkan melalui berbagai bagian penukar panas
dan masih terpisah satu sama lain. Suhu operasi maksimumnya ialah
kira-kira 300 0F, sedang luas permukaan panas maksimum ialah kira-kira
5,0 ft2. penukar kalor jenis plat relatif efektif untuk viskos dengan
viskositas sampai kira-kira 300 P.
4. Kondensor
Piranti penukar panas khusus yang digunakan untuk mencairkan
uap dengan mengambil panas tertentunya disebut kondensor. Kalor laten
itu diambil dengan menyerapnya kedalam zat cairan lebih dingin disebut
pendingin (coolant) karena suhu pendingin didalam kondensor itu tentu
meningkat karena itu, maka alat itu dengan demikian juga bekerja
sebagai pemanas. Beberapa contoh kondensor terlihat seperti dibawah
ini:
a. Kondensor salongsong dan tabung.
Kondensor ini merupakan kondensor lintas tunggal, karena
keseluruhan arus zat cair dingin mengalir melalui semua tabung
secara parallel. Dalam kondensor besar, aliran ini mengakibatkan
suatu keterbatasan penting. Jumlah tabung itu akan sedemikian besar
sehingga, dengan satu lintasan saja, kecepatan melalui tabung itu
terlalu kecil untuk memberikan koefisien perpindahan panas yang
memadai, dan unit ini akan menjadi terlalu besar dan tidak ekonomi.
Demikian pula, karena naila koefisien itu rendah sekali, akan
diperlukan tabung-tabung yang panjang sekali jika kita ingin
memanaskan fluida pendingin itu dalam suhu yang cukup besar.
Tabung yang terlalu panjang itu tentu tidak praktis. Untuk
mendapatkan kecepatan yang lebih besar, dan koefisien perpindahan
panas yang lebih tinggi, serta tabung yang lebih pendek, prinsip
lintas banyak (multi pass) yang digunakan dalam penukar panas
dapat pula digunakan untuk pendingin dalam kondensor.
b. Kondensor dehummidifikasi
Kondensor untuk campuran uap dan gas tak mampu kondensasi.
Kondensor ini dipasang fertikal, dan bukan horizontal sebagaimana
biasanya untuk kebanyakan kondensor yang menangani uap yang
tidak mengandung gas tidak mampu kondensasi. Demikian pula uap
itu terkondensasi didalam tabung, bukan diluar, dan pendingin
mengalir melalui solongsong bukan tabung. Hal ini memungkinkan
campuran uap dan gas itu memberikan satuan positif pada waktu
melalui tabung sehingga mencegah pembentuk kantong-kantong gas-
gas yang tak terkondensasi, yang bentuknya sudah dimodifikasi
berfungsi juga untuk memisahkan kondensor dari gas dan uap yang
terkondensasi.
c. Kondesor kontak
Kondesor kontak jauh lebih kecil lebih murah dari kondesor
permukaan. Dalam kondensor ini, sebagian dari air pendingin
disemprotkan dalam arus uap didekat lubang masuk uap, dan sisanya
diarahkan pada leher pembuang untuk menyelesaikan kondensasi. Bila
kondensor solongsong dan tabung dioperasikan didalam vakum,
kondensor itu biasanya dipompakan keluar, tetapi bisa juga
dikeluarkan dengan menggunakan kaki barometric (barometric leg).
Kaki barometric ini berupa suatu tabung vertikal, panjang kira-kira 34
ft (10 m), tertup mati pada bagian bawah oleh tangki penampung
kondesat. Dalam operasinya, permukaan zat cair dalam kaki itu
dengan sendirinya mengatur dirinya, sehingga perbedaan tinggi tekan
didalam kaki dan tangki sesuai perbedaan tekanan antara atmosfir dan
ruang uap didalam kondensor. Zat cair itu lalu mengalir melalui kaki
itu segera setelah terbentuk melalui kondensasi tanpa mengganggu
vakum. Dalam kondensor kontak langsung tekanan yang dipulihkan
dalam kerucut hilir venturi biasanya cukup memadai sehingga kaki
barometric tidak diperlukan lagi.
Instumentasi
Double pipe Heat exchanger merupakan suatu alat yang didisain
untuk mempelajari dan mengevaluasi pengaruh perbedaan laju alir dan
material teknik pada laju transfer panas melalui dinding tipis.
● Pengaturan Pipa (Pipe Arrangement)
Alat ini terdiri atas dua pipa logam berdinding tipis yang tersusun
dalam suatu panel vertikal. Pipa dapat beroperasi dengan baik pada aliran
searah maupun berlawanan. Setiap pipa terdiri dari sebuah pipa tembaga
luar dan dalam. Fluida panas mengalir melalui pipa bagian dalam,
sedangkan fluida dingin mengalir melalui anulus antara pipa luar dan
dalam. Pengaturan terhadap valve dalam rangkaian ini akan
menghasilkan aliran yang sesuai dengan tujuan percobaan yaitu searah
dan berlawanan arah.
● Sambungan (Fitting)
Heat exchanger mempunyai sambungan pipa standar yang
terletak sepanjang siku yang paling rendah dari panel. Tiga sambungan
masuk dialokasikan di sebelah kanan panel.
● Valves
Valve digunakan untuk mengatur kondisi aliran yang diinginkan
dan untuk mengatur laju alir dari fluida. Unit ini memiliki empat needle
type metering valve. Dua valve pada masukan tangkin pencampuran dan
dua lainnya pada keluaran. Semua valve yang lain berjenis global type
gate valve. Valve yang menangani fluida panas di cat berwarna merah
sedangkan yang menangani fluida dingin di cat bewarna biru.
● Flowmeter
Aliran dari suatu fluida diregulasikan dengan needle valve. Laju
alir untuk fluida panas dan fluida dingin dengan specific gravity yang
sama diukur dengan menggunakan single-pass-tube-type flowmeter.
Flowmeter dilengkapi dengan sebuah skala logam yang dapat
dipindahkan dan sudah dikalibrasi.
- Double Pipe Heat Exchanger berfungsi mempertukarkan suhu antara
dua fluida dengan melewati dua bidang batas. Bidang batas pada alat
penukar kalor ini berupa pipa yang terbuat dari berbagai jenis logam
sesuai dengan penggunaan dari alat tersebut.
- Beberapa faktor yang menjadi parameter unjuk kerja dari alat
Double Pipe Heat Exchanger adalah faktor kekotoran (dirt factor),
luas permukaan perpindahan kalor, koefisien perpindahan kalor,
beda temperatur rata-rata, jenis aliran (bilangan reynold) dan arah
aliran (co-current atau counter current).
- Faktor pengotoran akan memperkecil efisiensi HE. Parameter faktor
kekotoran pada alat ini sangat mempengaruhi unjuk kerja alat
tersebut. Hal ini terlihat dari koefisien perpindahan panas
menyeluruh antara alat saat bersih (UC) dan saat kotor (UD) yang
akan berpengaruh pada temperatur akhir yang diperoleh.
- Aliran fluida berlawanan akan mempunyai selisih suhu uap dan air
awal yang relatif sama dengan selisih suhu uap dan air pada kondisi
akhir.
- Aliran fluida searah akan memberikan selisih suhu uap dan air awal
jauh lebih besar daripada selisih suhu uap dan air pada kondisi akhir.
- Aliran counter current lebih efektif daripada aliran co current.
Perpindahan panas yang terjadi pada aliran berlawanan lebih
menyeluruh, fluida panas dan fluida dingin saling bertukar panas
pada titik-titik yang memiliki perbedaan suhu yang besar sehingga
jarak suhu steam dan air keluar cukup dekat.
Prinsip kerja double pipe
Pada alat ini, mekanisme perpindahan kalor terjadi secara tidak
langsung (indirect contact type), karena terdapat dinding pemisah antara
kedua fluida sehingga kedua fluida tidak bercampur. Fluida yang
memiliki suhu lebih rendah (fluida pendingin) mengalir melalui pipa
kecil, sedangkan fluida dengan suhu yang lebih tinggi mengalir pada pipa
yang lebih besar (pipa annulus). Penukar kalor demikian mungkin terdiri
dari beberapa lintasan yang disusun dalam susunan vertikal. Perpindahan
kalor yang terjadi pada fluida adalah proses konveksi, sedang proses
konduksi terjadi pada dinding pipa. Kalor mengalir dari fluida yang
bertemperatur tinggi ke fluida yang bertemperatur rendah.
Keistimewaan jenis ini adalah mampu beroperasi pada tekanan
yang tinggi, dank arena tidak ada sambungan, resiko tercampurnya kedua
fluida sangat kecil, mudah dibersihkan pada bagian fitting, Fleksibel
dalam berbagai aplikasi dan pengaturan pipa, dapat dipasang secara seri
ataupun paralel, dapat diatur sedimikian rupa agar diperoleh batas
pressure drop dan LMTD sesuai dengan keperluan,mudah bila kita ingin
menambahkan luas permukaannya dan kalkulasi design mudah dibuat
dan akurat Sedangkan kelemahannya terletak pada kapasitas perpindahan
panasnya sangat kecil, mahal, terbatas untuk fluida yang membutuhkan
area perpindahan kalor kecil (<50 m2), dan biasanya digunakan untuk
sejumlah kecil fluida yang akan dipanaskan atau dikondensasikan.
Dalam desain pipa penukar panas ganda, merupakan faktor
penting adalah jenis pola aliran dalam penukar panas. Sebuah penukar
panas pipa ganda biasanya akan baik berlawanan arah / counterflow atau
aliran paralel. Crossflow hanya tidak bekerja untuk penukar panas pipa
ganda. Pola yang aliran dan tugas panas yang dibutuhkan pertukaran
memungkinkan perhitungan log mean perbedaan suhu. Yang bersama-
sama dengan perpindahan panas keseluruhan diperkirakan koefisien
memungkinkan perhitungan luas permukaan perpindahan panas yang
diperlukan. Kemudian ukuran pipa, panjang pipa dan jumlah tikungan
dapat ditentukan.
Prinsip kerja dari alat ini adalah memindahkan panas dari cairan
dengan temperature yang lebih tinggi ke cairan yang memiliki temperatur
lebih rendah. Dalam percobaan kali ini, aliran panas (steam) dialirkan
pada bagian dalam pipa konsentris sedangkan air dialirkan pada bagian
luar dari pipa konsentris ini (bagian anulus).
Namun, terkadang dalam beberapa alat seperti HE ini, akan ada
pengotor didalam pipa yang membuat proses perpindahan kalor nya
menjadi terganggu. Pengotoran ini dapat terjadi endapan dari fluida yang
mengalir, juga disebabkan oleh korosi pada komponen dari heat
exchanger akibat 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.
Aliran Paralel (searah) dan aliran counter flo (berlawanan arah) dalam
Penukar Kalor Pipa Ganda
Pada percobban ini dilakukan 2 jenis aliran yaitu :
a. Counter current flow atau Counter flow adalah aliran berlawanan
arah, dimana fluida yang satu masuk pada satu ujung penukar kalor,
sedangkan fluida yang satu lagi masuk pada ujung penukar panas
yang lain, masing-masing fluida mengalir menurut arah yang
berlawanan.
b. Parallel flow atau Co-current flow adalah aliran searah ,dimana kedua
fluida masuk pada ujung penukar panas yang sama dan kedua fluida
mengalir searah menuju ujung penukar panas yang lain.
Pada aliran searah, selisih temperatur antara temperatur fluida panas dan
dingin akan menurun seiring dengan meningkatnya x. Hal ini dapat terjadi
karena jika kita anggap ada sebuah molekul yang mengalir didalam pipa,
maka molekul-molekul fluida panas dan dingin akan selalu bersama-sama
hingga pada akhirnya panas akan berpindah diantaranya. Dibawah ini
merupakan skema gambar dari aliran parallel flow dan counter flow.
Gambar 9. Aliran parallel flow dan counter flow
Penurunan maupun kenaikan temperatur pada akan sebanding diantara
keduanya karena kebersama-samaan molekul-molekul fluida panas dan
dinginnya. Keuntungan utama dari penukar panas pipa ganda adalah bahwa
hal itu dapat dioperasikan dalam pola berlawanan arah/counterflow sejati,
yang merupakan pola aliran yang paling efisien . Artinya, ia akan
memberikan koefisien perpindahan panas tertinggi keseluruhan untuk desain
penukar panas pipa ganda.
Juga, penukar panas pipa ganda dapat menangani tekanan tinggi dan
temperatur. Ketika mereka beroperasi di berlawanan arah / counterflow,
mereka bisa beroperasi dengan suhu berlawanan, yaitu, dimana suhu dingin
sisi outlet lebih tinggi dari temperatur outlet sisi panas.
Counter flow Heat Exchanger
Parallel-Flow Heat Exchanger:
A. Pengukuran Kinerja Heat Exchanger
Kinerja dari suatu Heat Exchanger dapat dilihat dari parameter-parameter
berikut :
a. Faktor Pengotor (Fouling Factor)
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 exchange rakibat 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, Rf) dapat dicari persamaan :
R f=1
U kotor
− 1U bersih
dimana U pipa yang sudah tua tersebut dapat dihitung dengan menggunakan
rumus sebagai berikut :
U= 1
1hi
+ri ln(
ro
r p
)
k insulator
+r j ln (
r p
ri
)
k pipe
+ri
ro ho
+Rf
Jika fouling factor di atas sudah memiliki nilai sedemikian besar, maka HE
tersebut dapat disimpulkan sudah tidah baik kinerjanya.
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 resistance.
Untuk U<<10000 W/m2 °C fouling mungkin tidak begitu penting, karena
hanya menghasilkan resistan yang kecil. Namun pada water 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 mengalir melewatinya, nilai U mungkin sekitar 200,
fouling factor akan menjadi signifikan.
b. Koefisien perpindahan panas
Semakin baik sistem maka semakin tinggi pula koefisien panas yang
dimilikinya. Koefisien perpindahan kalor, U, terdiri dari dua macam yaitu :
UC adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat
penukar kalor masih baru
UD adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat
penukar kalor sudah kotor
Secara umum kedua koefisien itu dirumuskan sebagai
U c=hio .ho
hio+ho
1UD
= 1U c
+Rdi+Rdo=1
U c
+Rd
c. Penurunan Tekanan (Pressure Drop)
Pada setiap aliran dalam HE akan terjadi penurunan tekanan karena adanya
gaya gesek yang terjadi antara fluida dan dinding pipa. Hal ini dapat terjadi pada
sambungan pipa, fitting,atau pada HE itu sendiri. Hal ini akan mengakibatkan
kehilangan energi sehingga perubahan suhu tidak konstan.
Untuk penurunan Tekanan pada Tube Side Besarnya penurunan tekanan pada
tube side alat penukar kalor telah diformulasikan, persamaan terhadap faktor
gesekan dari fluida yang dipanaskan atau yang didinginkan didalam tube.
∆ Pt=f t .6 t
2 . L . n
5,22.1010 . Dr . S . φt
Dimana :
n = Jumlah pass aliran tube
L = Panjang tube
L.n = Panjang total.lintasan dalam ft
Mengingat bahwa fluida itu mengalami belokan pada saat passnya, maka
akan terdapat kerugian tambahan penurunan tekanan.
∆ Pr=4 . nS t
.V 2
2.gPsi
d. Konduktivitas Termal
Daya hantar kalor yang dimiliki fluida maupun dinding pipa HE sangat
berpengaruh pada kemampuan kalor tersebut berpindah.
e. Aliran Fluida yang Bertukar Kalor
Aliran Kalor Sejajar, kurang efisien dan cepat untuk satu fluida.
Aliran Kalor Berlawanan Arah, kalor yang ditransfer lebih banyak.
Metode-metode untuk menentukan efektivitas
Beda Suhu Rata-rata Log (LMTD)
Pada alat penukar-kalor pipa-ganda, fluidanya dapat mengalir dalam aliran-
sejajar maupun aliran lawan-arah. Untuk menghitung perpindahan kalor dalam
susunan pipa-ganda digunakan persamaan :
q=U . A . ∆ Tm
dimana :
U = koefisien perpindahan-kalor menyeluruh
A = luas permukaan perpindahan-kalor
ΔTm = beda-suhu rata-rata yang tepat untuk digunakan dalam penukar
kalor.
Untuk alat penukar-kalor aliran-sejajar , kalor yang dipindahkan melalui unsur
luas dA dapat dituliskan sebagai:
dq=mh ch dTh=mc cc dTc
dimana subskrip h dan c masing-masing menandai fluida-panas dan fluida-dingin.
Perpindahan-kalor dapat pula dinyatakan sebagai
dq=U (T h−T c ) dA
Dimana
dT h=−dqmh ch
, dan dT c=dq
mc cc
dimana m menunjukkan laju aliran-massa dan c adalah kalor spesifik fluida.
Jadi,
dT h−dTc=d (T h−T c )=−dq1
mh ch
+ 1mc C c
Jika dq diselesaikan dari persamaan (1) dan disubstitusikan ke dalam persamaan
(2) maka didapatkan
d ¿¿
Hasil kalimc cc dan mh ch dapat dinyatakan dalam perpindahan kalor total q dan
beda-suhu menyeluruh antara fluida-panas dan fluida dingin. Jadi,
mh ch=q
T h 1−T h 2
dan mh ch=q
T c 2−T c1
Jika kedua hubungan di atas disubstitusikan ke persamaan (3) memberikan :
q=UA ( Th 2−T c 2 )−(Th1−T c 1)
ln [(T h 2−T c2 )(T h 1−T c1 )
]❑
Jika persamaan diatas dibandingkan dengan persamaan sebelumnya terlihat bahwa
beda suhu rata-rata merupakan pengelompokan suku-suku dalam kurung, Jadi,
∆ T m=(T h2−T c2 )−(T h1−T c1)
ln [( Th 2−T c 2 )( Th 1−T c 1 )
]
Beda suhu ini disebut beda suhu rata-rata log (log mean temperature difference =
LMTD). Dengan kata lain, LMTD ialah beda-suhu pada satu ujung penukar-kalor
dikurangi beda-suhu pada ujung yang satu lagi dibagi dengan logaritma alamiah
dari perbandingan kedua beda suhu tersebut.
Penurunan persamaan LMTD tersebut didasarkan atas dua asumsi :
(1) Kalor spesifik fluida tidak berubah menurut suhu
(2) Koefisien perpindahan-kalor konveksi tetap, untuk seluruh penukar-
kalor.
Jika suatu penukar-kalor yang bukan jenis pipa-ganda digunakan, perpindahan-
kalor dihitung dengan menerapkan faktor koreksi terhadap LMTD untuk susunan
pipa-ganda aliran lawan-arah dengan suhu fluida-panas dan fluida dingin yang
sama. Bentuk persamaan perpindahan-kalor menjadi:
q=UAF ∆ T m
Metode NTU Efektivitas
Dalam analisis penukar-kalor, pendekatan dengan metode LMTD berguna apabila
suhu masuk dan suhu keluar fluida diketahui atau dapat ditentukan dengan mudah
sehingga LMTD, luas permukaan dan koefisien perpindahan kalor dapat dengan
mudah ditentukan. Namun, apabila kita harus menentukan terlebih dahulu suhu
masuk dan suhu keluar fluida maka analisis lebih mudah dilakukan dengan
metode yang berdasarkan efektivitas penukar kalor dalam memindahkan jumlah
kalor tertentu atau disebut juga metode NTU (Number of Transfer Unit). Metode
NTU dikhususkan untuk menghitung perpindahan secara counter currentHeat
Exchanger sendiri adalah alat/perangkat yang energinya ditransfer dari satu fluida
menuju fluida lainnya melewati permukaan padat.
Metode NTU ini dijalankan/dikerjakan dengan menghitung laju kapasitas panas
(contohnya laju alir dikalikan dengan panas spesifik) Ch dan Cc berturut-turut
untuk fluida panas dan dingin. Dalam kasus dimana hanya ada temperatur awal
untuk fluida panas dan cair yang diketahui, LMTD tidak dapat dihitung
sebelumnya dan aplikasi/penerapan metode LMTD memerlukan pendekatan
secara iterasi. Pendekatan yang dianjurkan adalah metode keefektifan atau -NTU.
Keefektifan dari Heat Exchanger,ε, didefinisikan dengan :
ε= qq max
dimana : q adalah nilai laju sebenarnya dari perpindahan panas dari fluida panas
menuju fluida dingin, dan qmax merepresentasikan laju maksimum yang mungkin
dari perpindahan panas, yang diberikan dengan hubungan :
q=Cmin(T h ,i−T c, i)
dimana Cmin adalah laju kapasitas dari dua panas yang terkecil. Dengan demikian
laju perpindahan panas sebenarnya diekspresikan sebagai :
q=εCmin(T h ,i−T c ,i)
dan dihitung, memberikan keefektifan heat exchanger, , laju alir massa, dan panas
spesifik dua fluida dan temperatur awal.
Untuk geometris aliran,ε, dapat dihitung menggunakan korelasi dengan istilah
“rasio kapasitas panas” :
CT=Cmin
Cmax
dan Bilangan Satuan Perpindahan, NTU :
NTU= UACmin
dimana U merupakan koefisien perpindahan panas keseluruhan dan A adalah area
perpindahan panas.
Beberapa masalah pada jenis heat exchanger.
Naiknya pressure drop didalam HE
1. Penyebab : Ada kotoran dalam HE (HE tersumbat)
Tindakan:
Bersihkan pipa-pipa sebelum start up
Bersihkan plate (jika kejadiannya setelah proses berjalan)
Media yang masuk HE perlu diberi filter.
2. Penyebab : Viskositas
Tindakan:
Check viskositas dan jika perlu setel sesuai desain.
Check apakah temperature turun sampai dibawah temperature
desain
3. Penyebab : Kesalahan koneksi pada sistem perpipaan
Tindakan: Check koneksi dan sesuaikan dengan drawing.
4. Penyebab: Kuantitas aliran terlalu besar
Tindakan: Atur kuantitas aliran dengan benar.
Menurunnya out put HE (menurunnya kapasitas)
1. Penyebab: PHE terkotori/tersumbat oleh kotoran dari luar, seperti
serpihan plastik dsb.
Tindakan: Bersihkan plate dan media yang masuk PHE perlu diberi
filter.
2. Penyebab: Aliran terlalu tinggi/cepat.
Tindakan:Setel dan sesuaikan.
3. Penyebab : Kesalahan koneksi terhadap sistem perpipaan
4. Tindakan: Check koneksi dan sesuaikan dengan drawing
5. Penyebab: Akumulasi secondary media di dalam HE (seperti oli, dan non-
condensable gas)
Tindakan: Buat alat yang sesuai untuk mengalirkannya. Alat ini bisa berupa
oil drainage yang dibuka dalam periode tertentu sesuai dengan keadaan.
Kebocoran
1. Penyebab: Tekanan dalam HE melebihi tekanan ijin.
Tindakan: Kurangi tekenan sesuai dengan set point.
2. Penyebab: shock pressure/tekanan mendadak.
Tindakan: Hindari terjadinya tekanan mendadak dengan mengatur sistem
sebaik mungkin, membuka dan menutup sistem dengan smooth.
3. Penyebab: Rusaknya gasket karena pengaruh serangan medium.
Tindakan: Ganti gasket, jika perlu ganti dengan material lain yang lebih
baik.
4. Penyebab: Terbloknya aliran dalam HE.
Tindakan: Bersihkan plate dan beri saringan/filter.
Tercampurnya media.
1. Penyebab: Plate tidak terinstall dengan benar
Tindakan: Install plate sesuai panduan.
2. Penyebab: Korosi
Tindakan:
a. Cari penyebab korosi dan ganti plate baru
b. Ganti dengan plate yang dengan material yang tahan korosi.
3. Penyebab: Koneksi tidak sesuai
Tindakan: Check dan sesuaikan dengan drawing.
Double pipe merupakan bentuk heat exchanger yang paling
sederhana yang tersusun atas dua tabung/tube konsetris. Satu fluida
mengalir di dalam inner tube, sementara yang lain mengalir dalam annular
passage. Kalor dari fluida panas dipindahkan ke fluida dingin melalui
dinding inner tube, dengan dinding luar annulus diinsulasi.
Koefisien perpindahan kalor pada annulus bergantung pada rasio
diameter kedua tabung, diameter dalam annulus (Di) dan diameter luar
inner tube (do), karena bentuk dari profil kecepatan fluida.
Metode yang paling sederhana untuk mengetahui perpindahan kalor
dan pressure drop dalam annulus ialah dengan menggunakan pendekatan
hydraulic (equivalent) diameter. Hydraulic diameter (Dh) dipengaruhi
diameter tube pada internal flow correlation :
D h=4net free−flow area
wetted ( h eat transfer ) perimeter
Rumus diatas dapat digunakan untuk perhitungan perpindahan kalor
dan pressure drop. Validitas penggunaan hydraulic diameter telah
dibuktikan melalui eksperimen dengan finned annulus. Wetted perimeter
untuk perhitungan pressure drop di annulus didefinisikan sebagai :
Pw=π (Di+do)
dan heat transfer perimeter di annulus dihitung dengan :
P h=π . do
Perbedaan antara hydraulic perimeter dan heat transfer perimeter
terletak pada diameter dalam (Di) annulus. Hal ini disebabkan adanya friksi
fluida dengan permukaan dalam annulus; namun hal ini bukanlah
permasalahan heat transfer perimeter sebab perpindahan kalor hanya terjadi
di dinding inner tube.
Net free-flow area annulus :
Ac=π .(Di1
2−do2)4
Untuk pressure drop, hydraulic diameter akan dipengaruhi oleh total
wetted perimeter :
D h= 4. AcPw
Sedangkan, equivalent diameter akan dipengaruhi oleh heat transfer
perimeter :
De= 4 . AcPh
Bilangan Reynold, bilangan Graetz, dan rasio d terhadap L akan
dapat diperoleh dengan mengetahui nilai hydraulic diameter. Sedangkan
equivalent diameter dapat digunakan untuk menghitung koefisien
perpindahan kalor dari bilangan Nusselt dan juga untuk mengetahui
bilangan Grasshof pada konveksi natural.
Untuk mengetahui nilai koefisien perpindahan kalor menyeluruh
perlu diperhitungkan kedua sisi fluida, baik di inner tube maupun annulus.
Kecepatan fluida dalam tube dan annulus :
Um= m hρ h . Ac
Dengan mengetahui kecepatan fluida tersebut, akan didapatkan
nilai bilangan Reynold fluida, yang merupakan fungsi dari :
ℜh= 4 . m hπ . μ .di
Bilangan Reynold akan menentukan apakah aliran fluida tergolong
aliran laminar atau turbulen. Semakin turbulen suatu aliran fluida maka
akan semakin besar pula perpindahan kalor yang terjadi. Dengan
mengetahui jenis aliran fluida, maka akan dapat diperoleh bilangan
Nusselt melalui persamaan berikut :
Nu=( f2 ) . (ℜb ) .Prb
1+¿¿
Dimana f merupakan konstanta yang diperoleh dari :
f =¿¿
Koefisien perpindahan kalor (h) terkait nilai bilangan Nusselt,
konduktivitas thermal, dan juga laluan fluida tersebut.
h i=Nu. k c
di
Perhitungan kedua sisi fluida, baik fluida panas maupun fluida
dingin, akan dapat diperoleh koefisien perpindahan kalor menyeluruh (U)
untuk permukaan bersih :
1U c
=do
d i . hi
+do . ln (
d0
d i
)
2k+ 1
ho
Sedangkan dalam kondisi real akan melibatkan nilai ‘pengotor’
dari masing-masing fluida yang digunakan :
1U f
=d o
d i . hi
+do . R fi
d i
+do . ln (
d0
d i
)
2k+Rfo+
1ho
Akhirnya, seluruh perhitungan perpindahan kalor di heat
exchanger digunakan
Q=U f . Ao . ∆ T m
V. PROSEDUR KERJA
Memastikan semua alat dalam kondisi bersih dan tersambung
dengan sumber listrik.
Sebuah bak penampungan berfungsi sebagai sumber fluida dingin,
mengisinya dengan air sampai batas tertentu.
Mengisi air pada alat pemanas.
Mengatur arah selang keluar dan masuk agar menjadi counter-
current.
Melakukan kalibrasi terhadap laju alir fluida dingin dan panas,
dengan cara mengukur volume fluida yang dialirkan dalam pipa per
satuan waktu sebanyak tiga pengambilan data, dengan kecepatan laju
alirnya (Q) 120,150,180,210,dan 250 kg/l
Menekan tombol On dan mengatur suhunya 40-550C dan
menghidupkan pemanasnya serta menyalakan compressor.
Mengatur aliran 120 kg/l dan bila lampu pada alat sudah berkedip-
kedip maka dimana suhu yang distel 400C sudah konstan dan
menunggunya sampai 5 menit.
Melakukan pembacaan tiap suhu panas dan dingin yang masuk dan
keluar.
Pengambilan data dilakukan sebanyak 3 kali.
Lalu begitu juga pada suhu 500C dan 550C dengan kecepatan (Q)
120,150,180,210,dan 250 kg/l dan pengambilan data sebanyak 3 kali.
Jika suhu fluida dingin bertambah maka kompressor harus ditingkatkan
untuk mendinginkan fluida dingin tersebut dan mematikannya.
VI. DATA PENGAMATAN
Q (kg/L)
Volume
waktu (s)
DATAT1 C T2 C t1 C t2 C
ml LPanas Dingin
120110 0.11 4.79 I 40 38 32 34130 0.13 4.52 II 48 44.5 33.1 37.295 0.095 2.85 III 56 51 35.1 40.7
150115 0.115 2.07 I 41 39 32 3396 0.096 2.3 II 48 44.4 33.4 36.1109 0.109 2.96 III 55.8 51 35.5 40.6
180125 0.125 2.85 I 40 38 32 33130 0.13 2.41 II 48 44.2 34.2 36.592 0.092 1.29 III 55.8 50.08 36.3 40.2
210113 0.113 2.5 I 40 38 33 33.5139 0.139 2.41 II 48 44.5 35 3798 0.098 1.18 III 55.8 49.6 37.1 40.2
250112 0.112 1.96 I 40 38.5 33.2 34110 0.11 1.07 II 48.2 44.2 35.1 37.149 0.049 0.96 III 55.3 49 37.8 40.2
VII. PERHITUNGANA. Menghitung Qactual
Qactual=volumewaktu
¿ 0,11 L4,79 s
¿0,02296 L/ s
Data selanjutnya terdapat dalam table perhitungan
B. Menghitung Qrata-rata (L/s)
Qrata−rata=ΣQactual
n
¿(0,02296+0,02876+0,03333 ) L/s
3
¿0,02835 L/s
Data selanjutnya terdapat dalam table perhitungan
C. Konversi dari laju alir volum ke laju alir massa fluida panas dan dingin
(lb/jam)
W rata−rata=0,02835Ls
×998,2 g
L×
1 lb453,59 g
×3600 s
jam
¿224,62347 lb / jam
Data selanjutnya terdapat dalam table perhitungan
D. Konversi temperature fluida panas dan dingin (OC ke OF)
T 1 ,℉=95
× T1 ,℃+32
¿ 95
× 40℃+32
¿104oF
t 1 ,℉=95
× t1 ,℃+32
¿ 95
× 38℃+32
¿89,6oF
Data selanjutnya terdapat dalam table perhitungan
E. Menghitung temperature rata-rata fluida panas dan dingin
T av=T 1+T2
2
¿(104+100.4 )℉
2
¿102,2℉
t av=t 1+t2
2
¿(89.6+93,2 )℉
2
¿91,4℉
Data selanjutnya terdapat dalam table perhitungan
F. Menghitung beda suhu fluida panas keluar dan fluida dingin masuk
∆ T 1=T 2−t 1
¿ (100.4−89.6 )℉
¿6℉
Data selanjutnya terdapat dalam table perhitungan
G. Menghitung beda suhu fluida panas masuk dan fluida dingin keluar
∆ T 2=T 1−t 2
¿ (104−91,4 )℉
¿6℉
Data selanjutnya terdapat dalam table perhitungan
H. Menghitung beda suhu rata-rata logaritma (LMTD)
LMTD=∆T 1−∆ T2
ln∆ T1
∆ T2
¿(6−6 )℉
ln6℉6℉
¿10,6667℉
Data selanjutnya terdapat dalam table perhitungan
I. Menentukan nilai viskositas pada temperature fluida panas dan dingin.
Berdasarkan dari Fig. 4 dalam buku Process Heat Transfer by DQ.
Kern
J. Konversi nilai viskositas pada temperature fluida panas dan dingin (cP
ke lb/ft.hr)
μ=0,7 cP ×0,000672lb
ft . s×
3600 shr
¿1,694 lb / ft . hr
Data selanjutnya terdapat dalam table perhitungan
K. Menghitung konduktifitas panas
Berdasarkan data dari Tabel 4 Thermal Conductivity of Liquids dalam
buku Process Heat Transfer by DQ. Kern maka dibuat grafik.
0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4 0.410
20406080
100120140160180200
f(x) = 2121.75063805652 x − 668.591171188202R² = 0.999933123830873
Grafik hubungan k vs T (air)
Series2Linear (Series2)
k (Btu/hr.ft2.(oF/ft))
T (o
F)
Diperoleh persamaan :
y = 2121.x - 668.5 dimana y=(T,t)av dan x=k
(T,t)av = 2121.k-668,5
Maka,
Untuk fluida panas:
k=Tav +668,52121
¿ 102,2+668,52121
¿0,36337 Btu/hr ∙ ft2 ¿¿
Untuk fluida dingin
k= tav+668,52121
¿ 91,4+668,52121
¿0,35827 Btu/hr ∙ ft2 ¿¿
Data selanjutnya terdapat dalam table perhitungan
L. Menentukan Kapasitas Panas Fluida Panas dan Dingin
Cp dapat ditentukan melalui Fig. 2 Specific Heat of Liquids dari buku
Process Heat Transfer by DQ. Kern dengan menggunakan suhu rata-
rata dari masing-masing fluida
Data selanjutnya terdapat dalam table perhitungan
M. Menghitung heat balance
Untuk fuida dingin
q=w rata−rata ×Cp × (t 2−t 1 )
¿224,62347lb
jam× 1
Btulbm .℉
× (93,2−89,6 )℉
¿816,731 Btu / jam
Karena diasumsikan q dingin=q panas maka,
Untuk fluida panas
W = qCp × (T 1−T 2 )
¿816,731
Btujam
1,035 Btu /lb .℉ × (104−100.4 )℉
¿219.198 lb / jam
Data selanjutnya terdapat dalam table perhitungan
N. ANNULUS
Untuk menentukan diameter dalam dan luar untuk masing-masing pipa
digunakan tabel 11 Dimensions of Steel Pipe dari buku Process Heat
Transfer by D.Q. Kern
Data selanjutnya terdapat dalam table perhitungan
1) Menghitung luas penampang
Aa=π × ( Di2−do2)
4
¿3,14 × ( (0,087417 ft )2− (0,07 ft )2 )
4
¿0,002152 ft2
2) Menghitung diameter ekivalen
De= Di2−do2
do
¿(0,087417 ft )2− (0,07 ft )2
0,07 ft
¿0,039167 ft
3) Menghitung kecepatan massa
Ga=w rata−rata
Aa
¿224,623467
lbjam
0,002152 ft2
¿104369 lb /( jam)( ft2)
Data selanjutnya terdapat dalam table perhitungan
4) Menghitung bilangan Reynold
ℜa=De× Ga
μ
¿0,039167 ft × 104369lb
jam¿¿¿¿¿
¿2413.09
Data selanjutnya terdapat dalam table perhitungan
5) Penentuan nilai Jh
Nilai Jh diperoleh dari Fig. 24. Tube-Side bent-transfer curve dalam
buku Process Heat Transfer by D.Q. Kern berdasarkan dari bilangan
reynold masing- masing dari fluida
Data selanjutnya terdapat dalam table perhitungan
VIII. PEMBAHASAN
100 120 140 160 180 200 220 240 2600
100
200
300
400
500
600f(x) = 2.47882245160723 x − 36.42787806771R² = 0.943751330000493
Grafik Hubungan W dan Q pembacaan
Series2Linear (Series2)
W (lb/jam)
Q p
emba
caan
(kg/
L)
IX. KESIMPULAN
Prinsip kerja dari double-pipe HE yaitu menukarkan panas antara
fluida panas dan fluida dingin berdasarkan beda suhu yang terjadi
pada saat terjadi kontak diantara pipa besar dan pipa kecil.
T1 F T2 F Tav t1 F t2 F tav∆T2 (F)
∆T1 (F)
LMTD
PanasPanas
DinginDingin
104 100.4 102.2 89.6 93.2 91.4 6 6 10.66667118.4 112.1 115.25 91.58 98.96 95.27 10.8 11.4 19.97513132.8 123.8 128.3 95.18 105.26 100.22 15.3 15.9 28.07654105.8 102.2 104 89.6 91.4 90.5 8 7 13.47998118.4 111.92 115.16 92.12 96.98 94.55 11.9 11 20.59938
132.44 123.8 128.12 95.9 105.08 100.49 15.2 15.5 27.62912104 100.4 102.2 89.6 91.4 90.5 7 6 11.67689
118.4 111.56 114.98 93.56 97.7 95.63 11.5 10 19.31856132.44 122.14 127.292 97.34 104.36 100.85 15.6 13.78 26.40814
Nilai LMTD
4104 100.4 102.2 91.4 92.3 91.85 6.5 5 10.29104
118.4 112.1 115.25 95 98.6 96.8 11 9.5 18.41703132.44 121.28 126.86 98.78 104.36 101.57 15.6 12.5 25.18707
104 101.3 102.65 91.76 93.2 92.48 6 5.3 10.15698118.76 111.56 115.16 95.18 98.78 96.98 11.1 9.1 18.12044131.54 120.2 125.87 100.04 104.36 102.2 15.1 11.2 23.49547
Semakin tinggi beda suhu, maka semakin tinggi pula nilai LMTDnya.
Koefisien Perpindahan Panas
Koefisien perpindahan panas pada saat bersih (Uc)
T1 F T2 F t1 F t2 F Uc (Btu/jam.ft3.oF)
Panas Dingin
104 100.4 89.6 93.2 104.2953118.4 112.1 91.58 98.96 104.601132.8 123.8 95.18 105.26 104.401105.8 102.2 89.6 91.4 110.2457118.4 111.92 92.12 96.98 124.082
132.44 123.8 95.9 105.08 123.2085104 100.4 89.6 91.4 136.4955
118.4 111.56 93.56 97.7 139.8395132.44 122.144 97.34 104.36 146.6769
104 100.4 91.4 92.3 142.786118.4 112.1 95 98.6 142.9296
132.44 121.28 98.78 104.36 180.4723104 101.3 91.76 93.2 169.0041
118.76 111.56 95.18 98.78 187.32
131.54 120.2 100.04 104.36 203.9564
Koefisien perpindahan panas actual (Ud)
Koefisien
perpindahan
panas secara
teori/pada saat
bersih (Uc)
lebih besar
daripada
koefisien perpindahan panas secara actual (Ud)
Faktor pengotor yang diperoleh yaitu 0,003159, dimana Rd dari double
pipe HE telah mencapai batas maksimal dari factor pengotor secara
industry (0,003).
X. SARAN
Untuk menara pendingin, sebaiknya digunakan es batu yang diatur
sedemikian rupa agar temperatur fluida dingin yang keluar kembali
menjadi suhu ruang karena udara dari kompressor tidak cukup, shingga
tidak menggangu beda suhu yang dihasilkan.
T1 F T2 F t1 F t2 FUd (Btu/jam.ft3.oF)
Panas Dingin 104 100.4 89.6 93.2 70.72233
118.4 112.1 91.58 98.96 77.8026132.8 123.8 95.18 105.26 75.97638105.8 102.2 89.6 91.4 44.12013118.4 111.92 92.12 96.98 78.26219
132.44 123.8 95.9 105.08 110.8684104 100.4 89.6 91.4 64.22467
118.4 111.56 93.56 97.7 89.63931132.44 122.144 97.34 104.36 111.8496
104 100.4 91.4 92.3 40.05801118.4 112.1 95 98.6 90.06608
132.44 121.28 98.78 104.36 102.581104 101.3 91.76 93.2 65.06734
118.76 111.56 95.18 98.78 91.54025131.54 120.2 100.04 104.36 85.05195
XI. DAFTAR PUSTAKA
Kern, DQ. 1965. Process Heat Transfer. Singapore : Mc. Graw Hill
International Editions.
Holman, J.P. 1986. Heat Transfer Sixth Editions. Singapore : Mc.
Graw Hill Book Co.
Welty, dkk. 1807. Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass
Transfer 5th Edition. United Stated of America : John Wiley &
Sons, Inc.
Petunjuk Praktikum Laboratorium Satuan Operasi I. Jurusan Teknik
Kimia : Politeknik Negeri Ujung Pandang
http://id.scribd.com/document_downloads/direct/30697438?
extension=pdf&ft=1365390299<=1365393909&user_id=72144
782&uahk=iTgIyUvN9iZwqeYhypB3DXV6nd8
http://id.scribd.com/document_downloads/direct/128229319?
extension=pdf&ft=1365391033<=1365394643&user_id=72144
782&uahk=poFJW7rG6VOBTcs928OHF+a2elc
Artono Koestoer, Raldi .”Perpindahan Kalor”. Salemba Teknika. Jakarta
2002
Holman, JP. Alih bahasa E.Jasifi. “Perpindahan Kalor”. Penerbit
Erlangga.Jakarta.1995
MC. Cabe, W.L, Smith, JC, Harriot, P, “ Unit Operation of Chemical
Enginering”, 4th ed, Mc.Graw-Hill, New York, 1985, Chapter 11,
12, 15
Kern, DQ, “Process Heat Transfer”, Mc.Graw-Hill, New York, 1965
Kays,W.M. and London, A.L, “Compact Heat Exchanger”, 2 nd Edition
McGraw-Hill, New York, 1964
Kern,D.Q. 1952.Process Heat Transfer.
http://www.brighthub.com/engineering/mechanical/articles/64548
.aspx
http://vedcadiklatki.blogspot.com/2010/08/penukar-panas-heat-
exchanger.html
http://www.beck-fk.blogspot.com/2012/05/ alat-heat-exchanger.html
http://tutorialkuliah.blogspot.com/2009/10/aliran-fluida-pada-heat
exchanger.html
http://www.scribd.com/doc/72839539/5/Jenis-%E2%80%93-jenis-
Heat-Exchanger
http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/18379/3/Chapter
%20I
http://www.usu.ac.id/id/files/artikel/shell_Tube
Buku Ajar perpindahan Panas Oleh Ratni Dewi, ST, MT
Artono Koestoer, Raldi .”Perpindahan Kalor”. Salemba Teknika.
Jakarta 2002
Holman, JP. Alih bahasa E.Jasifi. “Perpindahan Kalor”. Penerbit
Erlangga.Jakarta.1995
http://beck-fk.blogspot.com/2012/05/alat-heat-exchanger.html
http://bekompas.blogspot.com/2011/12/analisa-perpindahan-
panas-dan-tegangan.html
http://tutorialkuliah.blogspot.com/2009/10/aliran-fluida-pada-
heat exchanger.html