Laporan Praktikum Heat Exchanger

ABSTRAK Heat Exchanger adalah alat penukar kalor yang berfungsi untuk mengubah temperatur dan fasa

suatu jenis fluida. Proses tersebut terjadi dengan

memanfaatkan proses perpindahan kalor dari fluida bersuhu tinggi menuju fluida bersuhu rendah. Di dalam dunia industri peran dari heat

exchanger sangat

penting. Tujuan dari penulisan adalah mampu merancang shell and tube heat exchanger single phase, mengetahui mekanisme kerja dan mampu menganalisa performa heat exchanger dengan variabel laju alir fluida. Dalam suatu shell and tube heat exchanger terdapat tiga tahap perpindahan panas, yaitu konveksi sisi shell, konduksi pada dinding tube dan konveksi sisi tube. Langkah – langkah yang dilakukan dalam praktikum ini adalah Peralatan dipersiapkan dan saklar instalasi dinyalakan. Lalu, Thermokontrol diset 60oC. Kemudian, Atur debit awal fluida (dingin atau panas), Q 0= 400 L/jam. Tunggu selama 10 menit kemudian Data siap diambil dengan menekan tombol pada control panel thermokopel, yaitu tin cold tout cold, tin hot, dan tout hot. Naikan debit sebesar 50 L/jam lalu ulangi langkah diatas hingga sampai batas debit tertentu. Setelah selesai, thermokontrol, pompa fluida dingin dan panas, serta saklar dimatikan. Katup K-1 dibuka. Hasil yang didapat adalah semakin besar nilai Reynold number, maka akan semakin besar juga nilai convection heat transfer coeffcientnya. Semakin besar nilai Reynold number, maka semakin besar juga kalor aktual yang terjadi. Semakin besar nilai Reynold number, maka semakin besar juga nilai perbedaan tekanannya (pressure dropnya). Semakin besar nilai perbandingan antara Cmin dan Cmax (Cr), maka semakin kecil efektifitas heat exchanger. Heat exchanger dengan tipe aliran counter memiliki kalor aktual yang lebih besar dari pada heat exchanger dengan aliran paralel.

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Definisi paling sederhana dan umum dari perpindahan panas adalah perpindahan energi sebagai akibat dari perbedaan temperatur. Proses perpindahan panas ini terjadi dengan berbagai cara. Jika ada perbedaan temperatur di dalam media diam (cair atau padat) digunakan istilah konduksi untuk menunjukkan perpindahan panas yang terjadi melintasi media. Istilah konveksi untuk menunjukkan perpindahan panas yang terjadi antara permukaan dan fluida yang bergerak ketika berada pada perbedaan temperatur. Istilah radiasi untuk menunjukkan perpindahan panas yang terjadi akibat suatu permukaan pada temperatur tertentu yang memancarkan energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Oleh karena itu tanpa adanya media akan terjadi perpindahan panas secara radiasi antara dua permukaan yang berada pada perbedaan temperatur. Alat penukar panas (Heat Exchanger) merupakan salah satu alat penunjang produksi yang berfungsi untuk melaksanakan perpindahan energi panas dari suatu aliran fluida ke aliran fluida yang lain. Jenis dan ukuran dari alat penukar panas ini sangat banyak, tergantung dari kebutuhan yang ditentukan oleh pemakai. Salah satu jenis peralatan ini adalah jenis cangkang dan tabung (shell and tube), dimana aliran fluida mengalir di dalam tabung dan fluida lain dialirkan melalui selongsong melintasi luar tabung. Hal ini akan menyebabkan terjadinya perpindahan panas dari aliran fluida yang bertemperatur lebih tinggi menuju ke fluida lain yang bertemperatur lebih rendah. Untuk mendapatkan perpindahan panas yang lebih besar maka di dalam selongsong dipasang sekat-sekat (baffles). Untuk mengetahui karakteristik sebenarnya suatu alat penukar panas, perlu dilakukan suatu

uji coba peralatan dengan jalan memodelkan pada kondisi

operasional yang sebenarnya. Pada saat fluida mengalir di dalam tabung maka akan terjadi penurunan tekanan akibat adanya kerugian gesek yang terjadi

sepanjang tabung yang mengakibatkan bertambahnya biaya pemompaan fluida, demikian juga aliran fluida dalam selongsong. 1.2. Rumusan Masalah Rumusan masalah dalam praktikum ini adalah: 1.

Apa saja fenomena fisik pada heat exchanger?

2.

Bagaimana karakteristik sesungguhnya alat penukar panas?

1.3. Tujuan Percobaan Tujuan dari percobaan alat penukar panas ini adalah mengetahui karakteristik suatu alat penukar panas pada kondisi sebenarnya. Dengan mengetahui koefisien perpindahan panas keseluruhan, maka besarnya perpindahan panas diantara dua jenis fluida berbeda temperatur dapat dicari. Tujuan di atas dapat dirinci menjadi: 1.

Memahami fenomena fisik heat exchanger.

2.

Mengetahui karakteristik sesungguhnya alat penukar panas.

1.4. Batasan Masalah Batasan masalah dalam praktikum ini adalah: 1.

Harga U konstan untuk seluruh panjang pipa. Hal ini dikarenakan nilai diameter pipa tetap sehingga nilai A (luas) tetap dan material pipa uniform, membuat nilai R tidak berubah. Sehingga, besar U tidak berubah.

2.

Pertukaran panas hanya terjadi antara 2 fluida saja, mengabaikan pemisah fluida panas dan dingin karena dianggap tipis.

3.

Kondisi tunak, yaitu properties specimen di semua titik tidak berubah terhadap waktu.

4.

Perbedaan energi potensial dan kinetik diabaikan. Hal ini dikarenakan tidak ada perbedaan ketinggian antara inlet dan outlet dan karena besar luas permukaan pipa (A) dan besar debit (Q) konstan, maka kecepatannya juga konstan.

5.

Radiasi diabaikan, yaitu perpindahan panas secara radiasi pada permukaan specimen sangat kecil karena konstanta boltzmann bernilai 1,38.10 pangkat -23 J/K, sehingga dapat diabaikan dan besarnya q radiasi jika dibandingkan dengan q konveksi antara dua fluida bernilai sangat kecil

6.

No fouling factor, yaitu keberadaan pengotor dalam sistem perpipaan diabaikan karena dapat mempengaruhi nilai heat transfernya.

7.

Incompresible flow, yaitu fluida kerja memiliki mach number kurang dari 0.3 dan variasi densitas sangat kecil sehingga dapat diabaikan.

8.

Fully developed flow, yaitu profil kecepatan fluida tetap karena telah bertemunya 2 boundary layer (boundary layer atas dan bawah).

1.5. Sistematika laporan Sistematika laporan dari praktikum perpindaha panas konduksi ini dimulai dari abstrak, bab I, bab II, dan bab III Abstrak terdiri dari garis besar tujuan, langkah percobaan, dan hasil yang diharapkan dari praktikum ini. Bab I terdiri dari latar belakang, tujuan percobaan, rumusan masalah, batasan masalah, dan sistematika laporan. Bab II terdiri dari dasar teori yang mendukung dari materi praktikum ini, diantaranyapersamaan-persamaan yang adapadapraktikum heat exchanger. Bab III terdiri dari flowchart percobaan, peralatanpercobaan,instalasialat, dan langkah-langkah pecobaan Bab IV terdiri dari lembar data, flowchart perhitungan,contohperhitungan dan pembahasanpraktikumheat exchangerini. Bab V terdiri kesimpulan dan saran yang dapatdiambilsetelah praktikum heat exchanger ini dilaksanakan

BAB II DASAR TEORI 2.1. Tipe Alat Penukar Panas Berdasarkan arah aliran relatif kedua fluida ada empat macam penukar panas: a.

Pada susunan aliran searah (paralel flow), fluida panas dan dingin masuk pada ujung yang sama, mengalir dengan arah yang sama dan berakhir pada ujung yang sama pula.

b.

Pada susunan aliran yang berlawanan (counter flow), fluida panas dan dingin masuk pada ujung yang berlawanan, mengalir secara berlawanan arah dan berakhir pada ujung yang berlawanan arah pula.

c.

Alternatif yang lain adalah aliran melintang atau tegak lurus (cross flow) yang terbagi atas 2 kondisi, kedua fluida tak bercampur (unmixed) dan salah satu dari fluida bercampur tapi yang lainnya tidak bercampur.

d.

Susunan dengan aliran gabungan dua atau tiga pola aliran di atas. Berdasarkan tipe alat penukar panas ada beberapa macam antara lain

concentric tube heat exchanger, shell and tube heat exchanger. 2.2. Shell and tube heat exchanger Pada peralatan ini proses perpindahan panas terjadi antara fluida yang mengalir dalam tube(tabung) dengan fluida shell (selongsong) yang mengalir di luar tabung. Aliran fluida shell yang berolak akan memberikan koefisien perpindahan panas yang tinggi. Untuk memperoleh efek olakan pada aliran fluida tersebut dipasang baffles (sekat-sekat). Di samping itu baffle juga digunakan untuk mengarahkan aliran dalam fluida di shell dan mengikat / mendukung tube bundle. 2.2.1. Kodifikasi Shell and Tube Heat Exchanger Berdasarkan TEMA (Tubular Exchanger Manufacturing Association), shell and tube heat exchanger dikodekan dengan 3 huruf dimana masing-masing

huruf menunjukkan tipe front end stationary head, bentuk dan laluan di shell, dan tipe rear end head. (lihat lampiran).

Gambar 2.1 Bagian-bagian Shell and Tube Heat Exchanger tipe AES a. Fixed Tube Sheet Heat Exchanger Fixed Tubesheet Heat Exchanger tersusun atas shell dan tubesheet yang menyatu (tidak dapat dipisah). Hal ini mencegah kebocoran fluida yang mengalir di shell. Fluida yang mengalir di shell adalah fluida yang tidak menyebabkan fouling karena jenis ini tidak didesain untuk dilakukan pembersihan di sisi shell.

Gambar 2.2. Fixed tube sheet heat exchanger

b. U Tube Bundle Heat Exchanger Jenis ini hanya mempunyai satu stationary tubesheet dan rear-nya berbentuk U. Tube bundle dapat dikeluarkan dari shell sehingga dapat dilakukan pembersihan secara mekanis. Jumlah laluan di sisi tube harus genap.

Gambar2.3. U tube bundle heat exchanger c. Outside Packed Heat Exchanger Terdapat packing untuk mencegah kebocoran fluida sisi shell. Ada kalanya fluida mengalami kebocoran sehingga tipe ini tidak boleh digunakan untuk fluida di sisi shell yang bertekanan tinggi, mudah terbakar, dan beracun.

Gambar 2.4. Outside packed heat exchanger d. Internal Floating Heat Exchanger Ciri-ciri dari tipe ini adalah adanyafloating tubesheet yaitu tubesheet yang terpisah dari shell maupun channel. Konstruksi seperti ini dapat mengakomodasi adanya axial expansion di tube bundle akibat perbedaan temperatur yang besar antara kedua fluida. Memungkinkan tube bundle dapat dikeluarkan dari shell untuk dilakukan pembersihan secara mechanical maupun chemical. Tube bundle juga dapat diganti dengan yang baru apabila terjadi kebocoran.



Pull through floating head

Tube bundle dapat langsung dikeluarkan dari shell dengan mudah yaitu dengan melepas baut di channel dan menariknya keluar.

Gambar 2.5. Pull through floating head



Floating head with backing device Seperti pada gambar 3.1, floating head dijepit antara backing device dan

tubesheet cover. Disebut juga non-pull through floating head karena tube bundle tidak dapat langsung dilepas dari shell. Untuk melepas tube bundle, shell cover dan tubesheet cover harus dilepas terlebih dahulu.



Externally sealed floating tubesheet Memiliki dua stuffing box yang berhadapan. Juga memiliki lantern ring di

antara packing untuk lubrikasi. Kelebihannya adalah murah dan dapat diproduksi secara massal. Kekurangannya adalah kemungkinan terjadi kebocoran kedua fluida ke atmosphere atau dari satu fluida ke fluida yang lain.

Gambar 2.6. Externally sealed floating head 2.2.2. Jenis-Jenis Baffles a.

Segmental baffle Segmental baffle dibentuk dengan cara memotong baffle dari bentuk

lingkaran, potongan baffle mempunyai ukuran antara 15% s/d 40% (biasanya 25%) dari ukuran lingkaran penuh. Baffle ini banyak digunakan dan dianggap

sebagai baffle standar karena mempunyai efisiensi perpindahan panas yang tinggi.

Gambar 2.7. Segmental Bafle. b.

Strip baffle Bentuk ini juga dapat disebut double segmental, karena terdapat dua

potongan pada lingkaran penuh bafflebesar potongan antara 20%-30% untuk satu sisi lingkaran.

Gambar 2.8. Strip Baffle. c. Disc and Doughnut Baffle Desain dari bentuk ini terdiri dari baffle berbentuk disc dan doughnut. Diameter bentuk disc lebih besar dari diameter lubang doughnut, pada baffle jenis ini dipakai tie rod untuk menyangga baffle. Tie rod ini sebagian terletak pada susunan tabung sehingga mempengaruhi jumlah efektif tabung dalam berkas / susunan tabung.

Gambar 2.9. Disc and Doughnut Baffle. d.

Orifice Baffle Baffle jenis ini terdiri dari disc dengan lubang-lubang yang mempunyai

ukuran lebih besar dari diameter tabung. Aliran fluida mengalir melalui annular orifice dan menimbulkan pengaruh olakan pada fluida. Desain dari baffle ini jarang dipakai karena efisiensi yang rendah.

Gambar 2.10. Orifice Baffle. e.

Rod Baffle Baffle jenis ini lebih berfungsi sebagai sirip daripada pengarah aliran. Rod

Baffle Heat Exchanger dikembangkan oleh Phillip. Heat Exchanger ini getarannya lebih kecil.

Gambar 2.11 Rod Baffle Heat Exchanger and Support. (a) Schematic, (b) Details, (c) Cage Assembly, (d) Tube and Support Rod Layout.

2.3. Analisa Penukar Panas 2.3.1. Metode Beda Temperatur Rata – Rata Logaritmik ( LMTD ). Metode yang sering digunakan untuk perancangan dan perhitungan unjukkerja peralatan penukar panas q = U.A.ΔT LM Harga ΔT LM dapat ditentukan dengan mengetahui harga suhu masuk dan suhu keluar kedua fluida, sehingga persamaan di atas menjadi:

q = U.A.

T 1  T 2  T 1  ln    T 2 

dimana: q = heat transfer (W) : U = Overall heat transfer, coefisien (kJ/s.m 2 K) A = luas bidang perpindahan panas (m 2)

Gambar 2.12 Distribusi Temperatur pada aliran penukar panas counter

Gambar 2.13 Distribusi temperatur pada penukar panas aliran parallel Untuk mendapatkan harga ΔT LM diperlukan asumsi: 

Harga U konstan untuk seluruh panjang pipa



Konduksi hanya berlangsung satu dimensi ke arah radial pipa



Pertukaran panas hanya terjadi antara kedua fluida saja



Kondisi tunak



Perbedaan energi potensial dan kinetik diabaikan

Untukpenukar panas aliranparalelberlaku: ΔT1 ΔT2

= Th,1- Tc1

= Th,i – Tc,i

= Th,2- Tc2

= Th,o – Tc,o

2.3.2. Metode Number of Transfer Unit ( NTU ). Metode ini lebih efektif, jika dipakai untuk mengetahui unjuk kerja dari penukar kalor yang sudah jadi. Untuk mendefinisikan unjuk kerja dari penukar kalor terlebih duhulu harus diketahui laju perpindahan panas maksimum yang dimungkinkan oleh penukar kalor tersebut (qmaks) Jika C c < Ch, maka qmaks = Cc ( Th,i - Tc,i ) Jika C c> Ch maka qmaks = Ch ( Th,i - Tc,i ) Sedangkan effectiveness (e) adalah perbandingan antara laju perpindahan panas heat exchanger dengan laju perpindahan maksimum yang dimungkinkan. q q maks

ε = Effectiveness merupakan bilangan tanpa dimensi dan berada dalam batas 0 <ε< 1. Untuk semua heat exchanger effectiveness dapat dinyatakan 

 NTU, ε = f



C min C maks

  

Number of Transfer unit (NTU) juga merupakan bilangan tanpa dimensi dan didefinisikan sebagai :

UA C min NTU = dimana Cmin diperoleh untuk nilai yang terkecil dari:

m c . cp c Cc = atau

m h . cp h Ch = Selanjutnya harga NTU dari berbagai jenis heat exchanger dapat dicari dari grafik/persamaan-persamaan yang tersedia dalam text books. 2.3.3. Penurunan Tekanan ( Pressure Drop ). a.

Sisi Pipa / tube Gesekan yang terjadi antara aliran fluida dan permukaan tabung akan

menimbulkan kerugian tekanan sepanjang aliran, besarnya kerugian tekanan pada aliran fluida laminer adalah: P 

32.L.V . D2

sedangkan besarnya major losses yang terjadi di dalam tabung pada aliran laminer adalah: 2  64  LV   Re  2 D

h1   b.

Sisi Selongsong / shell Akibat gesekan yang terjadi dalam selongsong akan menimbulkan

kerugian tekanan sepanjang aliran, besarnya kerugian tekanan pada aliran fliiida turbulen adalah:

P L e     Re, ,  2 D D V  Sedangkan besarnya major losses yang terjadi di dalam selongsong pada aliran turbulen adalah :

h1  f

LV 2 2D

dimana : f

= koeftsien gesek yang didapatkan dari diagram Moody

D

= diameter efektif selongsong

V

= kecepatan fluida dalam selongsong

BAB III METODOLOGI 3.1 PeralatanPercobaan Dalam praktikum ini terdapat peralatan penunjang dan alat ukur spesifikasi, peralatan tersebut diantaranya sebagai berikut : 1.

Pompa fluida dingin 

Tipe

: Centrifugal Pump



Merek

: LOWARA



Buatan

: China



Debit

: 30 L/min pada head total 11 m



Daya

: 125 Watt: 220 V: 1 phase

2.

Pompa fluida panas



Tipe

: Gear Pump



Merek

: Charlie



Buatan

: USA



Debit

: 20 L/min, 220 oC



Input

: 1400 rpm ; 0.25 Hp

3.

Motor



Merek Motor

: Shark



Buatan

: China



Putaran Motor

: 1400 rpm



Daya

: 180 Watt; 220 V; 1 phase

4.

Sistem pemanas ( heating and termocontrol ) Sistem pemanas berfungsi untuk mengatur temperatur kerja terdiri dari elemen

pemanas, themocontrol dan thermocouple.

a. Thermocontrol  

Jenis Merek

: PXR4TAY1 : Fuji



Buatan

: Japan



Preservation Temperature

: -20 to 60 oC



Time Akurasi

: ± 0.5%



Mounting Position

: Horizontal



Control Output

: AC 250 V: 3A: 1C Power Voltage

: 100(-15%) to 240V

(+10%) 50/60 Hz, 24V(±10%) AC/DC 

Sensor input tipe

: K (CA) type, J (IC) type, PT 100

b. Thermocouple 

Tipe

: K type



Merek

: Fluke



Buatan

: USA



Range

: 0 s/d 400 oC



Akurasi

: 2% of full scale

c. Heating Element 

Daya

: 1000 Watt, 240 V AC, 1 Phase



Merek

: Lasco



Buatan

: USA



Mounting

: 4 x M10 (Plate Mounting)

5.

Alat ukur debit aliran fluida ( Flowmeter ) a.

Fluida panas



Merek

: Omega



Buatan

: USA



Flow Range

: 0.02 s/d 300 GPM



Fluida

: Incompressible / compressible



Operating Pressure

: - Alumunium and Brass ( up to 3500 PSI ) : - Stainless Steel (up to 6000

PSI) 

Operating Temperatur

b.

Fluida dingin

6.

: 240 oF maksimum



Jenis

: PT 11



Merek

: Techfluid



Buatan

: Spain



Aplication Range

: 4 – 40 l/h water



Connector

: PVC



Operating Temperatur

: 60 oC maksimum

Alat ukur temperatur (termocouple and digital termometer) Pengukuran temperatur pada masing-masing masukan dan keluaran alat uji baik fluida dingin dan fluida panas menggunakan thermocouple yang sama, thermocouple dihubungkan dcngan digital thermometer sehingga pembacaan temperatur dapat dilihat secara langsung pada display. a.

Thermocouple



Tipe

: K type



Merek

: Fluke



Buatan

: USA



Range

: 0 s/d 400 oC



Akurasi

: 2% of full scale

b. Digital Termometer 

Tipe

: K type



Merek

: Digital Termometer



Buatan

: Taiwan



Range

: 0/0.1



Akurasi

: ± 2 untuk -50 s/d 0 ± ( 0.3 % s/d ±1 ) untuk 0 s/d 1000

7.

Alat ukur tekanan Alat ukur ini terdiri dari 2 jenis yaitu untuk mengetahui besarnya penurunan tekanan pada fluida dingn atau fluida panas

a. Fluida Panas 

Pressure Gauge In



Merek

: Atlantis



Buatan

: France



Item

: SGN 60A (SS316)



Range

: 0 -10 kg/cm 2



Connection 

: 3/8 PT

Pressure Gauge Out



Merek

: Atlantis



Buatan

: France



Item

: SGN 60A (SS316)



Range

: 0 -1 kg/cm2



Connection

: 3/8 PT

b. Fluida Dingin 

Pressure Gauge in



Merek

: Wika



Buatan

: Germany



Range

: 0 -0.6 kg/cm2



Connection 

: 3/4 inch PVC

Pressure Gauge in



Merek

: Wika



Buatan

: Germany



Range

: 0 -1.0 kg/cm2



Connection

: 3/4 inch PVC

3.2 Instalasi Percobaan Percobaan menggunakan instalasi Heat Exchanger yang ada di Laboratorium Perpindahan Panas dan Massa Teknik Mesin ITS. Instalasi tersebut menggunakan thermal oil sebagai fluida pemanas dan air sebagai fluida pendingin; lebih jelasnya dapat dilihat pada skema sederhana instalasi sebagai berikut:

Gambar 4.1 Skema Sederhana Instalasi Heat Exchanger 3.3 Langkah-langkahPercobaan Untuk memudahkan penggunaan peralatan ini diperlukan prosedur percobaan yang baku guna mendapatkan data pengamatan yang akurat. Adapun tahapan tahapannya adalah : 1. Tahap set up peralatan.

a) Menyalakan saklar instalasi sehingga panel utama menunjukkan temperatur pada thermocontrol. b) Mengatur katup saluran fluida dingin untuk memilih type paralel atau counter flow.  Paralel flow Membuka katup K-4 ; K-6, menutup katup K-3 ; K-5  Counter flow Membuka katup K-3 ; K-5, menutup katup K-4 ; K-6, Posisi katup dapat dilihat pada gambar instalasidi atas. c) Mengecek kebocoran saluran fluida dingin dengan menghidupkan pompanya dan memastikan katup K-2 dalam keadaan terbuka, mengatur debit dengan mengatur katupnya sampai kondisi maksimum. d) Mematikan pompa fluida dingin dan memperbaiki bila masih terjadi kebocoran dan mengulangi prosedur. e) Memastikan katup K-1 keadaanterbuka. Melakukan prosedur c dan d untuk fluida panasnya dengan katup K-1 dan menjaga tekanan tangki ± 0.8 bar dan tinggi level control ± 3/4 ( Lihat gambar instalasi dan tangki ) f) Bila kedua saluran tidak terjadi kebocoran, kedua pompa dinyalakan secara simultan. g) Set thermocontrol sesuai yang dikehendaki (60 °C) h) Pengambilan data siap dilakukan bila sudah stabil. 2. Tahap pengambilan data. a) Debit fluida dingin diatur, untuk awal adalah 400 L/h dengan kenaikan 50 L/h. Data siap diambil dengan time hold 10 menit setelah prosedur a. Tombol controlpanel thermocouple Tekan tombol sesuai dengan tulisan yang ada pada selector dimana ada Tin Cold, Tout cold, Tin Hot, Tout Hot.

d) Bila diperlukan, perlakuan terhadap temperatur fluida panas dilakukan sesuai prosedur tahap 2. e) Bila telah selesai, matikan setting thermocontrol, pompa fluida dingin dan panas, saklar utama, buka katup K-1.

3.4. Flowchart Percobaan Flowchart percobaan untuk praktikum heat exchanger ini adalah:

Gambar 3.1. Flowchart percobaan BAB IV DATA DAN ANALISA PERCOBAAN

4.1. Lembar Data (Terlampir) 4.2. Flowchart Perhitungan 4.2.1. Flowchart Paralel Flow

Gambar 4.1. Flowchart perhitungan paralel flow

4.2.2. Flowchart Counter Flow

Gambar 4.2. Flowchart perhitungan counter flow

4.3. Contoh Perhitungan Data 1 Percobaan Counterflow Qcold

= 400 L/H

Qhot

= 8 LPM

Pcold in

= 0,08 kg/cm2

Pcold out

= 0,01 kg/cm2

Phot in

= 0,7 kg/cm2

Phot out

= 0,19 kg/cm2

Tcold in

= 27,4 0C

Tcold out

= 29,7 0C

Thot in

= 47,1 0C

Thot out

= 36,5 0C

1. T mc=

Tc , i+Tc , o ( 27,4 +29,7 ) ℃ = =28,55 ℃=306,8 K 2 2

Dari tabel A-6 buku Fundamentals of Heat and Mass Heat Transfer, Incopera. Dengan interpolasi didapat properties: Cp

= 4,17869 kJ/kg K

P

= 0,0389711 bar

µo

= 742,36 x 10-6 Ns/m2

k

= 622,88 x 10-3 W/mK

Pr

= 4,9912

T mh=

Th , i+Th , o ( 47,1+ 36,5 ) ℃ = =41,8 ℃=326,8 K 2 2

Dari tabel A-5 buku Fundamentals of Heat and Mass Heat Transfer, Incopera. Dengan interpolasi didapat properties: = 867, 72 kg/m3

ρ

Cp = 2,02156 kJ/kg K µ

= 10,1968 x 10-2 Ns/m2

k

= 141,64 x 10-3 W/m K

Pr

= 1448,2

T mf =

Tmc+Tmh ( 301,55+314,8 ) K = =316,8 K 2 2

Dari tabel A-1 buku Fundamentals of Heat and Mass Heat Transfer, Incopera. Dengan interpolasi didapat properties: k

= 401,32 W/m K

2.

m ´ c =Qcold x ρcold

Qcold =400

L 10−3 m3 1H m3 × × =1,11 ×10−4 H L 3600 s s

3 ´ c =1,11 ×10−4 m ×1000 kg3 =0,11 kg m s s m

m ´ h=Qhot x ρhot −3

Qhot =8

3

L 10 m 1 min m × × =1,33× 10−1 min L 60 s s

3

3 ´ c =1,33 ×10−1 m × 890 kg3 =0,04339 kg m s s m

3.

π A c= ¿ ¿ 4 π ¿ ¿¿ 4

¿ 6,683× 10−3 m2

❑

4.

P=π ( Dshellin ) +12 ( D tubeout )

❑

❑

¿ π ( 0,1022 m ) +12 ( 0,0127 m )

❑

¿ 0,7998 m❑

5.

D h=

−3 2 4 Ac 4 ( 6,683 ×10 m ) = =0,03342 m P 0,7998 m❑

6. Perhitungan Re; jika : Re > 2300 = aliran turbulent Re < 2300 = aliran laminer

Recold

¿

4m ´c πDh μ cold

(

4 0,11 ¿

kg s

)

π 0,03342 ( 742,96× 10−6 )

=5672,28033

5672,28033 > 2300 = Aliran Turbulent

Rehot

¿

4m ´h πDh μ hot

(

4 0,04339 ¿

kg s

)

π 0,03342 ( 10,1968 x 10−2 )

=4,79495

4,79495 > 2300 = Aliran Laminer 4

Nucold =0,026 ℜ 5 Pr n 4

¿ 0,026 ( 5672,28033 ) 5 (8,87664) ¿ 44,05711

Nuhot =

Dshellin 0,1022 m = =0,89 Dshellout❑ 0,1143 m

Dengan interpolaso, hal 520 buku Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Incopera diperolah: Nu=4,7654

7. H cold=

¿

Nu cold . K Dh

44,05711 ( 622,88 x 10−3 ) =821,0731718 0,03342

Dtube ∈¿ Nuhot . K H hot = ¿ ¿

8.

0,89 ( 141,64 x 10−3 ) =19,39656 0,00942

tube∈¿ D tubeout /D¿ ¿ ln ⁡¿ 1 Rtotal= 12 H cold( π D

tubeout

+¿ Lshell )

0,00942 0,0127/ ¿ ¿ ln ⁡¿ 1 ¿ +¿ 12 ×821,0731718 ( π × 0,0127 ×0,3 )

= 0,4962 k/w

9.

UA=

¿

1 Rtotal 1

0,4962

k w

=2,029

W K

10.

C c =m ´ c Cp c =0,11

C h =m ´ h Cp h=0,04339

kg kJ ( 4,17869 )=0,4615 s KS

kg kJ ( 2,02156 )=0,087707 s KS

11. Co< Ch  Cc = Cmin Ch< Cc Ch = Cmin Cmin = 0,087707 kJ/K S

12.

q´ act=C h ( T h , i−T h ,o ) ¿ 0,087707

kJ kJ ( 335,8−317,8 ) K=1,5787 KS s

q´ max=C h ( T h , i−T c, i ) ¿ 0,087707

kJ kJ ( 335,8−306,5 ) K=2,5698 KS s

W UA K 1 kJ NTU = = × =23,14188 C min❑ kJ 1000 J 0,87707 KS 2,029

13.

kJ q s ε = act = =0,614 14. qmax kJ 2,5698 s 1,5787

kJ C KS Cr= min = =0,19001 15. C max kJ 0,4615 KS 0,087707

16.

cold∈¿−Pcold out ∆ Pc =P¿ ¿ 0,02

kg kg kg −0,02 2 =0 2 2 cm cm cm

hot∈¿−Phot out ∆ Ph=P ¿ ¿1

kg kg kg −0,2 2 =0,8 2 2 cm cm cm

4.4. Pembahasan 4.4.1 Analisa aliran paralel flow 4.4.1.1 Analisa aliran Grafik h = f (Recold)

h cold=f(Re cold) h cold=f(Re cold) Linear (h cold=f(Re cold))

Gambar 4.3. Grafik h = f (Recold) paralel Pada grafik Qact = f(Re cold) di atas terlihat bahwa grafik memiliki nilai Re maksimum 12934.19 dengan nilai hcold1470.37 dan nilai Re minimum 6745.3 dengan nilai hcold 880.37. Grafik juga memiliki trendline yang naik, dimana nilai hc semakin besar seiring naiknya Reynold number.

Bila ditinjau dari perumusan, kita dapat mengunakan persamaanpersamaan berikut ini untuk menggambarkan grafik hc = f (Re cold) : 0.8

Nu=0.023 ℜ Pr Nu=

h Dh k f water

→ h=

0.3

.......(1)

Nu . k f water ........(2) Dh

Dari persamaan (1) terlihat bahwa semakin tinggi Re maka semakin tinggi pula nilai Nu. Kemudian dari persamaan (2), semakin tinggi nilai h maka semakin tinggi pula nilai Nu. Jika digabungkan maka dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi nilai Re maka semakin tinggi nilai h. Grafik hasil percobaan telah sesuai dengan teori yang ada, yaitu nilai h cold sebanding dengan nilai Re.

4.4.1.2 Analisa aliran Grafik qact = f (Recold)

q act=f(Re cold) q act=f(Re cold) Linear (q act=f(Re cold))

Gambar 4.4. qact = f (Recold) paralel Pada grafik Qact = f(Re cold) di atas memiliki nilai Re maksimum 12934.19 dengan nilai qact1.929 dan nilai Re minimum 6745.3 dengan nilai qact1.414. Terlihat bahwa grafik memiliki trendline yang relatif naik, dimana nilai Qact naik seiring naiknya Reynold number.

Bila ditinjau dari perumusan, kita dapat mengunakan persamaanpersamaan ini untuk menganalisa grafik Qact = f(Re cold) : ´ c C´ p ∆ t ....(1) q=m ℜ=

4 m´ c π Dh μ c ....(2)

Dari persamaan (1) terlihat bahwa semakin tinggi

m ´

maka semakin tinggi pula

´ maka semakin nilai q. Kemudian dari persamaan (2), semakin tinggi nilai m

tinggi pula nilai Re. Jika digabungkan maka dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi nilai Re maka semakin tinggi nilai q. Grafik di atas tidak menunjukkan hasil sesuai dengan teori yang ada. Kesalahan pada grafik percobaan terlihat pada penurunan nilai q walaupun nilai Re meningkat, dimana seharusnya nilai q tetap naik. Kesalahan ini terjadi dikarenakan kurang ketelitian praktikan dalam membaca temperatur, kurang ketelitian praktikan saat mengatur debit fluida dingin (air), kurang ketelitian alat, alat yang sudah berumur, dan adanya kotoran pada alat dan fluida. 4.4.1.3 Analisa Grafik Δpcold = f (Recold)

ΔP cold=f(Re cold) ΔP cold=f(Re cold) Linear (ΔP cold=f(Re cold))

Gambar 4.5. Grafik Δpcold = f (Recold) paralel

Grafik Δpcold = f (Recold) diatas memiliki nilai Re maksimum 12934.19 dengan nilai Δpcold 0.105 dan nilai Re minimum 6745.3 dengan nilai Δpcold 0.004. Terlihat bahwa grafik memiliki trendline yang naik, dimana nilai Δpcold semakin besar seiring naiknya Reynold number. Bila ditinjau dari perumusan, kita dapat mengunakan persamaanpersamaan ini untuk menggambarkaan grafik Δpcold = f (Recold) : ℜ=

P¿ +

ρvD μ

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

Vin2 Vout 2 + gz=Pout + + gz+ ∑ Hl 2 2 Δ p=

Vout 2−Vin2 + ∑ Hl 2

........(2)

..............(3)

Dari persamaan (1) terlihat bahwa semakin besar kecepatan (V) maka makin besar pula Reynold number. Dari persamaan (2) yaitu persamaan Bernoulli bisa dilihat bahwa besar

∆ p berbanding lurus dengan besarnya V. Maka, dapat

disimpulkan bahwa semakin besar Re, semakin besar juga ∆ p. Grafik di atas tidak menunjukkan hasil sesuai dengan teori yang ada. Kesalahan pada grafik percobaan terlihat pada penurunan nilai nilai Re meningkat, dimana seharusnya nilai

∆ p walaupun

∆ p tetap naik. Kesalahan ini

terjadi dikarenakan kurang ketelitian praktikan dalam membaca temperatur, kurang ketelitian praktikan saat mengatur debit fluida dingin(air), kurang ketelitian alat, alat yang sudah berumur, dan adanya kotoran pada alat dan fluida. 4.4.1.4 Analisa Grafik ε= f(NTU, Cr)

Grafik ε = f (NTU, Cr) Paralel Flow Cr=0.19063 Cr=0,16962 Cr=0,15252 Cr=0,13850 Cr=0,12697 Cr=0,11710 Cr=0,10869 Cr=0,10152

Gambar 4.6. Grafik ε= f(NTU, Cr) paralel Grafik ε= f(NTU, Cr)diatas memiliki nilai NTU maksimum 23.32 dengan nilai ε 0.840 dan nilai NTU minimum 23.09 dengan nilai ε 0.629. Terlihat bahwa grafik memiliki trendline yang naik. Bila ditinjau dari perumusan, kita dapat mengunakan persamaanpersamaan berikut ini untuk menggambarkan grafik ε= f(NTU, Cr): NTU =

UA C min ...(1)

Dari perhitungan, didapat Cmin=Chot, maka: Cr=

C min C hot = C max C cold ...(2)

Maka, Cr berbanding lurus dengan Cmin, yaitu Chot. NTU =

ε=

q qmaks

=

UA C hot ...(3)

Ccold (T c ,i−T c , o) Ccold (T c ,i −T c , o) 1(T c , i−T c, o) = = C min (T h ,i−T c ,i ) Chot (T h ,i −T c, i) Cr (T h , i−T c, i) ...(4)

Dari persamaan (4) terlihat bahwa

ε

berbanding terbalik dengan Cr, sehingga

untuk NTU yang konstan maka semakin besar Cr akan semakin kecil nilai ε Pada grafik ini terjadi kesalahan yaitu grafik tidak menunjukkan hasil sesuai dengan teori yang ada. Hal ini disebabkan antara lain kurang ketelitian praktikan dalam membaca temperatur, kurang ketelitian praktikan saat mengatur debit fluida dingin (air), kurang ketelitian alat, alat yang sudah berumur, dan adanya kotoran pada alat dan fluida. 4.4.2 Analisa aliran counter flow 4.4.2.1 Analisa aliran Grafik h = f (Recold)

hcold=f(Re cold) hcold=f(Re cold) Linear (hcold=f(Re cold))

Gambar 4.7. Grafik h = f (Recold) counter Pada grafik Qact = f(Re cold) di atas terlihat bahwa grafik memiliki nilai Re maksimum 12685.88 dengan nilai hcold 1457.67 dan nilai Re minimum 5672.28 dengan nilai hcold 821.07. Grafik juga memiliki trendline yang naik, dimana nilai hc semakin besar seiring naiknya Reynold number. Bila ditinjau dari perumusan, kita dapat mengunakan persamaanpersamaan berikut ini untuk menggambarkan grafik hc = f (Re cold) :

Nu=0.023 ℜ0.8 Pr 0.3 .......(1) Nu=

h Dh k f water

→ h=

Nu . k f water ........(2) Dh

Dari persamaan (1) terlihat bahwa semakin tinggi Re maka semakin tinggi pula nilai Nu. Kemudian dari persamaan (2), semakin tinggi nilai h maka semakin tinggi pula nilai Nu. Jika digabungkan maka dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi nilai Re maka semakin tinggi nilai h. Grafik hasil percobaan telah sesuai dengan teori yang ada, yaitu nilai h cold sebanding dengan nilai Re.

4.4.2.2 Analisa aliran Grafik qact = f (Recold)

q act=f(Re cold) q act=f(Re cold) Linear (q act=f(Re cold))

Gambar 4.8. qact = f (Recold) counter Pada grafik Qact = f(Re cold) di atas memiliki nilai Re maksimum 12685.88 dengan nilai qact 1.747 dan nilai Re minimum 5672.28 dengan nilai q act 1.579. Terlihat bahwa grafik memiliki trendline yang turun. Bila ditinjau dari perumusan, kita dapat mengunakan persamaanpersamaan ini untuk menganalisa grafik Qact = f(Re cold) : ´ c C´ p ∆ t ....(1) q=m

ℜ=

4 m´ c π Dh μ c ....(2)

Dari persamaan (1) terlihat bahwa semakin tinggi

m ´

maka semakin

´ maka tinggi pula nilai q. Kemudian dari persamaan (2), semakin tinggi nilai m

semakin tinggi pula nilai Re. Jika digabungkan maka dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi nilai Re maka semakin tinggi nilai q. Grafik di atas tidak menunjukkan hasil sesuai dengan teori yang ada. Kesalahan pada grafik percobaan terlihat pada penurunan nilai q walaupun nilai Re meningkat, dimana seharusnya nilai q tetap naik. Kesalahan ini terjadi dikarenakan kurang ketelitian praktikan dalam membaca temperatur, kurang ketelitian praktikan saat mengatur debit fluida dingin (air), kurang ketelitian alat, alat yang sudah berumur, dan adanya kotoran pada alat dan fluida. 4.4.2.3 Analisa Grafik Δpcold = f (Recold)

ΔP cold=f(Re cold) ΔP cold=f(Re cold) Linear (ΔP cold=f(Re cold))

Gambar 4.9. Grafik Δpcold = f (Recold) counter Grafik Δpcold = f (Recold) diatas memiliki nilai Re maksimum 12685.88 dengan nilai Δpcold 0.1 dan nilai Re minimum 5672.28 dengan nilai Δpcold 0.

Terlihat bahwa grafik memiliki trendline yang naik, dimana nilai Δpcold semakin besar seiring naiknya Reynold number. Bila ditinjau dari perumusan, kita dapat mengunakan persamaanpersamaan ini untuk menggambarkaan grafik Δpcold = f (Recold) : ℜ=

ρvD μ

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

2

P¿ +

2

Vin Vout + gz=Pout + + gz+ ∑ Hl 2 2 Δ p=

Vout 2−Vin2 + ∑ Hl 2

........(2)

..............(3)

Dari persamaan (1) terlihat bahwa semakin besar kecepatan (V) maka makin besar pula Reynold number. Dari persamaan (2) yaitu persamaan Bernoulli bisa dilihat bahwa besar

∆ p berbanding lurus dengan besarnya V. Maka, dapat

disimpulkan bahwa semakin besar Re, semakin besar juga ∆ p. Grafik di atas tidak menunjukkan hasil sesuai dengan teori yang ada. Kesalahan pada grafik percobaan terlihat pada penurunan nilai nilai Re meningkat, dimana seharusnya nilai

∆ p walaupun

∆ p tetap naik. Kesalahan ini

terjadi dikarenakan kurang ketelitian praktikan dalam membaca temperatur, kurang ketelitian praktikan saat mengatur debit fluida dingin(air), kurang ketelitian alat, alat yang sudah berumur, dan adanya kotoran pada alat dan fluida.

4.4.2.4 Analisa Grafik ε= f(NTU, Cr)

Grafik ε = f (NTU, Cr) Counter

Cr=0,19001 Cr=0,16896 Cr=0,15206 Cr=0,13833 Cr=0,12738 Cr=0,11748 Cr=0,10894 Cr=0,10159

Gambar 4.10. Grafik ε= f(NTU, Cr) counter Grafik ε= f(NTU, Cr)diatas memiliki nilai NTU maksimum 23.28 dengan nilai ε 0.74 dan nilai NTU minimum 23.14 dengan nilai ε 0.61. Terlihat bahwa grafik memiliki trendline yang naik. Bila ditinjau dari perumusan, kita dapat mengunakan persamaanpersamaan berikut ini untuk menggambarkan grafik ε= f(NTU, Cr): NTU =

UA C min ...(1)

Dari perhitungan, didapat Cmin=Chot, maka: Cr=

C min C hot = C max C cold ...(2)

Maka, Cr berbanding lurus dengan Cmin, yaitu Chot. NTU =

UA C hot ...(3)

ε=

q qmaks

=

Ccold (T c ,i−T c , o) Ccold (T c ,i −T c , o) 1(T c , i−T c, o) = = C min (T h ,i−T c ,i ) Chot (T h ,i −T c, i) Cr (T h , i−T c, i) ...(4)

Dari persamaan (4) terlihat bahwa

ε

berbanding terbalik dengan Cr,

sehingga untuk NTU yang konstan maka semakin besar Cr akan semakin kecil nilai ε Pada grafik ini terjadi kesalahan yaitu grafik tidak menunjukkan hasil sesuai dengan teori yang ada. Hal ini disebabkan antara lain kurang ketelitian praktikan dalam membaca temperatur, kurang ketelitian praktikan saat mengatur debit fluida dingin (air), kurang ketelitian alat, alat yang sudah berumur, dan adanya kotoran pada alat dan fluida.

4.4.3. Perbandingan Grafik qact = f (Recold) Counter dan Paralel

q act paralel flow vs counter flow Paralel flow Linear (Paralel flow) Counter flow Linear (Counter flow)

Gambar 4.11 Grafik qact = f (Recold) Counter dan Paralel Pada grafik Qact = f(Re cold) di atas,untuk yang paralel memiliki nilai Re maksimum 12934.19 dengan nilai q act 1.929 dan nilai Re minimum 6745.3 dengan nilai q act 1.414, sementara untuk yang counter memiliki nilai Re

maksimum 12685.88 dengan nilai qact 1.747 dan nilai Re minimum 5672.28 dengan nilai qact 1.579. Trendline dari grafik untuk paralel flow adalah naik sementara untuk counter flow turun. Bila ditinjau dari perumusan, kita dapat mengunakan persamaanpersamaan ini untuk menganalisa grafik Qact = f(Re cold) : ´ c C´ p ∆ t ....(1) q=m ℜ=

4 m´ c π Dh μ c ....(2)

Dari persamaan (1) terlihat bahwa semakin tinggi

m ´

maka semakin tinggi pula

´ nilai q. Kemudian dari persamaan (2), semakin tinggi nilai m

maka semakin

tinggi pula nilai Re. Jika digabungkan maka dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi nilai Re maka semakin tinggi nilai q. Grafik di atas tidak menunjukkan hasil sesuai dengan teori yang ada. Kesalahan grafik yaitu trendline counter flow yang menurun dan posisi trendline qact counter yang dibawah trendline qact paralel yang seharusnya posisi trendline qact counter yang diatas qact paralel.Kesalahan ini disebabkan antara lain kurang ketelitian praktikan dalam membaca temperatur, kurang ketelitian praktikan saat mengatur debit fluida dingin (air), kurang ketelitian alat, alat yang sudah berumur, dan adanya kotoran pada alat dan fluida.

BAB V Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan Kesimpulan dari praktikum heat exchanger antara lain: 1. Semakin besar nilai Reynold number, maka akan semakin besar juga nilai convection heat transfer coeficient nya 2. Semakin besar nilai Reynold number, maka semakin besar juga kalor aktual yang terjadi 3. Semakin besar nilai Reynold number, maka semakin besar juga nilai perbedaan tekanannya (pressure dropnya) 4. Semakin besar nilai perbandingan antara Cmin dan Cmax (Cr), maka semakin kecil efektifitas heat exchanger 5. Heat exchanger dengan tipe aliran counter memiliki kalor aktual yang lebih besar dari pada heat exchanger dengan tipe aliran paralel 5.2 Saran Saran kami untuk praktikum selajutnya adalah: 1.

Sebaiknya asisten jaga memperhatikan praktikan saat pelaksaaan

2.

praktikum agar tidak terjadi kesalahan pada metode pengujian. Sebaiknya alat praktikum yang sudah tua diperbarui agar mendapat hasil yang maksimal.