laporan praktikum OTK - heat exchanger

HEAT EXCHANGER

BAB I

PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Dalam kehidupan sehari – hari banyak terlihat fenomena perpindahan panas dari material atau fluida yang mempunyai temperatur lebih tinggi ke material atau fluida yang mempunyai temperatur lebih rendah, dan sebaliknya. Dalam dunia industri  perpindahan panas tersebut dimanfaatkan untuk keperluan proses dengan menggunakan suatu alat yang biasa disebut sebagai penukar panas atau

heat exchanger. Heat exchanger merupakan alat yang digunakan sebagai media untuk memindahkan panas dari fluida yang bertemperatur lebih tinggi menuju fluida yang bertemperatur lebih rendah beegitu juga sebaliknya. Dalam aplikasinya alat ini digunakan untuk menaikkan maupun menurunkan temperatur dan juga mengubah fase fluida. Salah satu tipe heat exchanger yang banyak digunakan di dunia industri adalah shell and tube exchanger.

Hal terpenting dalam proses perancangan heat exchanger adalah perhitungan perpindahan panas yang terjadi di dalam heat exchanger itu sendiri. Ada 2 jenis type yaitu Single Pass Double Pipe dan Single Pass shell and Tube. Yang paling umum digunakan adalah Single Pass Double Pipe yang caranya

adalah panaskan air di dalam tangki penampung air sehingga temperatur tertentu, lalu isi pipa air dan hilangkan gelembung – gelembung udara dari pipa manometer, alirkan air melalui bagian dalam pipa pada laju alir yang diinginkan. Kemudian alirkan air panas ke dalam bagian shell pada tekanan tertentu, setelah aliran dan temperatur konstan lakukan pengamtan selama sedikitnya 20 menit

selama selang waktu 2 menit untuk data waktu, pembacaan manometer, temperatur air pendingin/ air panas masuk dan keluar dan tekanan air panas. ulangi cara diatas dengan variasi laju alir dan temperaur umpan air panas.

Adapun tujuan dilakukan percobaan ini adalah mendemonstrasikan salah satu jenis exchanger, memperkirakan harga koefisien pepindahan panas keseluruhan pada proses pendinginan air, mengetahui cara menggunakan alat single pass double pipa heat exchanger, dan mengetahui perbedaan perpindahan panas dengan variasi laju alir dan juga temperatur umpan air panas. dengan

beberapa tujuan diatas, maka sangat diperlukan suatu percobaan untuk mebuktikan teori – teori yang sudah dipelajari dan kemudian dipraktekan dalam skala laboratorium.

I.2 Tujuan

1. Dapat mendemonstrasikan salah satu jenis exchanger

2. Dapat memahami bagian – bagian dari double pipe exchanger

3. Dapat memahami anlaisa kinerja heat exchanger

I.3 Manfaat

1. Dapat menghitung koefisien perpindahan panas

2. Dapat menghitung ΔLMTD

3. Dapat mengetahui hubungan laju alir dengan ΔLMTD

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

II. 1 Secara Umum

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.

Terdapat tiga cara dalam hal perpindahan panas dari sumber ke penerima,

namun sebagian besar aplikasi dari teknik adalah kombinasi dua atau ketiganya.

Cara tersebut adalah

1. 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. Jumlah aliran panas ini dapat ditentukan dengan

persamaan :

dQ=k.A(dt/dx)

Di mana :

Q = laju pindah panas konduksi (Watt)

k = koefisien pindah panas konduksi (W/mK)

A = luas permukaan bahan (m 2 )

dT= perubahan suhu (K)

dx = perubahan panjang bahan (m)

Tanda negatif (-) menyatakan bahwa panas berpindah dari media bertemperatur

tinggi ke media yang bertemperatur lebih rendah.

2. Perpindahan Panas Secara Konveksi

            Perpindahan panas dari suatu zat ke zat yang lain disertai dengan gerakan

partikel atau zat tersebut secara fisik. Dalam hal ini, perpindahan panas terjadi

akibat adanya gerakan fluida. Fluida dingin yang dekat dengan permukaan panas

akan menerima panas dimana panas tersebut mempengaruhi fluida melalui suatu

pencampuran.

Seperti halnya pada perpindahan panas secara konduksi, persamaan perpindahan 

panas secara konveksi jugu berbentuk sebagai berikut :

dq=h.A.dt

(septiani, 2012)
Di mana :
Q = laju pindah panas konveksi (Watt)
h = koefisien pindah panas konveksi (W/m 2 K)
A = luas permukaan bahan (m 2 )
∆T= perubahan suhu antara permukaan bahan dan lingkungan (K)

Besarnya konveksi tergantung pada :
a. Luas permukaan benda yang bersinggungan dengan fluida (A).
b. Perbedaan suhu antara permukaan benda dengan fluida (DT).
c. koefisien konveksi (h), yang tergantung pada :
 viscositas fluida
 kecepatan fluida
 perbedaan temperatur antara permukaan dan fluida
 kapasitas panas fluida
 rapat massa fluida
 bentuk permukaan kontak

3. 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.

Berdasarkan hukum kedua dari Thermodinamika Boltzman, ditetapkan

bahwa laju sumber itu akan memancarkan panas adalah :

dQ = s . dA . T 4

(Juni, 2013)

Faktor – Faktor yang memperngaruhi efektivitas alat enukar panas

terutama Heat Exchanger:

a. Pengunaan baffle dapat meningkatkan efektivitas alat penukar panas, hal ini

sejalan dengan peningkatan koefisien perpindahan panas.

b. Pengaruh tebal isolasi pada bagian luar shel, efektifitas meningkatkan hingga

suatu harga maksimum dan kemudian berkurang.

c. Dengan menggunakan alat penukar panas tabung konsentris, efektifitas

berkurang, jika kecepatan udara msuk dingin meningkat dan efektifitas

meningkat, jika alur alir massa udara meningkat.

d. Menentukan jarak antar baffle minimum 0,2 dari diameter shell sedangkan

jarak maksimum ialah 1x diameter bagian dalam shell. Jarak baffle yang

panjang akan membuat aliran membujur dan kurang menyimpang dari aliran

melintang.

e. Melakukan penelitian penggunaan baffle dapat meningkatkan efektifitas alat

penukar panas

Jenis Aliran Heat Exchanger

Adapun jenis aliran heat exchanger, di antaranya :

 Counter current, yaitu jenis heat exchanger di mana aliran bahan dengan

aliran energi (fluida pemanas) mengalir berlawanan.

 Co current, yaitu jenis heat exchanger di mana aliran bahan dengan aliran

energi (fluida pemanas) mengalir searah.

 Cross flow, yaitu terjadi ketika salah satu aliran fluida tegak lurus terhadap

cairan kedua, yaitu, satu aliran fluida melalui tabung dan cairan kedua

melewati sekitar saluran di sudut 90 °. Biasanya ditemukan pada kondisi

perubahan cairan 2 fasa. Contohnya adalah sistem uap kondensor, di mana

uap keluar turbin memasuki sisi shell kondensor, dan air dingin yang

mengalir di tabung menyerap panas dari uap, kondensasi itu ke dalam air.

(Aulia, 2014)

Jenis – jenis Heat Exchanger

a. Penukar panas pipa rangkap (double pipe heat exchanger)

Salah satu jenis alat 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 ruangan luar

dan cairan lainya dalam pipa.

Dalam penukar kalor itu, koefisien perpindahan kalor sisi selongsong dan

koefisien sisi tabung sama-sama penting, dan keduanya harus cukup besar agar

koefisien sisi tabung sama-sama menyeluruh dan memuaskan dapat tercapai.

Kecepatan dan keterbulenan zat cair juga tidak kalah pentingnya dari kecepatan

dan keterbulenan zat cair sisi tabung. Untuk meningkatkan aliran silang dan

menaikkan kecepatan rata-rata fluida sisi selongsong mereka pada selongsong itu

dipasanag sekat-sekat.

(Mc.Cabe, 1983)

b. Penukar panas cangkang dan buluh (shell and tube heat exchange)

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. Penukar panas jenis cangkang dan buluh

(shell and tube heat exchanger)

c.         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. Penukar panas jenis plate and frame

d.        SDAdiabatic 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.

e.         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.

(Onny, 2013)

Aliran Lawan – Arah dan aliran Searah

Fluida yang satu masuk pada saat satu ujung penukar kalor, sedang fluida

yang satu lagi pada ujung lain, lalu masing – masing mengalir menurut arah yang

berlawanan. Aliran demikian biasanya dinamakan aliran lawan – awah atau aliran

berlawanan.

Jika kedua fluisa itu masuk pada ujung yang sama pada penukar kalor itu

dan mengalir menurut arah yang sama menuju ke ujung yang satu lagi, maka itu

disebut searah – sejajar.

Neraca Entalpi dalam Penukar Kalor

Dalam penukar kalor tidak terdapat kerja poros, sedang energi mekanik,

energi potensial dan energi kinetik , semuanya kecil dibandingkan dengan suku

lain dalam persamaan neraca energi. (Mc Cabe, 1983)

Sumber : 

Aulia. 2014. “Tugas Perpindahan Panas Makalah Heat Exchanger” (https://www.

academia.edu/8315459/TUGAS_PERPINDAHAN_PANAS_MAKALAH_HEAT

_EXCHANGER_ALAT_PENUKAR_PANAS) 

Juni. 2013. “HEAT EXCHANGER” (http://jepjourney.blogspot.co.id/2013/06/

heat-exchanger.html) 

Mc Cabe. 1983 “ Operasi Teknik Kimia Jilid 1”. Jakarta : Penerbit Erlangga

Onny. 2012. “ Macam – macam Heat Exchanger” (http://artikel-teknologi.com/

macam-macam-heat-exchanger-alat-penukar-panas-bagian-1/) 

Share this post