BAGIANIDASAR DASAR PERPINDAHAN PANAS 1I. PENDAHULUANDalamkehidupansehari-hari perpindahanenergi mendapat penerapan yangsangat luassekali dalamberbagai bidangdanpadaberbagai tingkat kemurnian. Hampir tidak ada alat, baik dalam pabrik maupun di rumah tangga, yangtidakbersangkutandenganperpindahanenergi. Energi dikenal dalam berbagai bentuk, beberapadiantaranyayangdijumpai dalambidangteknik kimia, adalah :1. Energi Dalam2. Energi Kinetis3. Energi Potensial4. Energi Mekanis5. Energi Panas Biladuabendayangsuhunyaberbedasalingdikontakan, makaakan terjadi perpindahanpanas dari bendayangsuhunyatinggi kebendayang bersuhurendah. Pengaliran/perpindahanpanas tersebut dapat berlangsung dengancara: konduksi, konveksi danradiasi, danketigacaaperpindahan panas tersebut dapat terjadi didalam alat penukar panas.Dalamteknikkimiabanyakdi jumpai masalahyangberkaitandengan perpindahanpanas. Pengetahuanmengenai mekanismeperpindahanpanas mutlak diperlukan untuk memahami peristiwa-peristiwa yang berlangsung dalam; pemanasan, pendinginan, pendidihan, pengeringan, distilasi, evaporasi, kondensasi dan lain-lain. Ada tiga cara perpindahan panas, yang mekanismenya sama sekali berlainan, ialah :1. Secara Molekular, atau disebut Kondukasi2. Secara Aliran, atau disebit Konveksi3. Secara Gelombang Elektromagnetik, atau disebut Radiasi 2 dtdq k dAdx _ ,II. PERPINDAHAN PANAS KONDUKSIJika dalam suatu bahan kontinu terdapat gradient (landaian) suhu, maka kalor akanmengalir tanpadisertai olehgerakanzat. Alirankalor seperti ini disebutKONDUKSIatau hantaran. Pada logam-logam padat konduksitermal itu adalah akibat dari gerakan electron yang tak terikat, dan konduktifitas termal ini mempunyai hubungan yang erat sekali dengan konduktifitas listrik.Kondusksi adalah perpindahan panas melalui material yang tetap, misalnya seperti dinding (lihat gambar 2.1) arah perpindahan panas tegak lurus pada dinding apabila permukaannya isotersal, sedangkan benda tersebut homogen dan isotropik. Untuk mengetahui besarnya konduksi yang mengalir melalui suatu bahan digunakan hukum FOURIER yang menyatakan :Besarnya perpindahan panas secara konduksi adalah berbanding langsung denganluasyangdilalui, bedasuhudansifat bahan(konduktivitaspanas) serta berbanding terbalik dengan tebal bahan yang dilaluinya.Besarnya aliran panas adalah :dtdq kAdx _ ,(2.1)Tandanegatif pada(-dt/dx) menunjukanbahwasuhu pada muka panas adalah lebih tinggi daripada suhu pada muka dinding.Konstanta proporsional k diperoleh dengan percobaan berdasarkan persamaan (2.1); dan harganya besar untuk material perambat panas, tetapi kecil harganya untuk isolator panas.Persamaan (2.1) berlaku untuk luas permukaan yang konstan, dan karenanya bersifat khusus. Secara umum persamaan (2.1) dapat ditulis sebagai berikut :(2.2)Persamaan (2.1) dan(2.2) adalahbentuk persamaan steady state untuk perpindahan panas dan dapat dipergunakan untuk memecahkan masalah-masalah teknik yang lazim ditemukan dalam praktek.3t1tqt2xX-dt/dxCatatan :Pada umumnya harga k berubah terhadap perubahan suhu :k = ko + A + Bt + Ct2(2.3)dimana, A, B, C adalah konstanta dan t adalah suhu pada k ditentukan.Contoh : Berapa panas yang mengalir/panas yang hilang melalui dinding dapur yang tebalnya 9 in, apabila suhu permukaan dalam 330oF dan suhu permukaan luar 130oF. besarnya konduktivitas panas dari dinding dapur 0,4 Btu/jam.ft2.oF serta panjang dan lebar dinding dapuradalah 10 ft dan 6 ft.Jawab :( ) ( ) ( )( )2 20, 4/ . . 60300 130. .9/12 6.400/ooBtu fth F ft Fk Atqx in ftBtu h Jadi panas yang hilang adalah 6.400 Btu/hALIRAN PANAS LEWAT DINDING DATARUntuk kasus ini adalah konstan, dan integrasi persamaan (2.1) atau persamaan (2.2) akan menghasilkan,kA tq tI R (2.4)Untuk dinding KOMPOSIT, yang terjadi kalau beberapa dinding dipasang secara seri (lihat gambar 2.2), berlaku hubungan :a b ca b ct t t tqR R R R (2.5)atatau4tot1t2t3ka kc kbla lc lbRa Rb Rcq1 2 3 1 2 oa b ct t t t t t tqR R R R (2.6)dimana, R = Ra + Rb + Rc ;; a b ca b ca b cl l lR R Rk A k A k A (2.7)Dengan substitusi dan pengaturan kembali diperoleh :( ) ( ) ( )3/ / /oa a b b b bt t tQR l k A l k A l k A + +(2.8)dimana, Q adalah laju perpindahan panas, (Btu/jam); l adalah tebal dinding, (ft); R adalah tahanan dinding, (j.oF/Btu); dan a,b,c adalah dinding dipasang sebagai komposit.ALIRAN PANAS MELALUI DINDING PIPADalam aliran panas melalui dinding datar, luas yang dilaluinya adalah konstan untuk seluruh jarak yang ditempuhnya. Halyang demikian tidak terjadidalam aliranpanasmelalui dindingpipa(lihat gambar2.3),luas untukaliranpanas berubah-ubah dari dinding dalam sampai dinding luar pipa.5tot1ror1LDengan memperhatikan gambar ini, maka luas perpindahan panas pada jari-jari r adalah 2 r L, dan seandainya panas mengalir dari dalam keluar, maka gradien suhu adalah (-dt/dr). Dengan demikian persamaan (2.2) berubah menjadi :

2dtq rLkdr _ ,(2.9)2 q drdtLk r Dengan integrasi diperoleh :ln2 qt r CLk +Apabila pada r = r1, t = t1 dan pada r = ro, t = to dan ro/r1 = do/di, maka persamaan n diatas menghasilkan :

( )( )( )( )2 2ln / ln /i o i oo i o iLk t t Lk t tqr r D D (2.10)Untuk pipa KOMPOSIT berlaku hubungan-hubungan berikut (panjang komposit = L) : 21 21ln2D qt tLk a D (2.11)631 22ln2D qt tLk b D (2.12)3 21 31 21 1ln ln2aD D qt tLk D kt D _ _ _ + , , ,(2.13)atau( )1 33 21 221 1ln lna bL t tqD Dk D k D _ _+ , ,(2.14)ALIRAN PANAS PADA BOLA BERONGGA222444kAdtq A rdrk r dtqdrq drdtk r ( )( )2 21 1121 21 214141 14or tr trroq drdtk rqt tk rqt tk r r 1 1 ] _ , ( )( )1 2141/ 1/ok t t Btuqr r h (2.15)PERPINDAHAN PANAS KONDUKSI PADA DINDING BERLAPIS7t1t2drrrox1x3x2k1k2k3t1t4t3t2Pada alat-alat industry yang diutamakan adalah keselamatan dan penghematanpanas. Sebagai contoh: untukdindingdapuryangdibuat dari bata tahan api(brick)selalu dilapisi bahan isolator yang fungsinya untuk menahan panas agar panas jangan banyak yang hilang ke sekeliling.Disamping itu dengan adanya isolator tadi, maka permukaan dinding luar dapur suhunyamenjadi lebihrendah, sehinggatidak membahayakan para pekerjayangbekerjadiluar dindingdapur. Perpindahanpanasyangterjadi pada diding yang berlapis dapat dijelaskan sebagai berikut :1. Untuk Aliran Mantap Dengan Luas KonstanLapisan I : tebal = x1bahan = k1Lapisan II : tebal = x2bahan= k2Lapisan III : tebal = x3bahan = k3q1 = q2 = q3 = q( )( )( )1 1 211 1 21 12 2 322 2 32 23 3 433 3 43 311 41: : : k A t tqxLapisan Iq t tx Akk A t tqxLapisan IIq t tx Akk A t tqxLapisan IIIq t tx Akx x qt tAk + +3 22 3xk k _+ ,( )1 41 1 2 2 3 3// / /A t tq Btu hx k x k x k+ +(2.16)2. Untuk Aliran Mantap Dengan Luas Berubah8 Pada silinder berlapis, misalnya pipa-pipa saluran uap atau bahan kimia Pada bola berongga, misalnya tangki-tangki penyimpan : Ammonial LPGSuatubolaberonggadilapisi isolator dengan konduktifitas panas = k2Persamaan untuk bola berongga gunakan pers.(2.15) yaitu :( )( ) ( )( )1 21 21 21 2 2 1441/ 1/k t tr rq k t tr r r r ( )( )( )( )( )( )( ) ( )2 11 21 1 2 1 22 1 1 1 23 22 32 2 3 2 33 2 2 2 32 1 3 21 31 1 2 2 2 3 44

44

4Lapisan Iq r rr rq k t t t tr r k r rLapisan IIq r rr rq k t t t tr r k r rr r r rqt tk r r k r r + _ + ,( ) ( )2 1 3 21 32 1 1 2 3 4r r r rqt tr k r k r _ + ,( )( ) ( )2 1 32 1 3 21 1 2 34/r t tq Btu hr r r rk r k r +(2.17)Contoh : Gas O2 disimpan dalam suatu tangki silinder berdiameter 5 ft dan panjannya 6,5 ft yang disiolasi dengan bahan A dan bahan B, masing-masing setebal 1 ft dan 0,5 ft. Harga kA = 0,022 dankB=0,4 Btu/ft2jamoF. Sedangkan temperatur bagian dalam -290oF danbagian luar 50oF. hitunglah :a. Besar perpindahan panas dari luar ke tangki O2 cair.b. Jika isolaso B diganti dengan A pada keadaan suhu dan fluks panas yang tetap, berapa tebal isolasi A secara keseluruhan.c. Jika suhu bagian luar 60 F dan tebal bahan A tetap, berapa tebal lapisan bahan B untuk mempertahankan suhu bagian dalam (-290 F ).9t1t2drrroJawab :O2 dalam tangki bolar1 = 2,5 ftr2 = 3,5 ftr3 = 4,0 ftt1 = -290oFt2 = 50oFkA = 0,022 Btu/ft2.h.oFkB = 0,400 Btu/ft2.h.oF( )( )( )( )( )( )22 21 1122 1 21 21 21 2 1 21 21 22 141 4 441 1 4 1/ 1/4rr tr trdt dtq kA k rdr drq dr qdt t tk r k rk t tqt t qk r r r rr rq k t tr r 1 1 ] _ , a. Besarnya q dari luar ke tangki O2 cair dapat dihitung sebagai berikut :( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )2 11 21 2 1 22 1 1 23 22 32 3 2 33 2 2 34 44 4AABBq r rr rA q k t t t tr r k r rq r rr rB q k t t t tr r k r r Dari penjumlahan A dan B didapatkan :( )( ) ( )2 1 3 21 32 1 34A Br r r rqt tr r k r k 1 + 1 ]( )( ) ( )( ) ( )( )( ) ( )( )( ) ( )2 1 32 1 3 21 34 4 3, 5 50 290808, 24/3, 5 2, 5 4, 0 3, 52, 5 0, 022 4, 0 0, 4A Br t tq Btu hr r r rk r k r + + +b. Bila isolasinya hanya A; maka tebalisolasiA secara keseluruhan dapat menggunakan rumus :( )( )( ) ( ) ( ) ( )( )( ) ( )1 22 12 122222 2 2244 0, 022 2, 5 50 290808, 242, 5234, 872, 5808, 242, 5 0, 3 0, 7 2, 53, 6 Ak r rq t tr rrrrrr r rr ft + 10r1r2r3O2t1t2Jadi tebal isolasi A = 3,6 2,5 = 1,1 ftIII. PERPINDAHAN PANAS KONVEKSIKonveksi ialah perpindahan panas diantara fluida yang lebih panas dan lebihdinginkarenakeduanyabercampur. Fluidadinginyangdekat kepada permukaan panas menerima panas dan kemudian memberikannya kepada bulk fluida dingin ketika bercampur. Ini terjadi karena ada gerakan fluida.11Konveksi erat kaitannya dengan mekanika fluida. Bahkan secara termodinamik, konveksi itudianggapbukansebagai alirankalor, tetapi fluks entalpi. Pengidentifikasian konveksi dengan aliran kalor hanyalah untuk memudahkan saja, karena dalam prakteknya sulit membedakan antara konveksi dengankonduksi yangsebenarnya, apabilakeduanyadigabungkan dibawah satu nama konveksi saja. Dalamkonveksi dikenal 2 cara yaitu konveksi bebas atau konveksi alami dan Konveksi paksa. Perbedaan kedua konveksi tersebut dapat dijabarkan sebagai berikut :No KONVEKSI ALAMIAH (BEBAS) KONVEKSI PAKSA1Panas dibawah serta olehfluida yang bergerak ke atas karena perbedaan temperatur.Panas dipindahkan karena dibawah oleh massa yang dilairkan oleh suatu alat.2Sifat aliranditentukanolehgayaapung fluida yang berbeda densitas.Sifat aliran ditentukan alat tersebut.3Penyebaran kecepatan & temperatur saling berhubungan.Penyebaran kecepatan dicari lebih dulu, kemudian baru dicari penyebaran temperatur. 4Bilangan Nusselt bergantung pada bilangan Grashof dan bilangan Prandalt.Bilangan Nusselt bergantung pada Reynolds dan bilangan Prandalt. Peristiwa perpindahan macamini dapat dinyatakan dengan sebuah persamaan yang meniru bentuk persamaan untuk konduksi, yaitu :dq = h A dt (3.1)dimana, h adalah koefisien perpindahan panas (Btu/jam.ft2.oF) yang dipengaruhi oleh sifat-sifat fluida dan pengadukan.Persamaan (3.1) dapat ditulis dalam bentuk hasil integrasi, yaitu : tA tq h A tR (3.2)Tahanan Rttidak dapat dihitung dari hubungan Ra=la/kaA, karena tebal konveksi tidak diketahui (indefinite).Perhatikan sebuah dinding pipa dengan konveksi paksa, dengan besarnyayang berbeda pada kedua bagian pipa tersebut(lihat gambar 3.1). Misalkan, padabagiandalampipa, panasyangdiberikanolehliquidapanas yangmengalir, sedangkanpadabagianluar pipapanasditerimaolehaliran fluida dingin, laju aliran panas dalam steady state dapat ditulis sebagai berikut12 ( ) ( ) ( )i i o o w o i oo oA T t A t t A T tqR R R (3.3) i i i o o oh At h A t (3.4)dimana, Ai= luas permukaan pipa bagian dalam, ft2; Tiadalah suhu bulk pipa bagian dalam,oF; toadalah suhu bulk bagian luar pipa,oF; Ro adalah tahanan konveksi pada bagian luar; Ao adalah luas permukaan pipa bagian luar, ft2 dan tw adalah suhu dinding pipa bagian luar, oFDalam gambar 3.1 R adalah tahanan total terhadap perpindahan panas, sesuai dengan hubungan :R = Ri + Rw + Ro(3.5)Untuk bentuk pipa ini dapat ditulis :1 1wo i i o o w wl RA h A h A k A +(3.6)( ) ( )1 1/ /wi i o o w w alRh A A h k A A + +(3.7)hi(Ai/Ao)dapat ditulissebagaihiodanapabiladindingpipaterlalutipis, maka tahanandindinglwAo/(kwAw)dapat diabaikan; sedangkankebalikanRadalah koefisien perpindahan panas totalU.dengan demikian persamaan (3.7) dapat ditulis sebagai berikut :,1 1 1C i o oU h h +(3.8)13dimana, hi,o = koefisien perpindahan panas pada bagian dalam pipa tetapi luas permukaannya dihitung bagian luar = hi (Ai/Ao) = hi(Di/Do) Koefisien Perpindahan Panas Aliran dalam Pipa (Tube)Banyak korelasi dapat ditemukan untuk membuat koefisien perpindahan panasdalampipaatautube, dansemuanyamempunyai dasar yangsama, salah satu diantaranya adalah Sieder and Tate equation :Untuk aliran laminar Re < 2100,1/ 3 0,14..1, 86piwch D DG Dk k L 1 _ _ _ _ 1 , , , , ](3.9)Untuk aliran turbulen0,14 1/ 3 0,8..0, 027piwch D DGk k _ _ _ , , ,(3.10)Persamaan (3.9) dan (3.10) berlaku untuk cairan organik, larutan dalam air dan gas, dan tidak konservatif untuk air. Koefisien perpindahan panas aliran untuk air dapat ditukar dengan mempergunakan Fig. 25 Kern hal. 835.Kedua persamaan diatas dijadikan satu secara grafis dengan jalan memasang sebagai ordinat faktor JH. 0,14 1/ 3.piwch DJHk k _ _ _ , , ,Dan sebagai absis bilangan Reynold (lihat Fig. 24 Kern)Persamaan (3.9) dan (3.10) serta Fig. 24 Kern, dapat juga dipergunakan untuk aliran fluida di luar pipa (annulus) asalsaja diameter dalam Didiganti dengan diameter equivalenuntukperpindahanpanasDe, sehinggapersamaan(3.9) dan (3.10) berubah menjadi :1/ 3 0,14..1, 86po e e a ewch D D G Dk k L 1 _ _ _ _ 1 , , , , ](3.9a)0,14 1/ 3 0,8..0, 027po e e awch D D Gk k _ _ _ , , ,(3.10a)dimana, D1 adalah diameter luar pipa dalam dan D2 diameter dalam pipa luar14( )2 22 22 12 11 144 / 4 eD DD D x luas aliranDperimeter panas D D ( )2 22 1t an 4 alaju aliran massa lewa nulus wGlaju penampang aliran D D Koefisienfilmhountukaliranpadabagianshell andtubeheat exchanger, khususnya dengan baffle dapat ditaksir dari persamaan berikut, yang berlaku untuk bilangan Reynold antara 2.500 1.000.000 :0,14 1/ 3 0,55..0, 36po e e swch D D Gk k _ _ _ , , ,(3.11)Dimana,

( )2 24 / 44 T oeoP Dx luas bebasDperimeter terbasahi D untuk square pitch ( )24 0, 50, 86 0, 5 / 40, 5T T oeoP x P DDD untuk triangular pitchPersamaan (3.13) dapat juga ditulis dalam bentuk JH, yaitu :0,14 1/ 3.po ewch DJHk k _ _ _ , , ,Persmaan (3.9) (3.11) yang lazim disebut persamaan Nusselt untuk konveksi paksa, tidak berlaku untuk fluida yang berubah fase seperti mengembun.Koefisien perpindahan (film) untuk uap pengembun diluar pipa (tube) di berikan oleh persamaan Nusselt berikut :( )0,25330, 94f f gf o fkhD t _ ,(3.12)Pengembunan pada permukaan tube horizontal, ( )0,25330, 725f f gf o fkhD t _ ,(3.13)Persamaan (3.12) dan (3.13) dapat ditulis dalam bentuk lain, yaitu pipa tegak :1/ 3 1/ 323 24 '1, 47ff f g fGhk _ _ , ,(3.14)15Dimana, G = W / Nt . . Do Nt = banyak tubePipa horizontal :1/ 3 1/ 323 24 "1, 51ff f g fGhk _ _ , ,(3.15)Dimana, G = W / L. Nt2/3(3.16)Persamaan (3.16) berlaku untuk tube bundle (banyak tube) yang terdapat pada tipe shelland tube dengan uap yang mengembun berada pada bagian shell. Korelasi tersebut berlaku untuk Re = 1800 2100. Penaksiran harga h (persamaan 3.28) dapat dilakukan melalui Fig. 12.9 Kern, hal.267.Khususuntukuap(steam)mengembunsebagai mediumdilakukanpemanas dapat dipergunkan harga hi = hio = ho = 1500 Btu/jam.ft2.oF (Kern. hal.164). IV. PERPINDAHAN PANAS RADIASIRadiasi adalah peristiwa perpindahan energi melalui ruang oleh gelombang-gelombang elektromagnetik. Jika radiasi berlangsung melalui ruang 16kosong,ia tidakditransformasikan menjadikalor ataubentuk-bentuk laindari energi, dan ia tidak pula akan terbelok dari lintasannya. Tetapi, sebaliknya, bila terdapatzat padalintasannya, radiasi ituakanmengalami transmisi, refleksi, dan absorpsi. Hanya energi yang diserap saja yang muncul sebagai kalor, dan ditransformasi ini bersifat kuantitatif. Dan secara umum, radiasi menjadi sangat penting pada suhu tinggi.Daerah panjang gelombang yang dapat disebut radiasipanas terutama terletak antara 0,1-10 mikron. Daerah ini hanya sebagian kecil dari keseluruhan radiasi elektromagnetik. Kalau adalah panjang gelombang; Ckecepatan cahaya dan v frekwensi, maka berlaku hubungan, = C/v(4.1)c = 2,9979 x 1010 cm/ssuatu gelembang elektromagnetik dengan frekwensi v yang biasanya digambarkan sebagai gerakan foton, yaitu benda dengan massa nol, muatan nol dan energi sebesar , dengan hubungan, = hv (4.2)h = tetapan Planck = 6,624 x 1027 erg.senergifoton itu dapat dipancarkan,dapat diserap oleh suatu permukaan dan dapat juga dipantulkan.Berdasarkanhukumkeduathermodinamika,Boltzmanmenyusunhubungan hubungan berikut :17dg = d A TR4(4.3)dimana, T adalah suhu absolute,oR; adalah konstanta dimensional, (Btu/jam.ft2.oR4); adalah emissivity dan A adalah luas permukaan perpindahan panas, ft2. Seperti halnya dengankdanhrmakajuga harus ditentukan secara percobaan. Kadang-kadanglebihmudahuntukmenyatakanpengaruhnetto dari radiasi dalambentuk yang sama seperti yang dipergunakan dalam konveksi, yaitu :q = hr A (T1 T2)dimana hr adalah koefisien film fiktif.Dalam radiasi panas dikenal beberapa benda pembanding. Suatu benda atau permukaan yang tertekan radiasi panas, biasanya menyerap hanya sebagian dari energi yang sampai, dengan hubungan,

; a avm mq qva aq qv (4.3)Dimana, a = koefisien absorpsiqa= enegi yang diserapqm= energy yang masukuntuk benda-benda yang nyata av tidak sama untuk berbagai frekwensi.BendaKelabu(graybody)adalahbendahitetisyangmempunyaiavyang sama, tetapi < 1, untuk semua frekwensi dan semua temperatur.18BemdaHitam(blackbody)adalahbendahipotetisyangmempunyaiav=1untuk semua frekwensi dan temperatur.Semuapermukaanpadat selainmenyerapjugamemancarkanpanas. Jika dibandingakan dengan pancaran benda hitam,bagian yang dipancarkan oleh suatu permukaan disebut koefisien emisi :

;a ava aq qbe eqb qb (4.4)Jika : qa= energi yang dipancarkan benda biasa qba= energi yang dipancarkan benda hitamperpindahan panas secara radiasiuntuk benda hitamtelah dirumuskan dalam hukumStefan-Boltzman :qba = T4(4.5) = tetapan Stefan-Boltzman = 5,67 x 10-8 W/m2K4untuk benda tak-hitam energy yang dipancarkan adalah :qa = e T4(4.6)Untuk tekanik yang penting adalah energy yang dipertukarkan antara dua benda atau dua permukaan. Karena sering sekali tidak semua permukaan suatu benda menghadap ke benda yang lain, maka dari pancaran total benda pertamahanya sebagian sampai pada benda ke dua. Benda ke dua menyerap sebagian dari energy yang sampai padanya dan bagian yang lain dipancarkan 19ke benda pertama.Pancaran benda ke dua itu sebagian diserap oleh benda pertama dan sebagian dipancarkan kembali, begitu seterusnya.Pertukaran energy antara dua benda hitam dinyatakan oleh persamaan,q12 = A1F12(T14 T24) = A2F21(T14 T24) (4.7)dimana, q12adalah energiyang dipertukarkan antara benda hitam 1 dan 2; A1 adalah luas permukaan total benda 1; A2 adalah luas permukaan total benda 2; F12adalah bagian dari radiasi A1yang sampai pada A2; dan F21adalah bagian dari radiasi A2 yang sampai pada A1A1F12= A2F21F12 & F21 disebut factor bentuk (view factor)Untuk dua benda tak-hitampertukaran radiasipanasnya dapat dihitung sepertidibawah ini. Perhitungan semacam ini hanya mungkin dilakukan untuk bendakecil yangcembungpermukaannya(benda1, temperatur T1), yang seluruhnyadikelilingi olehpermukaanlingkunganpadaT2. Lajuenergi yang dipancarkan oleh benda 1 :q12 = e1A1T14laju energi yang diserap oleh permukaan 1 dari lingkunganq12 = a1A1T24disini F12 diambil sama dengan 1, karena permukaan 1 itu cembung dan diliputi oleh permukaan 2 sehingga seluruh pancarannya diterima oleh lingkungan dan tidak ada yang diterima kembali oleh 1.20Selisih energi yang dipertukarkan menjadi :q12 = A1(e1T14 a1T24) (4.8) e1adalahnilai koefisienemisi permukaan1padaT1, a1diperkirakansam dengan nilai e untuk permukaan 1 pada T2.Untuk menentukan besarnya view factor, F dari beberapa hubungan geometri (kedudukan siku-siku dan kedudukan sejajar), dapat digunakan grafik 6 dan 7 dari lampiran.Contoh :Suatu bujursangkaryang sisinya4ft sejajar denganbujursangkaryanglain yang ukurannya sama. Jarak keduanya adalah 2 ft dan masing-masing mempunyai suhu 1000oF dan 500oF. hitunglah besarnya qr dari kedua bidang tersebut secara radiasi langsung.Jawab :qr= q12 = A1F12(T14 T24) A2F21(T14 T24)A1 = A2 dan F12 = F21, maka :qr= AF(T14 T24)T1 = 1000oF = 811 KT2 = 500oF= 533 KA= 16 ft= 5,67 x 10-8 W/m2K4kedudukan sejajar digunakan lampiran di grafik 7.R a t i o =4/ 2=2R a d i a s i l a n g s u n gg a r i s 2D i d a p a tF = 0,4 = 5,67 x 10-8 W/m2K4= 5,67 x 10-8 (3,42 Btu/jam) (3,282 ft2) (K4) = 2,09 x 10-6 Btu/jam ft2 K4qr= AF(T14 T24)= (16) (0,4) (2,09 x 10-6) (8114 5334) = 4.706.885,3 Btu/jam= 4,7 x 106 Btu/jam.212RatioFV. BOILINGDANKONDENSASIDalampembahasanterdahulutentangperpindahankalor konveksikita telah menyorot sistim-sistim fase tunggal yang homogen. Proses konveksi lain yangtidakkalahpentingnyaadalahyangberkaitandenganperubahanfase fluida. Duadiantaranyayangsangat pentingadalahfenomenakondensasi (condensation)dan fenomena didih (boiling), disamping masalah perpindahan kalor denganperubahanfasepadat-gasyangmenjadi pentingpulakarena berbagai penerapannya.5.1 Boiling5.1.1 Mekanisme BoilingDalampendidihan, titik didihdari temperatur cairanini di tekan didalamperalatanitu. Bidangyangdipanaskanadalahtentusajapada suatu temperatur di atas titik didih. Gelembung uap air dihasilkan di bidang yang dipanaskan dan kenaikan melalui massa cairan. Pendidihan adalah suatu fenomena kompleks. A B C D10610510410310 1 102103104T oF = TW 212 oF104105106q/A, (W/m2)T oK = TW 373,2 K10 102103q/A, (Btu/jam.ft2)Gambar 5.1 Mekanisme Boiling untuk air pada Tekanan Atomosfer, Flux Panas vs Penurunan Temperatur : (A) Konveksi Alami, (B) Nukleat Boiling, (C) Transisi Boiling, (D) Film Boiling225.1.2Nucleat BoilingDalam daerah nukleat boiling, heat flux dipengaruhi olehT, tekanan, alami dan geometridarisistim dan permukaan, dan sifat phisic dari uap dan liquid. Dalam didih nukleat, terbentuk gelembung-gelembung karena ekspansi gas yang terkurung atau uap dalam lubang-lubang kecil pada permukaan. Gelembung itu akan membesar hingga ukuran tertentu, bergantungpadateganganpermukaanpadaantar muka(interface)zat cair-uapdanpadasuhudantekanan. Perhatikangelembungberbentuk bola pada gambar dibawah ini :plpvGaya tekanan= r2(pv pl)Gaya tegangan permukaan= 2 r r2(pv pl) = 2 r Neraca Gaya dalam Gelembung Uap persamaan diatas dapt juga ditulis :2v lp pr (5.1) dimana : pvadalah tekanan uap didalam gelembung; pladalah tekanan zat cair dan adalah tegangan permukaan muka-batas uap-zat cair. Rohsenowmembuat korelasi data percobaan untuk didih kolamnukleat dengan persamaan dibawah ini :( )0,33. . /. .sll x cffg l fg l vrCp T g q ACsh P h g 1 1 1 ](5.2)dimana :Cpl=spesifik panas zat cair jenuh, Btu/lbmoF atau oC atau J/kgoCTX=lebih suhu = TW Tjenuh, oF atau oChfg=entalpi penguapan, Btu/lbm atau J/kg23Prl=angka Prandtl zat cair jenuh q/A =flux panas per satuan luas, Btu/jam ft2 atau W/m2 oCl=viskositas zat cair, lbm/jam ft atau kg/m s =tegangan permukaan muka-batas zat cair-uap, lbf/ft atau N/mg =kecepatan grafitasi, ft/s2 atau m/s2l=densitas zat cair jenuh, lbm/cuft atau kg/m3v=densitas uap jenuh, lbm/cuft atau kg/m3Csf=konstanta ditentukan dari data experimens =1,0 untuk air dan 1,7 untuk zat cair lain.Tabel 1. Tegangan Permukaan Uap-Zat Cair untuk AirSuhu Jenuh Tegangan PermukaanoFoC x 104, lbf/ft , mN/m3260100140200212320440560680705,4015,5637,786093,33100160226,67293,33360374,151,850,247,845,241,240,331,621,911,11,0075,673,369,866,060,158,846,132,016,21,460Berbagai persamaan telah dikembangkan telah dikemukakan untuk menghitung fluks kalor dalam keadaan didih. McAdams menyarankan pada tekanan rendah untuk air mendidih menggunakan persamaan :( )3,9622, 253 /0, 2 0, 7 XqT Wm p MPaA < < (5.3)sedangkan pada tekanan yang lebih tinggi digunakan persamaan :( )34/ 3 2283 /0, 7 14 Xqp T Wm p MPaA < < (5.4) dimana, Tx adalah perubahan temperature, oC dan p adalah tekanan, MPa.Analisa mengenai fluks kalor puncak dalam didih nukleat dengan memperhatikan persyaratan kestabilan muka-batas antara film uap dan zat cair dapat dilihat seperti persamaan dibawah ini,24( )0,25 1/ 22max.. 124l vvfg vv lgqhA 1 _ _ + 1 , , ] (5.5)Suatu fenomena fluks kalor puncak yang menarik diamati bila tetesan zat cair menimpa permukaan panas. Experiment dengan air, aseton, alkohol, dan beberapa Freon menunjukan bahwa perpindahan panas maksimumterjadi pada suhu >165oC untuk semua jenis fluida. Fluks puncak ini merupakan fungsi sifat-sifat fluida dan komponen normal dari kecepatan timpa. Korelasidengan data eksperimen dapat dilihat seperti dibawah ini :0,3412 23. .0, 00183. . . .max LL vf cQ Vdd g _ ,(5.6)Dimana, Qmaksadalah perpindahan kalor maksimumper tetes;Ladalah densitastetesanzat cair; Vadalahkomponennormal kecepatantimpa;vf adalah densitas uap ditentukan pada suhu film (Tw + Tjenuh)/2; adalah tegangan permukaan; d adalah diameter tetesan danadalah kalor penguapan dimodifikasi = hfg + Cpv (Tw Tjenuh / 2). Untuk Suatu Permukaan HorisontalUntuk sistimpada suatu permukaan horisontal beberapa persamaan dapat digunakan diantaranya :h = 151 (T oF)1/3, Btu/jam.ft2.oFq/A < 5000, Btu/jam.ft2h = 1043 (T oK)1/3, W/m2.K q/A < 16, kW/m2h = 0,168 (T oF)3, Btu/jam.ft2.oF 5000 < q/A < 75000, Btu/jam.ft2h = 5,56 (T oK)3, W/m2.K 16 < q/A < 240, kW/m2Sun & Lienhard memberikan persamaan untuk fluks kalor didih puncak pada silinder horizontal yaitu :( ) ' 15 , 0 ' 44 , 3 exp 27 , 2 89 , 0 R untuk RqqmaksFn maksn< + dimana R adalah jari jari ayng tak-berdimensi :( )2 / 1'1]1

v lgR R25( ) [ ]4 / 1. . 131 , 0v l fg vmaksFng h q dimana, qnmaks Fadalah fluks kalor puncak pada plat horisontaltak-berhingga dan adalah tegangan permukaanSedangkanBromleymenyarankanuntukmenghitungkoefisienperpindahan panasdi daerahdidih-filmyangstabil padatabunghorizontal menggunakan persamaan:( ) ( ) . .. 4 , 0 .62 , 04 / 1311]1

+ x vx pv fg v l v vbT dT c h g kh (5.7)dimana,kvadalah konduktivitas thermal uap, W/m.K;vadalah densitas uap, kg/m3; l adalah densitas liquid, kg/m3; hfg adalah panas laten penguapan, J/kg; T = Tw Tsat; Tsat= suhu uap jenuh,oK;D adalah diameter luar pipa, m;v adalah viskositas uap, Pa.s; dan g adalah percepatan gravitasi, m/s2sifat-sifat physis uap dihitung pada suhu film :

,_

2T - TTsat wf dan hfg pada suhu jenuhJacob&Hawkinsmendapatkansuatupersamaanuntukair mendidihdiluar permukaan yang terbenam pada tekanan atmosfer (table 2). Koefisien perpindahan panas ini dapat diselesaikan untuk pengaruh tekanan yaitu : 4 , 0

,_

ll ppph h (5.8)dimana, hpadalahkoefisienperpindahanpanas padatekanansistim, p; hl adalah koefisien perpindahan panas (lihat table 2); p adalah tekanan sistim; dan pl adalah tekanan atmoser standar.Tabel. 2HubunganKoefisienPerpindahanPanasDidihkeAirpadaTekananAtmosfer, Tx = Tw Tjenuh oC.Permukaan q/A, kW/m2h, W/m2 . oCHorisontalVertikalq / A < 1616 < q / A < 240q / A < 33 < q / A < 631042 (Tx)1/35,56 (Tx)3537 (Tx)1/77,96 (Tx)326Untuk didih lokal konveksi-paksa di dalamtabung vertikal dengan range tekanan dari5 170 atm disarankan menggunakan persamaan :h = 2,54 (Tx)3 ep/1,551 (5.9)dimana,Txadalahbedasuhuantar permukaandanzar cair jenuh,oC; p adalah tekanan, MN/m2; dan h adalah koefisien perpindahan panas, W/m2.oCContoh : Air pada tekanan 5 atm mengalir dalam tabung yang diameternya 1 inci pada kondisididih local, dimana suhu dinding adalah 10oC diatas suhu jenuh. Hitunglah perpindahan panas dalam tabung dengan panjang 1 m.Jawab :Tx = 10oCp = (5)(1,0132 x 105 N/m2) = 0,5066 MPaKoefisien Perpindahan Panas :h = (2,54)(10)3 e0,5066/1,551

= 3521 W/m2.oC = 620 Btu/jam.ft2.oFLuas Permukaan untuk panjang 1 m tabung :A = dL = (0,0254 m)(10) = 0,0798 m2sehingga :Perpindahan Panas adalah :q = hA(Tw Tjenuh) = (3521W/m2.oC) (0,0798 m2)(10oC) = 2810 W/m Untuk Suatu Permukaan VertikalUntuk permukaan vertikal dapat menggunakan persamaan :h = 87 (T oF)1/7, Btu/jam.ft2.oFq/A < 1000, Btu/jam.ft2h = 537 (T oK)1/7, W/m2 .K q/A < 3, kW/m2h = 0,24 (T oF)3, Btu/jam.ft2.oF 1000 < q/A < 20000, Btu/jam.ft2h = 7,45 (T oK)3, W/m2.oK 3 < q/A < 63, kW/m2dimana :T = Tw Tsat Untuk Boiling Konveksi Paksa di Dalam PipaUntuk konveksi paksa didalam pipa dapat didekati dengan persamaan :h = 2,55 (T oK)3 ep/1555, W/m2.K (SI)h = 0,077 (T oF)3 ep/225, Btu/jam.ft2.oF (English)5.2 Kondensasi275.2.1 Mekanisme KondensasiKondensasi dari suatu uap air ke suatu cairan dan vaporazation dari suatu cairan ke suatu uap air kedua-duanya melibatkan suatu perubahan fase darisuatu cairandengan koefisien perpindahan panasyang besar. Kondensasi terjadi manakala suatu uap air datang dipenuhi seperti steam dalamhubungandengansuatupadatanyangtemperatur permukaandi bawah temperatur kejenuhan, untuk membentuk suatu cairan sepertiair. Type kondensasi dibagi atas beberapa jenis : Film type kondensasi Tetesan jatuh (dropwise condensation)5.2.2 Koefisien Film-Kondensasi untuk Permukaan VertikalFilm-tipe kondensasipada suatu tabung atau dinding vertikaldapat dianalisa secara analitis dengan mengasumsikan aliran laminer menyangkut filmkondensasi sepanjang dinding itu. MenurutNusselt(H1, W1) mengasumsikan bahwa perpindahan panas dari kondensasiuap air pada TsatK, melaluifilm cairan ini, dan ke dinding pada TwKadalah dengan konduksi. Dalam gambar 5-2a, uap air pada Tsat sedang dipadatkan pada suatu dinding yang temperatur adalahTwK. Sedang Kondensat mengalir mengarahkebawahdalamaliranlaminer. Diasumsikanketebalanunit, massadari unsurdengandensitascairanldalamgambar 5-2badalah ( - y)(dx . )l. Gaya yang mengarah ke bawah pada unsur ini adalah gaya gravitasikurang gaya apung, atau (- y)(dx) x (l-v)g, gaya ini adalah seimbang dengan gaya gesek viscous pada daerahytentang l (dv/dy)(dx . 1). Persamaan gaya ini,( - y)(dx)(l - v)g = l (dv/dy)(dx)(5.10)Integrasikan dan gunakan kondisi apung itu syarat batas v = 0 pada y = 0( )( ) 2 /2ygvylv l (5.11)28TwyTsatelemenyUnit thickness-ydx(a) (b)Gambar 5.2 Kondensasi Film pada suatu Plat Vertikal : (a) Peningkatan dalam posisi ketebalam film, (b) Keseimbangan pada elemen kondensatLaju alir massa tentang filmkondensat pada titik manapunxuntuk unit kedalaman,( )( ) 0202 / dy ygvdy mylv ll l(5.12)jika di integrasi menjadi,( )lv l lgm 33(5.13)Pada dinding, untuk area (dx. 1) m2, laju perpindahan panas sebagaiberikut jika suatu distribusi temperatur linier diasumsikan dalam cairan antara dinding dan uap air :( )w satl y l xT Tdx kdTdTdx k q 01 .(5.14)Di dalam suatu jarak dx, laju perpindahan panas qx. Juga, dalam jarak inidx, peningkatan dalam massa dari kondensasi adalahdm. Menggunakan persamaan (5.13),( ) ( )13v l ll3v l ld - g 3gd dm 1]1

(5.15)Pembuatansuatukesetimbanganpanasuntukjarakdx, lajualir massadm waktu panas laten hfg harus sama dengan qx dari persamaan (5.14) :( ) w satl2v l lfgT - Tdxkd - gh l(5.16)integrasikan, dengan = 0 pada x = 0 dan = pada x = x,29( )( )4 / 1411]1

v l l fgw sat l lghT T x k (5.17)menggunakan koefisien transfer panas lokal,hxpada x, suatu kesetimbangan panas memberikan( ) ( ) ( )w satl w sat xT Tdx k T T dx h 1 . 1 . (5.18)ini memberikan,lxkh (5.19)kombinasikan pers.(5.17) dan pers.(5.19) menjadi,( )( )4 / 13411]1

w sat ll fg v l lxT T xk ghh (5.20)Dengan mengintegrasikan di atas panjang total L, nilai rata-rata h diperoleh, LL x x xh d hLh03 / 41(5.21)( )( )4 / 13943 , 011]1

w sat ll fg v l lT T Lk ghh (5.22)Bagaimanapun, untuk aliranlaminer, datapercobaanadalah sekitar diatas 20%. Karenanya, ungkapan rekomendasi akhir untuk permukaan vertikal didalam aliran laminer adalah (M1)( )4 / 1313 , 1

,_

T kL ghkhLNl lfg v l llNu (5.23)Semua sifat fisis cairan kecuali hfgdievaluasi pada film temperatur Tf= (Tsat+ Tw)/2. Untuk permukaan vertikalyang panjang adalah aliran pada botom dapat bergolak. Bilangan Reynolds adalah digambarkan sebagai,l lR4 Dm 4Ne (tabung vertikal, diameter D) (5.24)l lR4 W m 4Ne (plate vertikal, lebar W) (5.25)dimana madalah totalkg massa/s kondensat pada tabung atau plate bottom dan = m/D atau m/W. Nre 5 10% Rdketentuan, rancangan dapat diterima Rdhitung >>> Rdketentuan, rancangan tidak dapat diterima Rdhitung < Rdketentuan, rancangan tidak dapat diterima (under design)b. PressureDrop(P) untukmasing-masingalirantidakmelebihi batas yang tersedia. Harga P biasanya adalah : Untuk aliran liquida : maksimal (P) = 5 10 Psi35 Untuk aliran uap-gas: maksimal (P) = 2 PsiDalampraktekbatasantentangpenurunantekananini harusdisesuaikan dengan head yang tersedia dan sistem yang dipergunakan. Ini tergantung dari sistim atau alat penggerak media yang diperlukan.Karena yang dirancang adalah alat perpindahan panas, maka perlu dicari dimensi atauukuranperalatantersebut. Ukuranalat tersebut berkaitanerat denganluas permukaan panas atau heating surface. Persamaan perpindahan panas yangberkaitan dengandimensi atauluas perpindahan panas dapat dilihat dibawah ini :Q = U A t (1.2)dimana,Q adalahpanas yang diserap atau dipindahkan,Btu/jam;Uadalah tahananpanas, Btu/jam.ft2.oF;Aadalahluasperpindahanpanas, ft2dant adalah beda temperatur rata-rata, oF.Dengan diketahuinya harga A (heating surface)dapat ditentukan macam atau type alat perpindahan panas dengan spesifikasi sebagai berikut :a. Apabila A < 120 ft2, maka alat perpindahan panasnya adalah : Double Pipe Heat Exchanger Coil Jacket Vesselb. Apabila A > 120 ft2, maka alat perpindahan panasnya adalah : Shell and Tube Plate and FrameDari persamaan diatas dapat juga harga A dapat dirobah menjadi : Panjang pipa Jumlah pipaSehinggadari jumlahdanpanjangpipadapat dipilihtypealat perpindahan panas yaitu,a. Double Pipe Heat ExchangerPada tipe peralatan ini dapat dibagi jenisnya menjadi : Counter Current dan Co Current Seri seri36 Seri paralelb. Shell and TubePada tipe peralatan ini dapat dibagi jenisnya menjadi : Heater dan Cooler Condensor type Horisontal, Vertikal, Desuper Heater, Sub Cooling Reboiler type Kettle Reboiler, Forced Reboiler, Thermo Syphonc. Coild. Jacket VesselContohyangpalingmudahuntuksuatuperalatanprosespadaindustri kimia adalah KolomDistilasi.Pada kolomdistilasi banyak digunakan alat perpindahan panas antara lain :a. Heater pada pemanasan umpan masuk ke dalam kolomb. Condensor pada pengembunan uap untuk dijadikan distilatc. Reboiler pada penguapan kembaliliquid pada bagian bottom untuk membuat efesiensi kolom menjadi lebih besar.d. Coil untuk mendinginkan distilat atau bottom produk.FAKTOR PENGOTORKetikafluidamengalir di dalamataudi luar pipa, makakotoranyang terbawaalirantersebut akanmegendapadapermukaanpipatersebut akan akansemakintebal denganwaktu. Lapisanendapanini menambahtahanan terhadap perpindahan panas dan karenanya harus diperhitungksn dalam analisaspesifikasi maupunperencanaanalat perpindahanpanas. Tahanan karena kotoran ini disebut faktor pengotor, Rd yang harganya harus ditentukan dengan exerimen. Laju aliran perpindahan panas melalui dinding pipa harganya akanmenurundenganwaktupenggunaankarenatebal (tahanan) pengotor yangnaikdenganwaktu. Olehkarenaitu, makasudahsepantasnyaapabila perencanaan alat perpindahan panas didasarkan pada harga Rddengan pembersihan dilakukan setelah dioperasikan selama satu tahun (tiap tahun).Harga-harga numerik dari tahanan kotoran untuk berbagai service tersedia antara lain pada tabel 12 Kern, dan data tersebut dimaksudkan untuk 37melindungialat perpindahan panasdariperpindahan panas yang kurang dari yang diperlukan (qproses) selama 1 1 tahun.KOEFISIEN PERPINDAHAN PANAS GABUNGAN KOTORKoefisien perpindahan panas gabungan dalam keadaan kotor UDdapat ditentukan dengan memperhatikan semua tahanan yang ada termasuk tahanan karena kotor, dengan susunan seperti ditunjukan dalamgambar dibawah. Tahanan-tahan yang digambarkan di sini adalah :Ri,o = tahanan film konveksi aliran fluida dalam pipa diperhitungkandenganluaspermukaanpipa bagian dalam = 1/hi,o Rd1 = tahanan kotoran pada sebelah dalam pipaRw = tahanan konduksi dinding pipa = lw/kwRdo = tahanan kotoran pada sebelah luar pipaRo = tahanan film konveksi aliran fluida di bagian luar pipa.RD = Ri,o + Rdi + Rw + Rdo + Ro(1.3)Karenakoefisienperpindahanpanasberbandingterbalikdengantahanan film konveksi, maka persamaan (1.3) dapat juga ditulis sebagai : , 11 1 1 1o Dio i o o o o o oRd RRdA hA h A A h A + + + +(1.3a), 11 1o w oD i oi o o w wA l AR Rd Rdh h A k A + + + +(1.4)Persamaan (1.3) biasanya disederhanakan sebagai berikut, Rdi Ao/Ai diambil aman sebagai Rdi, karena telah dinyatakan sebelumnya bahwa harga sesuatu tahanan kotoran diambil sama pada bagian dalam maupun bagian luar pipa.Disamping itu telah juga diutarakan sebelumnya bahwa tahanan karena dinding pipa biasanya diabaikan.38RdohohiRdiPipa luarPipa dalamDengan uraian tersebut, maka persamaan (1.4) berubah menjadi :

,1 1D i oi o oR Rd Rdh h + + +(1.5),1 1Di o oR Rdh h + +(1.6)Dimana, Rd = Rdi + Rdohi,o = hi x (Ai/Ao) = hi x (Di/Do) (1.7)dengandemikiankitadapat menentukansuatubentukpersamaanuntuk koefisien perpindahan panas keseluruhan dalam keadaan bersih yaitu : ,, i o oCi o oh x hUh h+ (1.8)Atau persamaan (1.8) dpat juga ditulis sebagai :1 1D CRdU U +(1.9)PENURUNAN TEKANANDalamalat perpindahanpanasterjadi penurunantekananbaikuntuk fluida dingin maupun fluida panas. Pada dasarnya terdapat dua macam penyebab yaitu :(i) Friksi yangterjadi antarafluidadengandindingpipa. Ini dapatditaksir melalui persamaan dinding.(ii) Perubahandalamluaspenampangaliranyanglazimdisebutsudden contractiondansudden expanionpadadouble pipeatau karena perubahanarahaliranmendadakpadashell andtube.Penyebabini kiranya merupakan kelipatandari head kecepatan atau K v2/2.gc.39Penurunan Tekanan Faktor FriksiPersamaan fanning dapat dinyatakan sebagai berikut :224. . . 2. . .ef G LP pada double pipeg D (1.10)( )16min/f aliran la erDG (1.11)( )0,320,1250, 00140/f aliran turbulen pada tube halusDG + (1.12)( )0,320, 2640, 0035/f aliran turbulen pada tube kasarDG + (1.12a)Faktor friksi padapersamaan(1.11) dan(1.12) dapat jugadiperolehmelalui Fig.3.11 Kern, hal. 53.Namun demikian, rumus berikut adalah lebih praktis untuk dipergunakan dalam menaksir penurunan tekanan pada aliran fluida pada bagian tube sebuah shelland tube (Pt).( )210. . .5, 22 10 . . .tti tf G L nP psix D s (1.13)dimana, f adalah factor friksi (Fig. 26 Kern); Gt adalah laju aliran massa dalam tube(lb/jam.ft2); Ladalahpanjangexchanger (ft); nadalahpass(banyaknya lewatan pada bagian tube; D adalah diameter dalam tube (ft); spesifik gravity dan t adalah factor koreksi viksositas (/w)0,14 untuk aliran tube.40Persamaan (1.13) tentu saja dapat juga dipergunakanuntuk menaksir penurunan tekanan padadouble pipe exchangerasal saja dilakukan penyesuaian seperlunya.Perubahan arah memperkenalkan suatu pressure drop Pr, disebut return loss dan yang dibukukan dengan membiarkan four velocity heads per pass. Velocity headV2/2g'telahdi plotkandalamFig.27Kernberlawananterhadapmass velocity untuk suatu cairan dengan specific gravity 1, dan return losses untuk cairan manapun nantinya adalah,242 'rn VP psis g (1.14)Total tube-side pressure drop PT nantinya adalah,PT = Pt + Pr(1.15)Penurunan tekanan karena friksi pada bagian shell sebuah shell and tube (Pt).( )( )210. . 15, 22 10 . . .sse sf G NP psix D s+ (1.16)dimana, Gsadalahlajualiranmassapadabagianshell (lb.jam.ft2); (N+1) adalah banyaknya across =12 L/B; De adalah diameter equivalen, yang harganya dapat diambil dari Fig. 28 Kern.SUHUSuhu masuk dan keluar dari fluida dingin dan fluida panas biasanya telah diketahui, atau dapat diukur atau dihitung dari persamaan neraca panas. Suhu-suhu tersebut disebut suhu proses.Dalam catatan inisuhu masuk dan 41suhu keluar fluida dingin diberi tanda sebagai t1dan t2sedangkan untuk fluida panas dinyatakan dengan T1 dan T2. Dengan mempergunakan alat perpindahan panas tipeconcentric (double pipe)penggambaran dari aliran dan suhu diberikan dalamgambar 1.1 untukcounter flowdan gambar 1.2 untuk paralel/cocurrent flow.t1t1t2t2T1T2T2T1t2t1t1t2T2t2t2T2t1t2tTxLtt2T1t1T2t2t1TttxLGambar 1.1 Counter flow Gambar 1.2 Cocurrent flowBEDA SUHU RATA-RATA LOGARITMA (LMTD)Hubungan antara laju perpindahan panasqdengan koefisien perpindahanpanasU, luasperpindahanpanasAodanbedasuhuttelah dinyatakanolehpersamaan,q=UAot. Karenahargatberbeda-beda sepanjangL, makahargarata-ratanyaperludirumuskan. Denganberbagai anggapan dibawah ini dapat dibuktikan bahwa harga rata-ratatdalam persamaandiatastersebut adalahlogarithmic meantemperaturedifferencial(LMTD. Anggapan-anggapan dimaksud adalah :(i) U harganya konstan untuk seluruh panjang lewatan.(ii) L-nyaaliranfluida(Wdanw) adalah konstan, memenuhi ketentuan steady state.(iii) Panas jenis (Cp dan cp) harganya konstan(iv) Tidak terjadi perubahan fase parsialKalau terjadi penguapan atau kondensasi suhnya harus isotermal sepanjang lewatan. (v) Kehilangan panas diabaikanApabila kelima persyaratan diatas dapat dipenuhi, maka persamaan :42,1 1 1C i o oU h h +berubah menjadi :2 12 1ln /t tq UAt t _ ,(1.17)2 12 1ln /t tt LMTDt t _

,(1.18)Persamaan (1.17) dan (1.18) berlaku baik untukcounter flowmaupun cocurernt flow, yang berbeda adalah dalam arti t1 dan t2 seperti ditunjukkan pada gambar 1.1 dan 1.2.Counter flowq = UD Ao t = UD Ao LMTD (1.19)2 12 1ln /t tt LMTDt t _

,t2 = T1 t2t1 = T2 t1(1.20)( )( ) ( )( ) ( ) ( )1 2 2 12 12 1 1 2 2 1ln / ln /T t T tt tt LMTDt t T t T t (1.21)Kalau t1 > t2, maka :( )( ) ( )( ) ( ) ( )2 1 1 21 21 2 2 1 1 2ln / ln /T t T tt tt LMTDt t T t T t (1.22)Cocurrent flowq = UD Ao t = UD Ao LMTD (1.23)432 12 1ln /t tt LMTDt t _

,t2 = T1 t1t1 = T2 t2(1.24)( )( ) ( )( ) ( ) ( )1 2 2 12 12 1 1 1 2 2ln / ln /T t T tt tt LMTDt t T t T t (1.25)Contoh : Suatu fluida didinginkan dari 245oF menjadi225oF dengan mempergunakan fluida dingindalam sebuah alatperpindahan panas konsentrik Tentukan t = LMTD baikuntuk(a)counter flow dan(b)cocurrent flow untuksetiapkondisi suatufluida pendingin berikut (t1 = suhu masuk, t2 = suhu kelaur).(i) t1 = 135oF,t2 = 220oF(ii) t1 = 125oF,t2 = 210oF(iii) t1 = 50oF,t2 = 135oF(iv) t1 = 140oF,t2 = 225oF(v) t1 = 150oF,t2 = 235oFSolusi :Hanya beberapa saja yang ditunjukkan secara lengkap penyelesaiannya, tetapi seluruhhasil perhitungandiberikan. Disampingituperlukiranyadiperhatikanbahwa harga LMTD adalah lebih kecil daripada harga rata-rata biasa.Set 1 : T1 = 245oF, T2 = 225o, t1 = 135oF, t2 = 220oFT1= 245oFt1= 135oFt2= 220oFt2= 25oFt1= 90oFT2= 225oFt1= 135oFt2= 110oF t2= 220oFT1= 245oFt1= 5oFT2= 225oFCounter flowCocurrent flowt2 = t1 t2 = 245 220 = 25oF t2 = T1 t1 = 245 135 = 25oFt1 = t2 t1 = 225 135 = 90oF t2 = T2 t2 = 225 220 = 5oF44( ) ( )( ) ( )1 2 2 11 2 1 10 0 ln / ln /90 25 90 2550, 734ln 90/ 25 ln 110/ 5t t t tLMTD LMTDt t t tF F Set 2 : T1 = 245oF, T2 = 225o, t1 = 125oF, t2 = 210oFCounter flow Cocrrent flowt2 = 245 210 = 35oF t2 = 245 125 = 120oFt1 = 225 125 = 100oF t1 = 225 210 = 15oF( ) ( )( ) ( )1 2 2 11 2 1 10 0 ln / ln /100 35 120 1561, 950, 5ln 100/ 35 ln 120 /15t t t tLMTD LMTDt t t tF F Set 3 : T1 = 245oF, T2 = 225o, t1 = 50oF, t2 = 135oFCounter flow Cocurrent flowt2 = 245 135 = 110oF t2 = 245 50 = 195oFt1 = 225 50 = 175oF t1 = 225 135 = 90oF( ) ( )( ) ( )1 2 2 11 2 1 10 0 ln / ln /175 110 195 9061, 9135, 8ln 175/110 ln 195/ 90t t t tLMTD LMTDt t t tF F Set 4 : T1 = 245oF, T2 = 225o, t1 = 140oF, t2 = 220oF(suhu keluar fluida panas = suhu keluar fluida dingin)t2 = 245 225 = 20oF t2 = 245 140 = 105oFt1 = 225 140 = 85oF t1 = 225 225 = 0oF( ) ( )( ) ( )1 2 2 11 2 1 10 0 ln / ln /85 20 105 046, 90ln 85/ 20 ln 105/ 0t t t tLMTD LMTDt t t tF F Set 5 : T1 = 245oF, T2 = 225o, t1 = 150oF, t2 = 235oF45T1= 245oFt1= 150oFt2 = 235oFT2 = 225oFt1= 150oFt2= 235oFT1 = 245oFT2 = 225oFCounter flowCocurrent flowt2 = 245 235 = 10oF t2 = 245 150 = 95oFt1 = 225 150 = 75oF t1 = 225 235 = -10oF( ) ( )( )( )( )1 2 2 11 2 1 10 ln / ln /95 1075 1032, 3?ln 75/10 ln 95/ 10t t t tLMTD LMTDt t t tF SUHU FLUIDA KALOR K RATA-RATAPemakaianU1danU2masihtidakmemuaskan, karenadiperlukanduakali perhitungan bentuk kedua koefisien film individual hiodan hountuk mendapatkan U1dan U2, untuk menyederhankannya disini dipergunakan cara Calburn, yaitu dipilih koefisien gabungan singular, Uxpada mana seluruh permukaan dipandang sebagai memindahkan panas pada LMTD. Dengan demikian Ux didefinisikan sebagai : ( ) ( )1 2 2 1 2 11 2 2 1 2 1ln / ln /xU t U t t t qUA U t U t t t (1.26)Ux = a (1 + b tc) (1.27)dimana, = a, b adalah konstanta luas untuk masing-masing fluida dan tc adalah suhu pada terminal dingin.46Dengan memasukkan persamaan (1.27) ke dalam persamaan (1.26), diperoleh,( )( ) ( )( ) ( ) ( )( )1 2 2 11 2 2 12 12 1' 1 ' ' 1 'ln 1 ' / 1 '' 1 'ln /x ca b t t a b t tb t t b t tU a b tt tt t+ + + + + (1.28)Uxakan dapat diketahui dengan jelas menemukan tc, yaitu suhu yang dipergunakan untuk menentukan sifat-sifat fluida yang akan dipakai untuk menghitung hi dan ho dan kemudian Ux.Tetapkan, Fc = (te t1) / (t2 t1) (1.29) ( )2 1 2 11 11/ 'h cccU U t t U UKb t U U + (1.30)12cht trt t (1.31)Dengan susbstitusipersamaan (1.29), (1.30) dan (1.31) ke dalam persamaan (1.28) diperoleh hubungan berikut :( )( )1/1ln 11lnccc cKFK Kr+ ++(1.32)Persamaan (1.32) telah di plot pada Fig. 17 Kern hal 827, dengan Kcsebagai parameter, dimana :2 11h cccU U U UKU U (1.33)47dimana, Ucadalahkoefisien (film) gabunganpadaterminal dingin, danUh adalah koefisien (film) gabungan pada terminal panas.Apabila Fcyang harganya pada umumnya paling besar 0,5 telah dapat ditentukan, maka suhu-suhu kalorik dapat dihitung dari persamaan-persamaan berikut :Suhu kalorik fluida dingin, tc :tc = t1 + Fc (t2 t1) (1.34)suhu kalorik fluida panas, Tc :Tc = T2 + Fc (T1 T2) (1.35)Cara-cara pemakaian suhu kalorik.(i)PadaumumnyaFcyangdiperlukanuntukpenentuan tcdanTcdapat diperoleh dariFig. 17 Kern dengan jalan menentukan Kcterlebih dahulu tc/th.a.Untuk petroleum cut Kc dapat di taksir dari Fig 17 Kern bagian atas (insert) berdasarkan API gravity dan (T1 T2) atau (t2 t1).b.Untuk fluida yang non petroleum cut Kc ditaksir dari Ke = (Uh Uc)/Uc, sedangkan Uh dan Uc masing-masing diperoleh dari hio 48danhoberdasarkankondisi-kondisi suhupadaterminal panasdan terminal dingin melalui persamaan Uc = (hio.ho)/hio + ho. (ii)Apabila fluida panas dan fluida dingin keduanya adalah petroleum cut Kc dapat ditaksir melalui salah satu cara :a.Kcuntukmasing-masingaliranditentukandari Fig. 17Kerninsert, danKcyanghargnyalebihbesardipergunakanuntukmenentukan harga Fc.b.Kcditentukandari Fig. 17Kerninsert, hanyauntukalirandengan viskositas yang lebih besar (pada terminaldingin), Kcinikemudian dipergunakan untuk menentukan harga Fc.(iii)Untuk sistimdiamanpetroleumcut merupakan salahsatufluida, Kc ditentukandari Fig. 17Kerninsert berdasarkanpadaAPI gravitydan selisih suhu (T1 T2) atau (t2 t1) petroleum cut tersebut, karena fluidasi tersebut dianggap yang mengontrol.(iv)Apabilafluida-fluidayangditangani itukeduanyatidakviskos, katakan viskositas-viskositasnya tidak ada yang melebihi 1,0 cP, kalau range suhu tidak melebihi 50 100oF dan apabila beda suhu adalah lebih dari 50oF, maka dapat dipergunakan suhu rata-rata aritmatik biasa, untuk Tc maupun tc, yaitu :Tc = (T1 + T2)/2 dan tc = (t1 = t2)/249c c w co io ioT t t tqR R R +Disampingituuntukfluidayangtidakviskos, faktor koreksi viskositas w = (/w)0,14 dapat diambil sebagai 1,0. SUHU DINDING PIPAApabila hi dan ho telah diketahui, maka suhu pada dinding pipa tw dapat dihitung darisuhu kalorik.Untuk kasus panas mengalir ke dalam pipa (fluida dingin dalam pipa). Biasanya beda suhu tembus dinding tw tpdiabaikan dan seluruh pipa berada pada suhu permukaan luar tw. Apabila suhu kalorik di luar pipa adalah Tcdan suhu kalorik di dalam pipa adalah tc, dan 1/Rio = hio = hi(Di/Do), maka : (1.36)Dengan mensubstitusikan hodan hiountuk Rodan Riopada persamaan (1.36) maka diperoleh :1/ 1/ 1/c c w co io ioT t t tqh h h +(1.37)Dan dapat ditemukan dengan penyederhanakan persamaan tersebut, dengan hasil sebagai berikut :Untuk fluida panas di luar pipa dan fluida dingin di dalam pipa :( )ow c c co ioht t T th h + + (1.38)50( )iow c c co ioht T T th h + (1.39)Untuk fluida panas dalam pipa dan fluida dingin di luar pipa( )iow c c cio oht t T th h + + (1.40)( )iow c c cio oht T T th h + (1.41)Suhudindingtwini dipergunakanuntukmenentukanviskositasfluidapada suhu dinding (/w) yang dipergunakan untuk menetapkan faktor koreksi w = (/w)0,14 dimana adalah viskositas pada suhu kalorik. II.DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGER (DPHE)DoublePipeHeat Exchanger(DPHE) adalahalat perpindahanpanas yang merupakan gabungan 2 buah pipa yang berdiameter berbeda dan dipasang secara konsentris. DPHE ini biasanya digunakan apabila kebutuhan luas pemanasan lebih kecil dari 120 ft2.Double pipe exchangerpada dasarnya terdiri dari dua buah pipa konsentrik, satu fluida mengalir lewat pipa dalam sedangkan fluida yang satu lagi mengalir lewat annulus. Sketsa alat tersebut disajikan dibawah ini dengan 51komponen-komponenutamanya: (1). Gland, (2). Tee, (3). Returnhead, (4). Pipa dalam dan (5). Pipa luar.Sistimseperti sketsadiatas, yaitudengan2kaki, disebut 1hairpin panjangefektif exchanger tipeini biasanya12, 15dan20ft dankarenaitu panjang 1 hairpin yang bersangkutan adalah masing-masing 24, 30 dan 40 ft. Panjang 20 ft adalah ukuran maksimum untuk mencegah pembengkakan pipa dalamyang berlebihan sehingga menyentuh pipa luar. Exchanger tipe ini mudah dibuat dari bahan-bahan standar dan karenanya relatif murah.Kerugiannya:Kecilnyaluaspermukaanper hairpinmemerlukanbanyaknya hairpin dipasang seri. Ini menyebabkan kebutuhan akan tempat/ruang yang besar, dan disamping itu dimungkinkan terjadinya kebocoran pada sambungan-sambungan.

2.1 Bagian dari DPHEDouble Pipe Heat Exchanger (DPHE) terbagi dalam dua buah pipa yaitu,2.1.1 Bagian pipa dalam yang dinamakan bagian pipa2.1.2 Bagian pipa luar yang dinamakan bagian annulusBagian pipa luar(annulus)Bagian pipa dalam(pipe)Gambar 2.2. Susunan Pipa pada DPHEPadaDPHEdapat dihitungdiameter equivalent danluasaliranbahanpada masing- masing fluida yang lewat pada pipa tersebut. Untuk menghitung diameter equivalen dapat digunakan :212122DD - D perimeter Wettedarea flow . 4hr4 De (2.1)( )1 2D - Dperimeter wetted fractionalarea flow . 4De (2.2)dimana : D1 = diameter bagian pipa dalamD2 = diameter bagian pipa luar52Biasanya ukuran pipa DPHE mempunyai standar tersendiri dan spesifikasi sepertiyang terlihat pada tabel1.1 sehingga untuk menghitung flow area dan diameter equivalen sudah ada dalam tabel tersebut.Tabel 2.1 Ukuran, diameter equivalen dan flow area DPHEUkuran DPHE (in)Flow area (in2) Annulus (in)Annulus Pipa De De2 x 1 2 x 1 3 x 24 x 31,192,632,933,141,501,503,357,380,9152,021,571,140,400,810,690,53* Sumber : Kern, Process Heat Transfer, tabel 6.2 hal. 110Sedangkan untuk melihat dimensi atau data pipa dapat dilihat pada tabel 2.2.Tabel 2.2 Dimensi beberapa ukuran pipa, diambil dari Kern, tabel 11 hal 844532.2 Pembagian DPHE menurut AlirannyaDilihatdari arah fluidanya yang mengalir,maka padaDoublePipe Heat Exchanger dapat dibagi mnejadi :2.2.1 Aliran searah (Cocurrent)Pada jenisini baikfluida dinginmaupun fluidapanasmengalirsearah dan jenisnya bisa seri-seri maupun seri-paralel.542.2.1aDPHE aliran searah jenis seri-seriPada DPHE ini baik fluida panas maupun fluida dingin mengalir searah dan secara seri-seri seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini :MT1mt1MT2mt2(a) Sket DPHE aliran searahm, t2m,t1M, T1M, T2(b) DPHE aliran searah jenis seri seri T2t1T1t2panjang pipaTemperatur(c) Hubungan temperatur dan panjang pipaGambar 2.2DPHE dengan aliran searah jenis seri-seri 2.2.1bDPHE aliran searah jenis seri-paralelPada DPHEini baik fluida panas maupun fluida dingin mengalir searah dan seri-seri. Pada bagian annulus atau pipa luar aliran fluida mengalir tanpadiparalel, sedangkanpadabagianpipaataupipabagian dalamfluidamengalir dengan terlebih dahulu diparalel. DPHEjenis ini sepertiyang terlihatpada gambar dibawah ini, pada jenis inifluida dingin masuk ke dalam DPHE diparalel menjadi m1, t1 dan m2, t2 sedangkan fluida panas masuk secara seri. Keluar dariDPHE menjadi m1, t2dan m2, t2. Ke dua aliran kemudian akan bersatu menjadi m, t2.m2, t2m1, t1m, t2m2,t1m, t1m1, t255Gambar 2.3. DPHE dengan aliran seri-paralelDalamcara ini bagian dengan penggunaan pressure drop yang melebihi batasdiatur secaraparalel, sedangkanbagiandenganpressure drop rendah diatur dalambatas yang diizinkan. Apabila aliran paralle tersebut membagidua aliran semua pengaruhnya terhadap pressure drop adalah besar sekali, yaitu pressude drop-nyamenjadi1/8 x presure semula, hal ini disebabkan karena :P G2 L, dan jika G menjadi nya dan L nya juga separuhnya, maka P baru = L2 x 2 = 1/8 P lama.Dapat diharapkan bahwaheat transfer coefficientpunakan turun harganyadanjugaakanterjadi penurunanLMTD, tetapi hasil akhirnya menjadi lebih favoralble. Beda suhu t yang sebenarnya dalam sistim seri-paralel. Penurunan dapat dilihat pada Kern hal. 117 120, dan hasil akhir untuk perencanaan adalah sebagai berikut :(i) Satu series dari fluida panas dan n paralel fluida dingin( )( )1/1 2 2 12 1 1 11 11 ' ' ' 1 1 12, 3 log' 1 ' ' '' 'np nR RR R p RT T T tR dan pn t t T tt T t 1 _ _ +1 ,1 , ] (ii) Satu series fluida dingin dan n paralel fluida panas

( )( )( )( )1/1 21 22 1 1 11 11 " 12, 3 log 1 " "1 " "" "np nR RR pT T nT tR dan pt t T tt T t 1 _ +1 1 , ] 2.2.2 Aliran tidak searah (Countercurrent)Padajenisini baikfluidadinginmengalir tidaksearahdenganfluida panas dan jenisnya bisa seri-seri maupun seri paralel.2.2.2aDPHE aliran tidak searah jenis seri-seri56Pada DPHE ini baik fluida dingin mengalir tidak searah dengan fluida panas dan secara seri-seri seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini,MT1 mt1MT2mt2(a) Sket DPHE aliran tidak searahm, t2m, t1M,T1M,T2(b) DPHE aliran tidak searah seri seri T2t1T1t2panjang pipaTemperatur(c)Hubungan temperatur dan panjang pipaGambar 2.4. DPHE dengan aliran tidak searah2.2.2bDPHE aliran tidak searah jenis seri-paralelPada DPHE ini baik fluida panas mengalir tidak searah dengan aliran fluidadingindansecaraseri-paralel. Padabagianannulusataupipaluar aliran fluida mengalir tanpa di paralel sedangkan pada bagian pipa atau pipa bagian dalam fluida mengalir dengan terlebih dahulu diparalel. DPHE jenis ini seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini, pada jenis ini fluida dingin masuk ke dalam DPHE diparalel menjadi m1, t1 dan m2, t1 sedangkan fluida panas masuk secara seri. Keluar dariDPHE menjadi m1, t2dan m2, t2. Ke dua aliran kemudian akan bersatu lagi menjadi m, t2.m2, t2m1, t1m, t2m2,t1m, t1m1, t2M, T1M, T2Gambar 2.5. DPHE dengan aliran seri-paralel57DPHE yang dimaksud dapat dilihat pada gambar dibawah ini,Gambar 2.6. DPHE jenis seri-seri dan seri-paralel 2.2.3 Urutan Perancangan DPHE1. Material dan heat balanceQ = M . CP . T = M . = m . cp . t2.Menghitung T (LMTD)( )2 12 1LMTDt / t lnt - tt 3. Menghitung suhu caloric (Tc dan tc)4. Trial ukuran dan panjang potongan pipa DPHEEvaluasi Perpindahan PanasBagian Annulus (..........................) Bagian Pipa (.............................)5. Menghitung NReaan dapat dicari pada tabel 6.2 Kernde dapat dicari pada tabel 6.2 Kern dapat dicari pada gambar 14 KernananaMG atau ananamG 2,42 .de . GNanRe6. Mencari faktor panas (JH)JH dicari pada gambar 24 Kern7. Mencari harga koefisien film PP, ho14 , 03 / 1H ok. cpdekJ h

,_

,_

,_

w 5. Menghitung NRe pipadi dapat dicari pada tabel 11 Kernap dapat dicari pada tabel 6.2 Kern dapat dicari pada gambar 14 KernppaMG atau ppamG 2,42 .di . GNpRe6. Mencari faktor panas (JH)JH dicari pada gambar 24 Kern7. Mencari harga koefisien film PP, hi14 , 03 / 1H ik. cpdekJ h

,_

,_

,_

w hio = hi (di / do)588.Mencari tahanan panas pipa bersih (UC)io iio iCh hh . hU+9.Mencari tahanan panas pipa terpakai (UD)D CD Cd U . U U - UR 10. Mencari panjang ekonomis dengan mencari over design yang terkecil dari panjang pipa standar.Lpipa (ft)Hairpin (buah)Pembulatan hairpin Lbaru (ft)Abaru (ft2)UD baru (Btu/jam. ft2.oF)Rd hitung (jam.ft2.oF/Btu)Rd over design (%)121520 Evaluasi PBagian Annulus (...........................) Bagian Pipa (............................)1. Menghitung Nre dan Friksi2,42 .G . deNreanan( )42 , 0pNre0,2640,0035 f + 2. Mencari P karena panjang pipade . . g . 2L . G . f . 4P22anl

,_

g' . 2vn P2n3. Mencari P total pada pipa annulus( )144P P Pl n an + 1. Menghitung Nre pipa atau diambil dari tahap 5.2,42 .G . diNrepp( )42 , 0pNre0,2640,0035 f + 2. Menghitung P pipa 144 di . . g . 2L . G . f . 4P22tp Untuk mempermudah menghitung harga hi maupun ho dapat dilakukan dengan mengganti(/w)0,14pipa=idan(/w)0,14anulus=o, dimanawadalah viskositas fluida pada suhu tw atau suhu dinding yang harganya :( )( ) ( )( )C Ci io an oan oc w t - T/ h / h/ ht t + + Contoh:9820lb/jambenzene harusdipanaskandari80sampai 120oF denganmengambilpanas dari toluene yang karenanya adanya turun dari 160 ke 100oF. Spesific gravity pada 68oF adalah 0,88 dan 0,87. Properti fluida yang lain dilihat pada appendix. Untuk tiap aliran disediakan 59fouling facror 0,001 jam.ft2.oF/Btu, dan pressure drop yang bisa diijinkan pada masing- masing aliran tidak melebihi dari 10 psi. Tersedia cukup banyak exchanger dengan ukuran 2 x 1 in IPS 20 ft. Berapa banyak hairpin yangdiperlukan?Jawab :1. Heat Balance :tav (Benzen) = (80 + 120) / 2 = 100oFc = 0,425 Btu/(lb)(oF) (fig. 2 Kern) Q = 9820 x 0,425 (120 80) = 167.000 Btu/jamTav (Toluene) = (160 + 100) / 2 = 130oFc = 0,44 Btu/(lb)(oF)(fig. 2 Kern)W= 167.000/0,44(160 100) = 6330 lb/jam 2. Penentuan LMTDFluida Panas Fluida dingin Beda t160 Suhu tinggi 120 40 t2100 Suhu rendah 80 20 t1Beda 20 t2 - t1( ) ( )F 28,840/20 ln 20 t / t ln t - tLMTDo1 21 2 3. Temperaturkaloric: Di cekkeduaarusnyaakanmenunjukkanbahwaadalahtidak viscos pada terminalyang dingin (yang viskositas kurang dari1 cp) dan perbedaan temperatur dan range temperatur adalah moderat. Maka koefisien boleh dievaluasi dari properti pada nilai perhitungan, dan nilai ((/(w)0,14 mungkin diasumsikan sama dengan 1,0.Tav = (160 + 100) = 130oF tav = (120 + 80) = 100oFBerprosessekarangpadapipabagiandalam. Di cekpadatabel 6.2menunjukkan bahwa area arus dari pipa bagian dalamadalah lebih besar dari anulus. Menempatkan arus yang lebih besar, benzen didalam pipa bagian dalam.Evaluasi Perpindahan PanasFluida Panas : Annulus, Toluen Fluida Dingin : Pipa, Benzen4. Menentukan Bilangan ReynoldD2= 2,067/12 = 0,1725 ftD1= 1,66 / 12 = 0,138 ftaan = (D22 D12) / 4 = (0,17252 0,1382) / 4= 0,00826 ft2De = (D22 D12) / D1 = (0,17252 0,1382) / 0,138 = 0,0762 ftMass Velocity, Gan = M / aan = 6330 / 0,00826 = 767.000 lb/jam.ft2Pada 130oF, = 0,41 (Fig. 14 Kern)= 0,99 lb/jam.ft k = 0,085 Btu/jam.ft2.oF (Tabel 4 Kern) Nre = (De . Gan) / = (0,0762 x 767000) / 0,99 = 59.0005. Mencari KoefisienFilmPerpindahanPanas,ho.JH = 167(Fig. 24 Kern)Menentukan Nre pada pipa D = 1,38/12 = 0,155ftap = D2/4 = (0,155)2/4 = 0,0104 ft2Mass Velocity,Gp = M/ap = 9820/0,0104 = 943000 lb/jam ft2Pada 100oF, = 0,50 (Fig. 14 Kern)= 1,21 lb/jam.ftk = 0,085 Btu/jam.ft2.oF (Tabel 4 Kern)Nre = (D . Gp) / = (0,115 x 943000)/1,21 = 895005. Mencari koefisienperpindahanpanas,hi.JH = 236(Fig. 24 Kern)60 323085 , 00,99 . 44 , 00,07620,085167k. cpDekJ h3 / 114 , 03 / 1H o ,_

,_

,_

,_

,_

w F . Btu/jam.ft 333091 , 01,21 . 425 , 00,1150,091236k. cpdekJ h23 / 114 , 03 / 1H iow

,_

,_

,_

,_

,_

hio = hi (ID/OD)=333(1,38/1,66) =276 Btu/jam.ft2.oF6. Clean Overall Coeficient, UCF . Btu/jam.ft 149323 276323 . 276 h hh . hUo 2o ioo ioC++7. Design Overall Coeficient, UDRdU1 U1C D+ Rd = 0,002Jam.ft2.oF/Btu2DD1 1 0,002 U115Btu/jam.ft . FU 149o + 8. Luas permukaan yang diperlukanQ = UD . A . t2o o 2Dft 50,5F 28,8 xF . Btu/jam.ft 115Btu/jam 167000 t . UQA dari tabel 11 Kern untuk 1 in IPS pipa standar adalah 0,435 ft2 pada permukaan luar per panjang pipa.Panjang yang dibutuhkan = 50,5 / 0,435 = 116 ft9. Permukaan yang disediakan sesungguhnya adalah 120 x 0,435 = 52,2 ft2, maka faktor pengotor adalah akan lebih besar dibanding diperlukan. Desain koefisien yang nyata adalahF . Btu/jam.ft 11128,8 x52,2167000U2Do F/Btu . jam.ft 0,0023111 . 149111 - 149 U . U U - URd2D CD C o Evaluasi Pressure DropFluida Panas : Annulus, Toluen Fluida Dingin : Pipa, Benzen2. Menentukan Nre dan friksiDe untuk pressure drop berbeda dari De untuk perpindahan panas De = (D2 D1)(pers. 6.4 Kern) = (0,1725 0,138) = 0,0345 ft Nre = (De . Gan) / = (0,0345 x 767000)/0,99 = 26.8000,0071268000,2640,0035Nre0,2640,0035 f0,420,42 + + s = 0,87, = 62,5 x 0,87 = 54,3(tabel 6)1. Menentukan Nre pada pipaUntuk Nre = 89500 didapat :( )0,0057895000,2640,0035Nre0,2640,0035 f0,4242 , 0p + + s = 0,88, = 62,5 x 0,88 = 55,0(tabel 6) 613. Menentukan P karena panjang pipa( )( ) ( )( )( )( )23,50345 , 0 3 , 54 x10 4,18 2120 767000 0,0071 4 de . . g . 2L . G . f . 4P8222anl ft/s 3,9254,3 x3600767000 3600GV ft 0,732,2 . 23,923g' . 2vn P2 2n

,_

,_

( )( ) psi 9,21443 , 540,7 23,5 144P P Pl n an + + 2. Menghitung P pipa( ) ( ) ( )( )( ) ( )psi 3,214455,08,3115 , 0 0 , 55 10 x4,18 2120 943000 0,0057 4

di . . g . 2L . G . f . 4P2 8222tp 2.3 DPHE Seri Paralel 2.3.1 Fluida dingin di paralelt = (T1 t1)dimana untuk mencari harga :( )11]1

+

,_

R'1 P'1R'1 - R'log1 - R'R' . p2,3P' - 1P / 1( )1 22 1 t - t pT - TR' dan 1 11 2 t - T t - TP' 2.3.2 Fluida panas di paralelt = (T1 t1)dimana untuk mencari harga :( )11]1

+

,_

R"P"1R" - 1 logR" - 1p2,3P" - 1P / 1( )1 22 1 t - t) T - p(TR" dan 1 12 1 t - T t - TP" 62m2, t2m1, t1m, t2m2,t1m1, t2M,T2M,T1M2, T2M, TM, T2M2, T1M1, T2m, t2m, t1M1, T12.4 Urutan Perancangan DPHEDalamperancangan DPHEsecara seri-paralel yang perlu dirancang adalah panjang pipa yang nantinya akan dirobah menjadi jumlah hairpin sesuai dengan potongan pipa yang digunakan. Namun banyaknya hairpin harus sesuai denganjumlahparalel yangdirancang. Urutanperancangantersebut terlihat pada bagian berikut :Urutan Perancangan DPHE1. Material dan heat balanceQ = M . CP . T = M . = m . cp . t2. Menghitung T (LMTD)Dicoba fluida panas atau dingin jumlah paralel pipanya (p)t = (T1 t1)dimana sesuai dengan fluida yang diparalel3. Menghitung suhu caloric (Tc dan tc)4. Trial ukuran dan panjang potongan pipa DPHE Evaluasi Perpindahan PanasBagian Annulus (..........................) Bagian Pipa (.............................)5. Menghitung NReaan dapat dicari pada tabel 6.2 Kernde dapat dicari pada tabel 6.2 Kern dapat dicari pada gambar 14 KernananaMG atau ananamG 2,42 .de . GNanRe6. Mencari faktor panas (JH)JH dicari pada gambar 24 Kern7. Mencari harga koefisien film PP, ho14 , 03 / 1H ok. cpdekJ h

,_

,_

,_

w 5. Menghitung NRe pipadi dapat dicari pada tabel 11 Kernap dapat dicari pada tabel 6.2 Kern dapat dicari pada gambar 14 KernppaM/pG atau ppam/pG 2,42 .di . GNpRe6. Mencari faktor panas (JH)JH dicari pada gambar 24 Kern7. Mencari harga koefisien film PP, hi14 , 03 / 1H ik. cpdekJ h

,_

,_

,_

w hio = hi (di / do)8. Mencari tahanan panas pipa bersih (UC)io iio iCh hh . hU+639. Mencari tahanan panas pipa terpakai (UD)D CD Cd U . U U - UR 10. Mencari panjang ekonomis dengan mencari over design yang terkecil dari panjang pipa standar.L pipa (ft)Hairpin (buah)Pembulatan hairpin L baru (ft)A baru (ft2)UD baru (Btu/jam. ft2.oF)Rd hitung (jam.ft2.oF/Btu)Rd over design (%)121520Evaluasi PBagian Annulus (...........................) Bagian Pipa (............................)1. Menghitung Nre dan Friksi2,42 .G . de'Nreanan( )42 , 0pNre0,2640,0035 f+ 2. Mencari P karena panjang pipade . . g . 2L . G . f. 4P22anl

,_

g' . 2vn P2n3. Mencari P total pada pipa annulus( )144P P Pl n an + 1. Menghitung Nre pipa atau diambil dari tahap 5.2,42 .G . diNrepp( )42 , 0pNre0,2640,0035 f+ 2. Menghitung P pipa 144 di . . g . 2(L/p) . G . f. 4P22tp Untuk mempermudah menghitung harga hi maupun ho dapat dilakukan dengan mengganti(/w)0,14pipa=idan(/w)0,14anulus=o, dimanawadalah viskositas fluida pada suhu tw atau suhu dinding yang harganya :( )( ) ( )( )C Ci io an oan oc w t - T/ h / h/ ht t + + Contoh :Gasolin(57oAPI) akan dipanaskan dari 220oF menjadi 230oF menggunakan Gas Oil(26o API) dengan rate 13000 lb/jam didalam suatu DPHE dengan ukuran 3 x 2 in sch 40 dengan potonganpipa 20ft, sehinggasuhunya turundari 450oCmenjadi 350oF.Jikafaktorpengotor gabungan minimal 0,004 jam.ft2.oF/Btu dan pressure drop masing-masing aliran maksimalsebesar 10 psi. Rancang dan gambarlah DPHE tersebut .Jawab :64T2 = 350oFGasolin (57o API)t1 = 220oF Gas Oil (26o API)T1= 450oFM= 13000 lb/jamt2 = 230oF1. Heat Balance :Q= M . Cp . T = m . cp . t = 13000 . 0,62 (450 350) = m . 0,584 (230 220) = 806.000 Btu/jam; m = 138.014 lb/jam2. Menghitung TDari rate dan flow area pipa maka fluida dingin akan diletakan pada bagian pipa dan fluida panas dalam annulus.Dicoba fluida dingin diparalel sebanyak 2 buah, maka :( ) ( )( )0,565220 - 450220 - 350 t - T t - TP'5220 - 230 2350 - 450 ) t - (t pT - TR'1 11 21 22 1 ( )0,7428;P'1R'1 - R'log1 - R'nR'2,3P' - 1 ,_

T = (T1 t1) = 0,7428 (450 220) = 170,844oF3. Menghitung Suhu Kaloric (TC dan tC)TC = T2 + Fc (T1 T2)Dari gambar 17 Kern halaman 827, KCpada fluida panas = 0,44 dan fluida dingin < 0,1, sehingga diambilKC= 0,44. Dariharga tC/th = 0,59 didapatkan Fc = 0,425,sehingga :TC = T2 + Fc (T1 T2) = 350 + 0,425 (450 350) = 392,5oF tC = t1 + Fc (t2 t1) = 220 + 0,425 (230 220) = 224,25oFEvaluasi Perpindahan PanasFluida Panas : Annulus, Gas Oil Fluida Dingin : Pipa, Gasoline4. Menentukan Bilangan ReynoldMass Velocity, Gan = M / aan= 13000/(2,93/144) = 631067,9 lb/jam.ft2( ) ( )10345,376 2,42 . 3525 , 39 , 631067 1,57/12 2,42 .G . deNrean 5. Mencari Koefisien Film Perpan, ho.JH = 38 F . Btu/jam.ft 80,9230675 , 02,42 . 8,113 . 65 , 01,57/120,067538k. cpDekJh23 / 114 , 03 / 1Hanoow

,_

,_

,_

,_

,_

4. Dicoba paralel sebanyak 2 buah Mass Velocity,

( ) ( )( )2ppft lb/jam 9 2961673,81 144 /35 , 32 /138014 am/pG ( )( )780986,22 2,42 . 27 , 0819 , 2961673 2,067/12 2,42 .G . diNrep 5. Mencari koefisien perpan, hi.JH = 1300 F . Btu/jam.ft 1058,183085 , 02,42 . 0,27 . 584 , 02,067/120,0851300k. cpdekJh23 / 114 , 03 / 1Hpiow

,_

,_

,_

,_

,_

65( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )F 237,8 224,25 - 5 , 39280,923 833 , 92080,923224,25 t - T/ h / h/ ht toC Ci io an oan oc w++ + + 68,865 25,78,11380,923hh14 , 014 , 0anoo

,_

,_

w F . Btu/jam.ft 920,833 0,1980,17231058,183dodi h ho 2pipio

,_

,_

F . Btu/jam.ft 925,437 0,62920,6534920,833hho 214 , 0 14 , 0pio

,_

,_

w6. Mencari tahanan panas pipa bersih, UCF . Btu/jam.ft 64,09568,865 925,43768,865 . 925,437 h hh . hUo 2o ioo ioC++7. Mencari tahanan panas pipa terpakai (Design Overall Coeficient, UD)F . Btu/jam.ft 51,016U , U 095 , 64 U - 64,0950,004 U . U U - UR2DDDD CD Cdo+Q = UD . A . T,A = 92,48 ft2, L = 92.48/0,522 = 148,68 ftJumlah hairpin = 148,68 / (2 x 20) buah = 3,717 4 buah atau panjang pipa menjadi 160 ft.Hasil ini dicek kembali harga Rd yang didapatkan :Rd = (160/148,68) x 0,004 = 0,0055 Jam.ft2.oF/Btu (Over design)

Evaluasi Pressure DropFluida Panas : Annulus, Toluen Fluida Dingin : Pipa, Benzen1. Menentukan Nre dan friksiDe untuk pressure drop berbeda dari De untuk perpindahan panas De = (D2 D1)(pers. 6.4 Kern)

Nre = (De . Gan) / = 4511,5170,01124511,5170,2640,0035Nre0,2640,0035 f0,420,42 + + s = 0,77, = 62,5 x 0,77 = 48,125 (tabel 6)2. Menentukan P karena panjang pipapsi 11,03de . . g . 2L . G . f . 4P22anl ft 0,36144 g' . 2vn P2n

,_

( ) psi 11,39 P P Pl n an + 1. Menentukan Nre pada pipaUntuk Nre = 780986,22 didapat :( )0,0044780986,220,2640,0035Nre0,2640,0035 f0,4242 , 0p + + s = 0,675, = 62,5 x 0,675 = 42,192. Menghitung P pipapsi 14,1144 di . . g . 2L . G . f . 4P22tp Dilihat daripressure drop dibagian pipa maupun annulus melebihi ketetapan, sehinggaperlu dicoba dengan jumlah parallelatau kalau jumlah paralleltetap maka ukuran pipa perlu dicoba yang baru misalnya 4 x 3 in sch 40.66III. SHEEL AND TUBE EXCANGERS3.1 Shell and Tube ExchangersHEtypeShell andTubeadalahalat pemindahpanasyangterdiri dari bagian shell yang didalamnya berisi bagian tube yang jumlahnya banyak. Heat Exchanger inidigunakan apabila luas perpindahan panasnya > 120 ft2. Untuk menyatakan type shell and tube dinyatakan dengan penulisan :1 2exchanger2 4exchanger3 6exchanger4 8exchangerMenyatakan lewatan minimum pada bagian tubeMenyatakan lewatan pada bagian sheelContoh : 1 2 exchanger artinya :1 lewatan pada bagian shell2 lewatan maksimum pada bagian tubeGambar sketnya :M, T2 m,t1m, t2M,T1semakin besar jumlah lewatan sheel semakin banyak panas yang diserap tetapi semakin sulit perawatannya. Biasanya untuk menghindari hal tersebut dilakukan dengan pemasangan secara seri, misalnya :2 4 exchanger bisa dipasang menjadi 2 buah 1 2 exchanger3 6exchanger bisa dipasang menjadi 3 buah 1 2 exchangerExchanger tipe banyak dipergunakan dalamindustri proses, karena konstruksi kompakdan dapat meyediakan perpindahan panas yang besar. Alat ini terdiri dari sebuah shell yang didalamnya berisi banyak tube yang sumbunya sejajar dengansumbushell. Turbulensi padabagiantubedapat ditingkatkan denganmengatur banyakpass(n),sedngkanutrbulensi padabagianshell diatur dengan pemasangan sejumlah baffle tegak.67Dari sejumlah variasi sheel and tube, tiga contoh utama adalah :(i) Fixed Tube Plate ExchangerJenis ini lebih murah karena konstruksi sederhana, tetapi pembersihan secara mekanis dari tube bagian luar tidak dapat dilakukan dan karenanya dipergunakan untuk fluida lewat shell yang bersih. (ii) U-Tube ExchangerJuga konstruksinya sederhana dan memungkinkan terjadinya perbedaan dalampemuaian antara tube dan shell. Pembersihan permukaan luar dapat dilakukan dengan membuat bagian shell, tetapi pembersihan bagian dalam tube sulit dilakukan karena bentuk U dan terbatas penggunaan untuk fluida yang melalui tube yang relatif bersih (iii) Floating Head ExchangerMemberikan kesempatan terjadinya perbedaan pemuaian antara tube dan shell, disamping pembersihan pada bagian dalam maupun bagian tube, tetapikonstruksi relative mahal. Oleh karena itu tipe ini banyak dipergunakan dalam industry proses dan industry minyak (petroleum). Beberapa halyang perlu diperhatikandalam exchanger type shelland tube adalah :1.T = Ft .TLM, dimana Ftadalah faktor koreksisuhu, dengan terlebih dahulu mencari harga Rdan Spada Fig. 18 23 Kern.Pada pencarian harga Ft harus berurutan sekaligus mendapatkan type exchanger. Untuk menentukan type HE :a. Type HE 1 2 harga Ft > 0,75b. Type HE 2 4 dan seterusnya harga Ft > 0,9ApabilapenggunaanFig. 1823Kernkurangmeyakingkan, makaFT sebaiknya dihitung menggunakan persamaan (7.41)Kernhal. 144 untuk HE 1-2, sedangkan untuk HE 2-4, 3-8 dan seterusnya perhitungan untuk FT dilakukan menggunakan persamaan (8.5) hal. 177 Kern.2. Pada Shell and Tube potongan pipa yang digunakan biasanya berukuran 12, 16 dan20 danspesifikasinyadinyatakandenganBWG. Sebagai contoh :68pipa OD. 16 BWG.Data-data pipa tersebut dapat dilihat pada tabel 10 Kern. Jumlah pipa di dalam suatu shelland tube merupakan jumlah yang standar dan dapat dilihat pada tabel 9 Kern. Didalam tabel tersebut didapatkan jumlah pipa juga didapatkan jumlah passes tube dan inside diameter shell. Susunan pipa di dalam shell dalam bentuk :CPTdoC = PT 2 x do =PT doa. segiempat (square) b. segitiga (triangular)SelainCadanPTpadasusunantubetersebut dapat dicari hargade (diameter equivalen) seperti yang terlihat pada tabel dan gambar 28 Kern.3. Pada bagian sheel aliran dapat diperlamadengan cara penambahan Baffle(sekat).Bjarak antara baffle ditetapkan :a. (1/5 sampai 1) x IDS untuk fluida berupa liquidab. mendekati 1 x IDS untuk fluida berupa gasYang terpenting adalah jumlah cross (N + 1) yang harganya : (12 x L)/B tidak boleh merupakan bilangan pecahan tetapi bilangan bulat.Koefisien perpindahan panas bagian tube hiberbanding langsung dengan banyaknyalewatan(n) denganpangkat 0,8atauhixn0,8, tetapi penurunan tekanannya berbanding dengan banyaknya lewatan pangkat 3 atau Pt x n3, ini berarti apabila banyak lewatan dirubah dari 2 menjadi 8, maka secara kualitatif :

0,8,8,2832iihh _ ,Sedangkan perubahan tekanan P adalah (secara kualitatif) :693,8,28642ttPP _ ,Jarak antarabaffletegak Bmempunyai pengaruh baik terhadap koefisien perpindahn ho maupun penurunan tekanan Ps pada bagian shell. Makin besar harga B, maka makin kecil ho maupun Ps. Secara kualitatif perubahan ho dan PsberbandingterbalikdenganBperpangkat 3. ContohnyaBdirubahdai ukuran maksimum (= 1 ID shell) menjadi ukuran minimum (= 0,2 ID shell) maka perubahan dalam ho dan Ps adalah : 0,55, min, max3, min 3, max12, 420, 21 5 1250, 2 i Bi Bs Bs BhhPIDP ID _ , _ ,3.2 Urutan Perancangan Shell and TubeDalam perancangan SHELL and TUBE yang perlu dirancang adalah luas permukaanperpindahanpanasyangnantinyaakandirobahmenjadi jumlah pipasesuai denganpotonganpipayangdigunakan. Namunbanyaknyapipa harus sesuai dengan jumlah pipa yang satandar. Urutan perancangan tersebut terlihat pada bagan berikut.Urutan Perancangan Shell and Tube1. Material and Heat balanceQ = M . CP . T = M . = m . cp . t2. Menghitung TLMTD( )2 12 1LMTDt / t ln t - tt ; T = Ft . TLM703. Menghitung Suhu Caloric (Tc dan tc)Tc = T2 + Fc (T1 T2) tc = t1 + Fc (t2 t1)4. Mencari IDS dan jumlah pipa dimulai dengan trial UDt . UQA DdanL . a"ANt Nt distandarkan dan IDSdidapatkan dari tabel9 Kern. Dan UD dikoreksi dengan menggunakan persamaan : trial Dstandar(koreksi) D U .NtNtU kesimpulan sementara hasil perancanganType HE=Bagian ShellBagian TubeIdS = do =BWG l =Nt =n =n = susunan= PT =de =B = a = a = di = Evaluasi Perpindahan PanasBagian Shell (........................) Bagian Tube (............................)5. Menghitung Nre144 . P . n B . C' . IDaTSS de dicari pada gambar 28 Kern dicari pada gambar 14 KernSSaMG atau SSamG 2,42 .de . GNreSS6. Mencari Faktor Panas (JH)JH dicari pada gambar 28 Kern7. Menghitung Koefisien Film PP, ho14 , 03 / 1H Ok. cpdekJ h

,_

,_

,_

w 5. Menghitung Nre pipa144 . n a' . Nt aP dicari pada gambar 14 KernPPamG atau PPaMG 2,42 .di . GNrePP6. Mencari Faktor Panas (JH)JH dicari pada gambar 24 Kern7.Menghitung Koefisien Film PP, hi14 , 03 / 1H ik. cpdekJ h

,_

,_

,_

w

,_

dodih hi io8. Mencari tahanan panas pipa bersih (UC)io iio iCh hh . hU+719. Mencari tahanan panas pipa terpakai (UD)D CD Cd U . U U - UR Diharapkan : Rd hitung > Rd ketentuanEvaluasi PBagian Shell (......................) Bagian Tube (........................)1. Menghitung Nre dan Friksi2,42 .G . deNreSSf dicari pada gambar 29 Kern2. MenghitungPShanya karena panjang shell.( )S10S2SS. S . de . 10 x22 , 51 N ID . G . fP+ 1. Menghitung Nre pipa 2,42 .G . diNrePPf dicari pada gambar 26 Kern2. MenghitungP karena panjang pipaP102PP. S . di . 10 x22 , 5n . L . G . fP 3. MenghitungP karena tube passes144 gc . 2vsn 4P2n

,_

4. Mencari P total pada bagian tubePT = PP + PnCatatan : P masing masing aliran < P ketetapanContoh :30.000 lb/jam56oAPI GasolinT1= 300oFT2= 100oFt2= 120oFt1= 86oFAir data data : 1. tube yang digunakan berukuran : 1OD 14 BWG panjang 16 ft.2. susunan pipa segi tiga dengan Pitch : 1 .3. p masing-masing aliran maksimal 10 psi4. faktor pengotor gabungan minimal 0,004 jam.ft2.oF/BtuJawab :1. Material dan heat balanceQ = M . Cp . T = m . cp . t = 30.000 (0.57) (300 100)= m . 1 . (120 86)Q = 3.420.000 Btu/jam; m = 100.5888 lb/jam 2. Menghitung T(LMTD)1 212180 1465180ln ln14oLMt tt Ftt 721 2 2 12 1 1 1300 100 120 565, 88; 0,16120 86 300 86T t t tR St t T t dari gambar 18 Kern halaman 828, tidak didapatkan harga Ftyang cocok dan darigambar 19 halaman 829 didapatkan Ft = 0,94 > 0,9 sehingga type HE 2 4.Jadi, T = Ft . TLM = 0,94 (65) = 61,1oF3. Menghitung suhu caloric (Tc dan tc)Tc = T2 + Fc (T1 T2) tc = t1 + Fc (t2 t1)dari gambar 17halaman827Kerndidapatkan, Kc=0,11dandengandemikian didapat ( tc / th) = 0,078 di dapatkan harga Fc = 0,3 sehingga; Tc = 100 + 0,3 (300 100) = 160oF 4. Trial UD = 120 Btu/jam.ft2.oF (table 8 Kern ; Light organic - cair)223.420.000/466 120/ . .(61,1 )o oDQ Btu jamA ftU t Btu jam ft F F 466111 " 0,1963(20)ANt buaha L Nt distandarkan dan IDs didapatkan dari table 9 Kern :IDs = 17 in; n = 4; Nt = 106UD terkoreksi,2 tan111(120) 126/ . .106oD terkoreksi D trials darNtU xU Btu jam ft FNt Kesimpulam sementara :Type HE : 2 4 Bagian Shell Bagian TubeIDs = 17 in do = 1 in 14 BWG, l =16 ft, Nt = 106, n = 4n = 2 susunan segitiga, PT = 1,25 in; de = 0,72 inB= 4 in a = 0,596 in2; a = 0,1963 ft2/ft; di = 0,834Evaluasi Perpindahan PanasBagian Shell (..) Bagian Tube (.)5. Menghitung Nre. '. 17, 25(0, 25)40, 045'. .144 (2)(1)144ssTID C Ban P 230.000666, 6660/ .0, 045ssMG lb jam fta ( ) 666, 666 0, 72/12 .44672.2, 42 0, 37(2, 42)s eG dNre 6. JH dicari pada gambar 28 KernJH = 1307. Menghitung harga koefisien PP, hi0,141/ 31/ 3..o HwoHsk cph Jde kh k cpJde k _ _ _

, , , _ _ , ,dari gambar 16 Kern didapat harga :.0,155cpkk _ ,sehingga,5. Menghitung Nre pipa2. ' 106(0, 596)0,105 .144 (4)144pNt aa ftn 2100.588958000/ .0,105ttMG lb jam fta ( ) 958000 0,834/12 .36680.2, 42 0, 75(2, 42)t iG dNre 6. 7. Karena fluidanya air, maka9580004, 26/3600 3600(62, 5)tGv fts dari gambar 25 Kern, didapat :hi = 1100 (0,94) = 1034 Btu/jam.ft2.oF20, 83410341862/ . .iio ioodh hdBtu jam ft F _ _ , ,73( )0,155130 3360, 71/12osh _ ,( )/114/o o sw c c cio o sht t T t Fh h + +sehingga s = (/w)0,14 = 0,97 atau ho = 336 (0,97) = 326 Btu/jam.ft2.oF5. Mencari tahanan panas pipa bersih (Uc)2326(862) .237/ . .326 862o i ioci ioh hU Btu jam ft Fh h + +6. Mencari dirt faktor (faktor pengotor) pipa terpakai 2237 1260, 0037. . /. 237(126)oc Ddc DU UR jam ft FBtuU U Ternyata : Rd hitung < Rd tetapan, jadi HE rancangannya kurang memenuhiEvaluasi pBagian Shell (................) Bagian Tube (................)1. Menghitung Nre dan friksi.44672.2, 42ande GNre f= 0,0016 (gambar 29 Kern)2. Menghitung harga (N+1) (N+1) = (12 x l)/B = (12 x 16)/4 = 48,karena passes, maka : (N+1) = 2 x 48 = 96dari hal. 809 Kern di dapatkan harga s = 0,71Menghitung hanya karena panjang shell,( )( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )210210. . . 1(5, 22 10 ). . .0, 0016 714300 17, 25/12 96 5, 22.10 0, 72/12 0, 71 0, 9752, 2 s ssssf G ID Npx de Spsi p ketetapan+ > 1. Menghitung Nre pipa atau di ambil daritahap 5.36680.2, 42tdi GNre f= 0,00019 ( gambar 26 Kern)2. Menghitung p karena panjang pipa( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )210210. . .(5, 22 10 ). . .0, 00019 958000 16 4 5, 22.10 0,834/12 1 13,1 ttsf G L npx di Spsi 3. Menghitung p karena tube passes.Dari gambar 27 Kern,20,1252 144cvg _ ,sehingga,24 4 40,125 22 144 1ncn v xp xs g _ ,p total = pt + pn = 3,1 + 2 = 5,1 psi < p ketetapan74BAB4C O N D E N S O R4.1 Pengertian CondensorCondensor adalahsemacamalat Heat Exchanger yang berfungsi untuk merobah fase gasmenjadi fase liquid. Biasanya gas yang diembunkan diletakandibagiansheel sedangkanpendingindiletakandibagianpipaatau tube. Ada beberapa macam condensor :a. Berdasarkan peletakannyaBerdasarkan peletakannya condensor ada 2 macam, yaitu : condensor horisontal condensor vertikalb. Berdasarkan prosesnyaBerdasarkan prosesnya kondensor ada tiga macam, yaitu : De-superheater condensor Saturated condensor Sub-cooled condensorc. Berdasarkan jumlah komponen yang diembunkan75Berdasarkan jumlah komponen yang diembunkan condensor dapat dibagi mnejadi 2 macam, yaitu : Mono komponen Multi komponen4.2 Condensor HorisontalDalam condensor horisontal berlaku :a. ho = 15 300 Btu/jam.ft2.oFb. beban condensor dinyatakan :- apabila pengembunan di luar pipa 2/3Nt . LMG"- apabila pengembunan di dalam pipa :Nt. L . 0,5MG" 4.3 Condensor VertikalDalam condensor vertikal berlaku :a. ho = 90 150 Btu/jam.ft2.oFb. beban condensor dinyatakan :- apabila pengembunan di luar pipa :do . . Nt MG'- apabila pengembunan di dalam pipa :organik) uap (untuk1400f .G' . 44.4 Grafik Perpindahan Panas76m,t1M, T2M,t2M, T1M, T2M, T1m, t1m, t2Q= M (hg hl )Q= m . Cp . (t2 t1) Q = m . Cp . (t2 t1)Q = M (hg hl )T2T2 T1 T1t1t1t2 t2a. Condensasi pada titik jenuhnya b. Condensasi di bawah titik jenuhnyac. Condensasi desuperheater d. Condensasi subcoolerQ = m . Cp . (t2 t1) Q= m . Cp . (t2 t1)T2T2 T1T1t1t1t2 t2Q1 = M . Cp . ( T1 T1); Q2 = M (hgt1 hl) Q1 = M (hgt1 hl); Q2 =M .Cp . ( T1 T1') Q= Q1 + Q2Q= Q1 + Q24.5 Urutan Perancangan Condensor1. Material and Heat balanceQ = Q1 + Q2 = m . cp . tUntuk desuperheater : Q1 = M . CP . (T1 T1) ; Q2 = M .(hg hl)Untuk subcooler : Q1 = M .(hg hl) ; Q2 = M . CP . (T1 T1)2. Menghitung TLMTD( )2 12 1LMTDt / t ln t - tt ; T = Ft . TLMharga Ft = 1 karena prosesnya isothermal, pada condensor type HE 1 2 karena Ft = 1 dimana dimulai n = 2 dan seterusnya.3. Menghitung Suhu Caloric (Tc dan tc)Tc = (T1 + T2) tc = (t2 + t1)4. Mencari IDSdan jumlah pipa dimulai dengan trial UD yang terletak antara 75 150 Btu/jam.ft2.oF (tabel 778Kern), termasukCooler dimanafluidanya antaralight organic dengan air.t . UQA DdanL . a"ANt Nt distandarkan dan IDSdidapatkan dari tabel 9Kern. Dan UD dikoreksi dengan menggunakan persamaan : trial Dstandar(koreksi) D U .NtNtU kesimpulan sementara hasil perancanganType HE : 1 2 Bagian Shell Bagian TubeIdS = do =BWGl =Nt =n =n = 1 susunanPT = de =B = mendekati 1 x IDS a = a = di = Evaluasi Perpindahan PanasBagian Shell (........................) Bagian Tube (............................)5. Menghitung Nre144 . P . n B . C' . IDaTSS de dicari pada gambar 28 Kern dicari pada gambar 14 KernSSaMG atau SSamG 2,42 .de . GNreSS6. -7. Menghitung harga Koefisien Film PP, hoTrial ho antara 150-300 Btu/jam.ft2.oF untuk condensorhorisontal danhoantara90-150 Btu/jam.ft2.oF untuk condensor vertikal.( ) ( ) tc - Tchio hohotc tw++ tf = (Tc + tw)/22/3Nt . LMG" condensor horisontaldo . . Nt MG'condensor vertikal5. Menghitung Nre pipa144 . n a' . Nt aP dicari pada gambar 14 KernPPamG atau PPaMG 2,42 .di . GNrePP6. -7.Menghitung harga Koefisien Film PP, hi . 3600Gtv v yang baik apabila hasilnya antara 4 6 ft/detik.hi dicari padagambar 25hal. 835 Kern dan dilakukan koreksi,

,_

dodih hi io78Dari gambar 12.9 didapatkan ho dengan catatanhotersebut samadenganhotrial. Jika berbeda tidak boleh lebih dari 20%. Jika tidak diulangi lagi ho trial.8. Mencari tahanan panas pipa bersih (UC)io iio iCh hh . hU+9. Mencari tahanan panas pipa terpakai (UD)D CD Cd U . U U - UR Diharapkan : Rd hitung > Rd ketentuanEvaluasi PBagian Shell (......................) Bagian Tube (........................)1. Menghitung Nre dan Friksi2,42 .G . deNreSSf dicari pada gambar 29 Kern2. MenghitungPShanya karena panjang shell.( )S10S2SS. S . de . 10 x22 , 51 N ID . G . f.21P+ s = ( / 62,5)( ) T 460 . 1545BM . . 144s+1. Menghitung Nre pipa 2,42 .G . diNrePPf dicari pada gambar 26 Kern2. Menghitung P karena panjang pipaP102PP. S . di . 10 x22 , 5n . L . G . fP 3. Menghitung P karena tube passes144 gc . 2vsn 4P2n

,_

4. Mencari Ptotal pada bagian tubePT = PP + PnCatatan : P masing masing aliran < P ketetapanContoh : Uap buatan jenuhM1= 30.000 lb/jamT1= 170oF ; P = 155 psiaAir pendingint1 = 85oF T2 = 170oF t2 = 120oF Condensor menggunakan shell and tube dengan pipa in OD, 16 BWG; PT = 1 in.Ketetapan : Rd gabungan minimal = 0,003 jam.ft2.oF/Btu p aliran air maksimal 10 psi p aliran uap maksimal 2 psiRancang dan gambarlah condenser horizontal tersebutJawab :1. Material dan heat balance79Q = m . cp . t = M .(hg hl) = m . 1 . (120 85)oF = 30.000 lb/jam (320 200) Btu/lbQ = 3.600.000 Btu/jam; m = 102.857lb/jam 2. Menghitung T(LMTD)1 21250 856650ln ln85oLMt tt Ftt 1 2 2 12 1 1 1300 100 120 565,88; 0,16120 86 300 86T t t tR St t T t Harga Ft = 1 karena prosesnya isothermal dan type HE 1 2.Jadi, t = Ft . TLM = 1 (66) = 66oF3. Menghitung suhu caloric (Tc dan tc)Tc = (T1 + T2) = (170 + 170) = 170oF tc = (t1 + t2) = (85 + 120) = 102,5oF4. Trial UD = 150 Btu/jam.ft2.oF yang terletak antara 75 150 Btu/jam.ft2.oF table 8 Kern.223.600.000/363, 6 150/ . .(66 )o oDQ Btu jamA ftU t Btu jam ft F F 363, 6154 " 0,1963(12)ANt buaha L Nt distandarkan dan IDs didapatkan dari table 9 Kern :IDs = 17 in; n = 4; Nt = 158UD terkoreksi,2 tan154(150) 146, 2/ . .158oD terkoreksi D trials darNtU xU Btu jam ft FNt Kesimpulam sementara :Type HE : 2 4 Bagian Shell Bagian TubeIDs = 17 in do = in 16 BWG, l =12 ft, Nt = 154, n = 4n = 1 susunan segitiga, PT = 1 in; de = 0,95 inB= 16 in a = 0,302 in2; a = 0,1963 ft2/ft; di = 0,620Evaluasi Perpindahan PanasBagian Shell (uap butan) Bagian Tube (air)5. Menghitung Nre shell. '. 17, 25(0, 25)160, 4792'. .144 (1)(1)144ssTID C Ban P 230.00062604/ .0, 4792ssMG lb jam fta ( ) 62604 0, 95/12 .209208.2, 42 0, 0098(2, 42)s eG dNre 6. JH dicari pada gambar 28 KernJH = 1307. Trial ho = 190Btu/jam.ft2.oF5. Menghitung Nre pipa2. ' 158(0, 302)0, 0828 .144 (4)144pNt aa ftn 2102.8571242234/ .0, 0828ttMG lb jam fta ( ) 1242234 0, 62/12 .36835, 5.2, 42 0, 72(2, 42)t iG dNre 6. 7. Menghitung harga koefisien film PP, hi12422345, 52/3600 3600(62, 5)tGv fts dari gambar 25 Kern, didapat :hi = 1330Btu/jam.ft2.oF80( )( )( )( )190102, 5 170 102, 5 112, 4190 1099ow c c co iooht t T th hF + + + +tf = (Tc + tw)/2 = (170 + 112,4)/2 = 141,2oF sehingga :kf= 0,075 (tabel 4 Kern)sf= 0,6 (tabel 6 Kern)f = 0,13 cp (gambar 14 Kern)2/ 3 2/ 330.00085, 5/ .. 12(158)nMG lb jam ftl Nt Dari gambar 12,9 Kern di dapatkan ho = 210 Btu/jam.ft2.oF (memenuhi)20, 6201 13300, 7501099/ . .iio ioodh h xdBtu jam ft F _ _ , ,8. Mencari tahanan panas pipa bersih (Uc)21099(210) .176, 3/ . .1099 210oi ioci ioh hU Btu jam ft Fh h + +9. Mencari dirt faktor (faktor pengotor) pipa terpakai 2176, 3 146, 20, 0011. . /. 176, 3(146, 2)oc Ddc DU UR jam ft FBtuU U Ternyata : Rd hitung < Rd tetapan, jadi under desainEvaluasi pBagian Shell (uap butan) Bagian Tube (air)1. Menghitung Nre dan friksi.209208.2, 42ande GNre f = 0,00131 (gambar 29 Kern)2. Menghitung ps hanya karena panjang shells = (/62,5)144. .1545(460 ).62, 5144(155)(58,1)0, 02131545(630)(62, 5p BMsT+ Menghitung harga (N+1) (N+1) = (12 x l)/B = (12 x 12)16 = 9( )( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )210210. . . 11.2 (5, 22 10 ). . .0, 0013 62604 17, 25/12 91.2 5, 22.10 0, 95/12 0, 0213 10, 374 ( )s sssf G ID Npx de Spsiok+ 1. Menghitung Nre pipa atau diambil dari tahap 5.36835, 5.2, 42tdi GNre f= 0,00019 (gambar 26 Kern)2. Menghitung p karena panjang pipa( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )210210. . .(5, 22 10 ). . .0, 00019 1242234 12 4 5, 22.10 0, 620/12 1 15, 2 ttsf G L npx di Spsi 3. Menghitung p karena tube passes.Dari gambar 27 Kern,20, 22 144cvg _ ,sehingga,24 4 40, 2 3, 2 2 144 1ncn v xp x psis g _ ,p total = pt + pn = 5,2 +3,2 =8,4 psi (ok)81BAB5R E B O I L E R5.1 Pengertian ReboilerReboiler adalah alat semacamHeat Exchanger yangberfungsi untuk merobah fase liquid menjadi fase gas. Biasanya liquid yang diuapkan diletakan dibagiansheel sedangkanpemanasdiletakandibagianpipaatautube. Ada beberapa macam Reboiler yang perlu diketahui :5.1.1 Forced Circulation ReboilerPada Forced Circulation Boiler liquid yang akan diuapkan berasal dari kolom distilasiyang dipompakan ke dalam Reboiler. Baik gas yang terjadi (antara 60 80%) dari liquid yang masuk maupun liquid yang tidak 82teruapkanakanmasukkedalamkolomdistilasi lagi, seperti yangterlihat pada gambar dibawah ini,Bottom productPompa KondensatSteamBoilerUap dan liquidGambar 5.1. Forced Circulation Reboiler 5.1.2 Natural Circulation ReboilerPadaNatural CirculationReboilerhanyauapataugassajayang masukkedalamkolomdistilasi. Liquidyangtidakteruapkanakankeluar dari Reboiler atau hanyasebagianliquidyangdimasukanseperti yang terlihat pada gambar dibawah ini,Z1Z3Z2Z1Z3Z2Gambar 5.2. One-Through Reboiler Gambar 5.3. Circulating Reboiler5.2 Grafik Perpindahan PanasPenguapan di dalam Reboiler bisa terjadi dalam beberapa macam antara lain : penguapan titik jenuhnya, penguapan di bawah titik jenuhnya dan penyempurnaan penguapan.83Q = M . Q = m . (hg hl) Qv = m1 (hg hl )Q = M . T2 T2T1T1t1t1t2t3a. Penguapan pada titik jenuhnya b. Penguapan di bawah titik jenuhnyac. Penyempurnaan penguapanQS= m . cp . (t2 t1); QV= m1(hgt13 hl t 2) Q = QS+ QVQs = m . cp (t2 t1)t2Q = m . cp . (t2 t1)T2 T1t1t2t3Q = M . Beberapa ketentuan penguapan pada Reboiler antara lain :b. untuk liquid yang dipanasi berupa bahan organik berlaku :Q/A = 8000. s/d. 12000 Btu/jam.ft2c. untuk mencari overall heat transfer UD berlaku :( ) t . L . a" . Nt Q t . A QUD5.3 Urutan Perancangan Kettle Reboiler1. Material and Heat balanceQ = QS + QV = M . cp . (T1 T2) = M . Untuk panas sensible : QS = m . CP . (T1 T1) ; QV = m1 .(hg hl)2. Menghitung TLMTD( )2 12 1LMTDt / t ln t - tt ; T = Ft . TLMharga Ft = 1 karena prosesnya isothermal, pada Reboiler n (tube passes) dimulai dari yang tinggi sampai rendah agar penggunaan panas lebih efektif.3. Menghitung Suhu Caloric (Tc dan tc)84Tc = T2 + Fc (T1 T2) tc = t2 + Fc (t2 t1)4. Mencari IDSdanjumlahpipadimulai dengantrial Q/Aantara 12000 Btu/jam.ft2.oF, sehingga didapatkan :12000 s/d 8000QA danL . a"ANt Nt distandarkan dan IDS didapatkan dari tabel 9 halaman 841 842 Kern. Dan UD standar didapatkan dengan menggunakan persamaan, L . a" . NtQUstandar(standar) Dkesimpulan sementara hasil perancanganType HE : 1 2 Bagian Shell Bagian TubeIdS = do =BWGl = Nt = n =n = 1 susunanPT =de =B = mendekati 1 x IDSa = a =di =C =Evaluasi Perpindahan PanasBagian Shell (........................) Bagian Tube (............................)5. Menghitung Nre144 . P . n B . C' . IDaTSS de dicari pada gambar 28 Kern dicari pada