BAB I

PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Heat transfer adalah ilmu yang mempelajari tentang kecepatan perpindahan panas

dari sumber panas (heat body) ke penerima panas (cold body). Manfaat ilmu ini adalah

untuk membantu merancang alat yang berhubungan dengan panas atau preheater,

misalnya cooler, condenser, reboiler, dan evaporator.

Pada Industri setelah alat preheater dirancang kemudian dibutuhkan parameter-

parameter seperti faktor kekotoran yang mengindikasikan layak atau tidak suatu alat

penukar panas ( Heat Exchanger) digunakan dan kapan alat tersebut perlu dibersihkan

(cleaning).

Dengan diketahuinya masih layak atau tidak suatu alat perpindahan panas yang

dapat diketahui dari perhitungan suhu fluida panas masuk (Thi),suhu fluida panas

keluar(Tho),suhu fluida dingin masuk (thi),dan suhu fluida dingin keluar (tho)

berdasarkan pengamatan maka dengan perhitungan neraca panas dapat mendesain alat

penukar panas(Heat Exchanger).

I.2 Rumusan Masalah

Pada praktikum ini akan dipelajari pengaruh jenis aliran yang berbeda, kenaikan

skala flowrate pada aliran hot fluid dan perbedaan suhu awal hot fluid terhadap parameter

yang mempengaruhi proses perpindahan panas. Jenis aliran yang kami gunakan yaitu

aliran ….., serta skala flowrate yang kami gunakan yaitu …... Parameter proses

perpindahan panas yang akan kami hitung berdasarkan data perubahan suhu saat

praktikum berlangsung yaitu Ui,Uo,Uc,Ud, dan Rd.

I.3 Tujuan Percobaan

1. Mampu merangkai dengan benar hubungan rangkaian searah maupun lawan arah.

2. Dapat menghitung luas perpindahan panas (Ao&Ai) berdasarkan data ukuran pipa.

3. Mampu menghitung nilai Uo dan Ui berdasarkan neraca panas.

4. Mampu menghitung Uc dan Ud.

5. Mampu menggambar grafik hubungan flowrate vs U (Uc, Ud, Uo, Ui).

6. Mampu mencari koefisien α, p, q, dan hubungan persamaan perpindahan panas yang

digunakan dengan bilangan Nusselt, Reynold, dan Prandtl berdasarkan rumus:hDk = α Dvρμ cpμk7. Mampu memberikan rekomendasi terhadap heat exchanger yang digunakan berdasar

nilai Rd yang didapat.

I.4Manfaat Percobaan

Manfaat percobaan ini adalah untuk membantu memahami dasar perancangan

alat-alat yang berhubungan dengan panas, misalnya cooler, condenser, reboiler, dan

evaporator.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

II.1 Teori Perpindahan Panas

Perpindahan panas adalah suatu ilmu yang mempelajari tentang kecepatan

perpindahan panas diantara sumber panas (hot body) dan penerima panas (cold body).

Salah satu hubungan ini adalah untuk membantu kita dalam perancangan alat yang

berhubungan dengan panas, misalnya cooler, heater, condenser, reboiler, dan

evaporator.

Percobaan yang dilaksanakan dengan alat Heat Transfer Bench T.D. 36 yang

merupakan alat penukar panas Shell and Tubes dimana alat tersebut terdiri dari 1 shell

dan 5 tubes yang dirancang dengan sistem single pass dapat dioperasikan secara searah

maupun lawan arah baik fluida panas dan fluida dingin dilewatkan shell maupun tube.

Sebagai fluida panas, sebelumnya dioperasikan maka dibuat dahulu melalui hot

tank dengan pemanas listrik. Sebagai fluida dingin sebelum dioperasikan dibuat dahulu

melalui tangki yang merupakan refrigerator.

Prinsip percobaan tersebut adalah akan mencari besarnya overall heat transfer

coefficient (U) pada alat tersebut dengan berbagai variasi kecepatan fluida panas maupun

fluida dingin yang dialirkan pada heat enchanger tersebut.

Besarnya panas yang ditransfer dapat dihitung dengan mengetahui perubaahan

suhu dari fluida masuk dan keluar pada kecepatan tertentu. Sedangkan pada suhu rata-rata

logaritma dapat dihitung dari perubahan suhu masuk dan keluar, baik dari fluida panas

maupun dingin.

Dengan persamaan: q=U.A.ΔTLMTD dapat dihitung harga U dimana besarnya A

dihitung dari ukuran alat penukar panas tersebut. Dari berbagai variasi perubahan

kecepatan aliran dapatlah dibuat/dibaca adanya perubahan harga U terhadap perubahan

kecepatan aliran.

Untuk mengetahui jumlah panas yang dipindahkan dipakai heat exchanger (HE).

Ada beberapa jenis heat exchanger, yaitu :

1. Shell and tube heat exchanger

2. Double pipe heat exchanger

3. Extended purpose heat exchanger

4. Cool inbox coals heat exchanger

5. Air cool heat exchanger

Yang umum dipakai adalah shell and tube heat exchanger karena:

1. Memiliki luas permukaan perpindahan panas per satuan volume yang besar

2. Ukuran relatif kecil terhadap hot dry yang besar

3. Untuk area yang kecil cukup dengan double pipe

4. Aliran fluida dapat diatur dengan co-current maupun counter current

5. Terjadi perpindahan panas secara konveksi (antara shell dan fluida) dan konduksi

(antara dinding-dinding shell).

Perpindahan panas yang terjadi di heat exchanger akan didahului dengan panas

yang terjadi di masing-masing pipa dan tergantung pada sifat bahan dan diameter pipa.

Makin besar diameter pipa makin besar perpindahan panasnya. Biasanya panas yang

melewati dinding secara keseluruhan ditentukan oleh koefisien luas maupun dalam.

Untuk konduksi ditentukan oleh tebal pipa dan bahan pipa. Hantaran panas heat

exchanger ditentukan oleh koefisien perpindahan panas secara menyeluruh (U).

II.2 Jenis-jenis Perpindahan Panas

Menurut cara penghantar dayanya, perpindahan panas dibedakan menjadi :

1. Konduksi

Merupakan perpindahan panas yang terjadi karena molekul-molekul dalam zat

bersinggungan, dimana besarnya kecepatan perpindahan panas :Q = k. A. ∆T∆xdengan Q = kecepatan perpindahan panas secara konduksi (Btu/jam)

A = luas perpindahan panas (ft2)

k = konduktivitas (Btu/ft.hr.oF)

ΔT = beda suhu antara permukaan panas dan dingin (oF)

Δx = tebal bahan yang dilalui panas (ft)

Berdasarkan hukum Fourier, besarnya Q tergantung pada :

besar kecilnya konduktivitas (k)

berbanding lurus dengan beda suhu (ΔT)

2. Konveksi

Merupakan perpindahan panas disebabkan adanya gerakan atom/molekul suatu

gas/cairan yang bersinggungan dengan permukaan.

Persamaannya : Qc = h. A. (Ts − Tv)

dengan Qc = laju perpindahan panas konveksi (Btu/hr)

h = koefisien perpindahan panas konveksi (Btu/hr.ft2.oF)

A = luas perpindahan panas (ft2)

Ts = suhu permukaan batang (oF)

Tv = suhu solubility (oF)

3. Radiasi

Merupakan gelombang perpindahan panas karena adanya perbedaan suhu dan

berlangsung secara gelombang elektromagnetik tanpa perantara.

Persamaannya : Qr = C.F.A (T14-T2

4)= 0,171 −dengan Qr = energi perpindahan panas reaksi (Btu/jam)

c = konstanta Stefan Boltzman

F = faktor panas (emitifitas bahan)

A = luas bidang (ft2)

T1 = suhu mutlak

T2 = suhu mutlak

II.3 Azas Black

Azas Black adalah suatu prinsip dalam termodinamika yang dikemukakan oleh

Joseph Black. Azas ini menjabarkan :

Jika dua buah benda yang berbeda yang suhunya dicampurkan, benda yang panas

memberi kalor pada benda yang dingin sehingga suhu akhirnya sama

Jumlah kalor yang diserap benda dingin sama dengan jumlah kalor yang dilepas benda

panas

Benda yang didinginkan melepas kalor yang sama besar dengan kalor yang diserap

bila dipanaskan

Bunyi Azas Black adalah sebagai berikut :

“Pada pencampuran dua zat, banyaknya kalor yang dilepas zat yang suhunya lebih tinggi

sama dengan banyaknya kalor yang diterima zat yang suhunya lebih rendah.”

Dirumuskan : Qh = Wh.Cph (Th1-Th2)

Qc = Wc.Cpc (Tc2-Tc1)

II.4 Overall Coefficient Heat Transfer (U)

Hal yang sangat penting untuk menganalisa alat penukar panas adalah koefisien

perpindahan panas menyeluruh (U). Koefisien ini merupakan ukuran dari alat penukar

panas dalam hal memindahkan panas. Untuk harga U yang besar maka kecepatan

perpindahan panas akan besar, namun sebaliknya jika U kecil maka kecepatan

perpindahan panas harganya kecil.

Bila dalam alat penukar panas kedua fluida dalam alat penukar panas dipisahkan

dalam bidang datar maka U dapat dinyatakan dalam bentuk :U = 1+ +hi = koefisien perpindahan panas konveksi pada sisi kiri

ho = koefisien perpindahan panas konveksi pada sisi kanan

x = tebal dinding

k = konduktivitas panas bahan dinding

Harga U tergantung pada :

1. Tebal dinding, semakin tebal dinding harga U semakin kecil dan panas yang

ditransfer juga semakin kecil

2. Daya hantar panas

3. Beda suhu, semakin besar beda suhu maka U semakin besar

4. Luas bidang permukaan panas.

II.5 Pengertian Ui, Uo, Ud, Uc

Bila kedua fluida dibatasi oleh dinding pipa yang jari-jari di dalamnya ri dan jari-

jari luarnya ro maka U dapat dituliskan dalam bentuk :U = 1+ ln +U = 1+ ln +

Uo dan Ui masing-masing adalah koefisien perpindahan panas menyeluruh

berdasarkan luas permukaan pipa bagian luar dan bagian dalam. Rumus Uo dan Ui di atas

hanya berlaku hanya untuk pipa atau permukaan yang bersih (clean surface).

Fouling factor (Rd)

Fouling adalah peristiwa terakumulasinya padatan yang tidak dikehendaki di

permukaan heat exchanger yang berkontak dengan fluida kerja, termasuk permukaan heat

transfer. Peristiwa tersebut adalah pengendapan, pengerakan, korosi, polimerisasi dan

proses biologi. Faktor pengotoran ini sangat mempengaruhi perpindahan panas pada heat

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

disebabkan oleh korosi pada komponen dari heat exchangerakibat pengaruh dari jenis

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

akan terjadi. Terjadinya pengotoran tersebut dapat menganggu atau memperngaruhi

temperatur fluida mengalir juga dapat menurunkan atau mempengaruhi koefisien

perpindahan panas menyeluruh dari fluida tersebut.

Penyebab terjadinya fouling :

Adanya pengotor berat yaitu kerak yang berasal dari hasil korosi atau coke.

Adanya pengotor berpori yaitu kerak lunak yang berasal dari dekomposisi kerak keras.

Akibat fouling :

Mengakibatkan kenaikan tahanan heat transfer, sehingga meningkatkan biaya, baik

investasi, operasi maupun perawatan.

Ukuran heat exchanger menjadi lebih besar, kehilangan energi meningkat, waktu

shutdown lebih panjang dan biaya perawatan meningkat.

Faktor pengotoran (fouling factor) dapat dicari persamaan :Rd = U − UU . Udengan UC = dan UD = .∆dimana UC = koefisien perpindahan panas menyeluruh bersih

UD = koefisien perpindahan panas menyeluruh (design)

hio = koefisien perpindahan panas pada permukaan luar tube

ho= koefisien perpindahan panas fluida diluar tube

II.6 Pemilihan Fluida pada Shell dan Tube

Fluida bertekanan tinggi dialirkan di dalam tube karena tube standar cukup kuat

menahan tekanan yang tinggi.

Fluida berpotensi fouling dialirkan di dalam tube agar pembersihan lebih mudah

dilakukan.

Fluida korosif dialirkan di dalam tube karena pengaliran di dalam shell membutuhkan

bahan konstruksi yang mahal yang lebih banyak.

Fluida bertemperatur tinggi dan diinginkan untuk memanfaatkan panasnya dialirkan di

dalam tube karena dengan ini kehilangan panas dapat dihindarkan.

Fluida dengan viskositas yang lebih rendah dialirkan di dalam tube karena pengaliran

fluida dengan viskositas tinggi di dalam penampang alir yang kecil membutuhkan

energi yang lebih besar.

Fluida dengan viskositas tinggi ditempatkan di shell karena dapat digunakan baffle

untuk menambah laju perpindahan.

Fluida dengan laju alir rendah dialirkan di dalam tube. Diameter tube yang kecil

menyebabkan kecepatan linier fluida (velocity) masih cukup tinggi, sehingga

menghambat fouling dan mempercepat perpindahan panas.

Fluida yang mempunyai volume besar dilewatkan melalui tube, karena adanya cukup

ruangan.

II.7 Penjabaran Rumus ΔTLMTD

Untuk mendesain alat penukar panas dan memperkirakan kemampuan alat

penukar panas maka harus ditampilkan hubungan antara total panas yang dipindahkan

dengan besaran yang lain misalnya suhu masuk dan suhu keluar dari kedua fluida, harga

koefisien perpindahan panas menyeluruh U dan luas perpindahan panas dari alat penukar

panas tersebut.

Panas yang dilepas oleh fluida panas dapat dituliskan dalam bentuk persamaan :

Q = mh.Cph(Thi - Tho)

Panas tersebut secara keseluruhan diterima oleh fluida dingin yang dapat

dinyatakan dalam bentuk persamaan :

Q = mc.Cpc (Tco - Tci)

Panas yang dilepas oleh fluida panas dan diterima oleh fluida dingin dapatterjadi

karena adanya beda suhu ΔT = Th - Tc yang disebut beda suhu lokal antara fluida panas

dan fluida dingin pada suatu titik atau lokal tertentu, dimana dari ujung pemasukan

sampai ujung pengeluaran harga ΔT selalu berubah. Dengan menggunakan neraca energi,

dapat dirumuskan sebagai berikut.

dq = -mh.Cph.dTh = -Ch.dTh dimana mh.Cph = Ch

dq = mc.Cpc.dTc = Cc.dTc dimana mc.Cpc = Cc

Perpindahan panas melalui luasan dA dapat dinyatakan sebagai :

dq = U. T . dA

dimana ΔT = Th - Tc

d(ΔT) = dTh - dTc

dq = -Ch . dTh dT = −dq = Cc . dTc dT =

dijumlahkan maka didapat : dTh + dTc = −dq −d(ΔT) = −dq −

Substitusi dq = U . ΔT . dA, maka akan diperoleh :

d(ΔT) = U . ΔT . dA −(∆ )∆ = −U + . dA

Diintegralkan sepanjang alat penukar panas didapatkan :d(∆T)∆T = −U 1C + 1C . dAln (∆T )(∆T ) = −U. A 1C + 1C

Substitusi Ch = dan Cc =

ln (∆T )(∆T ) = −U.A T − Tq + T − Tqln (∆T )(∆T ) = −U. Aq [(T − T ) − (T − T )]dimana T1 = Thi - Tci dan T2 = Tho - Tco

Maka didapat q = U . A∆ ∆∆ ∆

Sehingga ΔTm = ΔTLMTD =∆ ∆∆ ∆ =

∆ ∆∆ ∆Perpindahan panas dari fluida panas ke fluida dingin tergantung pada beda suhu

rata-rata logaritma (LMTD), luas permukaan perpindahan panas (A), dan overall heat

transfer coefficient (U).

q = U . A .ΔTLMTD

persamaan ini hanya berlaku untuk keadaan:

1. Cairan dalam keadaan steady state dan kecepatan aliran konstan

2. U dan A konstan

3. Cp konstan walau suhu berubah

4. Panas yang hilang di sekeliling di abaikan

5. Berlaku untuk co-current dan counter current

6. Tidak berlaku untuk aliran silang

7. Dalam sistem tidak ada perbedaan fase.

II.8 Kelebihan dan Kekurangan Aliran Co-Current dan Counter Current

1. Co-Current

Kelebihan

biasa dipakai dalam 1 fasa di multifase heat exchanger

dapat membatasi suhu maksimal fluida dingin

dapat mengubah salah satu fluida dengan cepat

Kekurangan

panas yang dihasilkan lebih kecil dibanding counter current

jarang dipakai dalam single pass heat exchanger

tidak mungkin didapat salah satu fluida yang keluar mendekati suhu masuk

fluida lain

2. Counter Current

Kelebihan

panas yang dihasilkan cukup besar dibandingkan co-current

suhu keluar dari salah satu fluida dapat mendekati suhu masuk fluida lain

bahan konstruksi lebih awet karena thermal stress-nya kecil

Kekurangan

tidak dapat dipakai untuk mengubah suhu fluida dengan cepat

kurang efisien jika dipakai untuk menaikkan suhu fluida dingin untuk batas

tertentu

BAB III

METODE PERCOBAAN

III.1 Bahan dan Alat

A. Alat yang Digunakan

1. Shell and tube heat exchanger

2. Thermometer

3. Thermostat

4. Selang

B. Bahan yang Digunakan

1. Air

III.2 Penetapan Variabel Percobaan

A. Variabel tetap

1. Skala cold fluid

B. Variabel berubah

1. Skala hot fluid : (ditentukan saat pretes)

2. Jenis Aliran : (ditentukan saat pretes)

3. Suhu awal hot fluid : (ditentukan saat pretes)

III.3 Gambar Alat Utama

Gambar 3.1 Gambar rangkaian alat utama praktikum perpindahan panas.

III.4 Respon

Perbedaan suhu fluida panas masuk dan keluar.

Perbedaan suhu fluida dingin masuk dan keluar.

III.5 Data Percobaan yang Dibutuhkan

1. Jenis aliran : variabel

2. Flowrate hot fluid : variabel

3. Suhu awal hot fluid : variabel

4. Perubahan suhu pada flowrate tertentu, baik hot atau cold fluid tiap 1 menit selama

10 menit (Thi, Tho, Tci, Tco)

5. Hitung besarnya TLMTD, Ui, Uo, Ud, Uc, dan Rd berdasarkan data diatas lalu

buatlah grafik hubungan dengan suhu awal dan flowrate hot fluid.

III.6 Prosedur Percobaan

1. Nyalakan heater dan unit refrigerasi pada hot dan cold tank. Atur knop thermostat

sesuai suhu yang ingin dicapai pada hot tank.

2. Pasang thermometer pada aliran masuk dan keluar HE untuk cold fluid dan hot fluid.

3. Pompa dalam keadaan mati, hubungkan keempat flexible hose dengan socket yang

ada di atas bench. Periksa sekali lagi apakah aliran hot/cold fluid sudah sesuai

variabel percobaan. Jaga jangan sampai aliran hot fluid dihubungkan silang dengan

cold fluid karena akan merusak alat.

4. Setelah semua terpasang, cek kebocoran dengan cara menyalakan hot dan cold

pump. Jika terjadi kebocoran, matikan hot dan cold pump dan ulangi langkah nomor

3 hingga tidak terjadi kebocoran.

5. Setelah tidak terjadi kebocoran tunggu suhu pada hot dan cold tank tercapai,

kemudian nyalakan hot dan cold pump.

6. Dengan valve pengatur flowrate, aturlah aliran hot dan cold fluid yang masuk.

7. Setelah flowrate sesuai, operasi mulai dijalankan dan catat data perubahan suhu

setiap 1 menit selama 10 menit.

8. Variabel yang di variasikan dalam percobaan ini adalah:

a. Jenis aliran : (diisi sesuai ketentuan pretes)

b. Flowratehot fluid: (diisi sesuai dengan ketentuan pretes)

9. Bila percobaan telah selesai, matikan kedua pompa, heater dan unit refrigerasi.

Lepaskan flexible hose dan thermometer.

DAFTAR PUSTAKA

Brown, G. G. 1976. Unit Operations, Moderns Asia Edition. John Willey and Sons Inc. New

York.

Holman,J.D.1997. “Perpindahan Kalor”,edisi ke-6, Jakarta: Erlangga.

Kern, D. G. 1980. Process Heat Transfer. McGraw Hill Book Co. Ltd. Kogakusha, Tokyo.

Marsoem, “Modul Alat Penukar Panas”, Jurusan Teknik Kimia UNDIP, hal 9 dan 17.

McAdam, William H. 1959. Heat Transmittion. McGraw Hill Book Co. Ltd. Kogakusha,

Tokyo.

Perry, R.H and Chilson, “Chemical Engineering Handbook”, 5th ed, Mc Graw Hill Boo