BAB VII Alat Penukar Kalor

1. Pendahuluan 1.1 Deskripsi Bab VII. membahas tentang koefisien perpindahan panas keseluruhan , factor pengotor , jenis alat penukar kalor , beda suhu rata-rata logaritma, metode NTU efektivitas. 1.2 Manfaat / Relevansi Menghitung jumlah panas yang dipindahkan dan luas perpindahan panas searah ban berlawanan arah untuk merancang alat perpindahan panas. 1.3.Tujuan Instruksional Khusus ( TIK ) Menentukan luas perpindahan panas dan mengetahui efektivitas alat perpindahan panas tersebut. 1.4 Petunjuk Mempelajari a.Baca dan pahami semua isi yang ada dalam bab ini dengan hati-hati dan b.Tingkatkan pemahaman dengan menambah bahan bacaan lain yang c.Diskusi dengan teman untuk meningkatkan pemahaman. d Berlatih dengan tekun untuk meningkatkan pemahaman. e.Jika ada kesulitan , bertanya dengan dosen atau nara sumber lain yang relevan. teliti.

relevan.

2. Penyajian105

2.1 Koefisien Perpindahan Panas menyeluruh = U FluidaA TA Fluida B TA T1 T2 TB

T1 Q h1

T2

q

h2

TB

Perpindahan panas melalui dinding datar ; q = h1 A ( TA - T1 ) = q = q = U A Tmenyeluruh ( T1 - T2 ) = h2 A ( T2 - TB )

Penukar panas pipa ganda ( double pipa) Fluida B Fluida A TA T1 T2 TB

q

q =

Ri = jari-jari dalam

106

Ui =

Ro = jari-jari luar

Uo =

2.2 Faktor Pengotor Unjuk kerja beberapa HE ( Heat Exchanger) industry akan menurun seiring waktu, dikarenakan permukaannya tertutupi oleh bahan bahan padatan yang mengendap ( kotoran) ; korositas , atau lapisan biologis hal ini disebut faktor pengotoran ( fouling factor) = Rf Rf harus diperhitungkan dalam menghitung L Rf = R d = Rd =

UD = koefisien perpindahan panas keseluruhan design/ rancangan UC = koefisien perpindahan panas keseluruhan bersih /clean

Harga Rd = Rf Daftar 10 - 2 ( Holman) Daftar 10 2 = Daftar faktor pengotoran normal 2.3 Jenis alat penukar kalor Jenis alat penukar kalor yang banyak dipakai dalam industri adalah jenis pipa ganda ( double pipe) dan selongsong tabung.

107

2.4. Beda suhu rata - rata Log ( LMTD)

Profil suhu untuk

aliran searah ( a) dan berlawanan arah ( b)

Perpindahan panas dalam pipa ganda q = U A Tm.(1)

dimana : U = koefisien perpindahan panas menyeluruh A = Luas permukaan Tm = beda suhu rata-rata Untuk aliran sejajar Kalor yang dipindahkan melalui unsur Luas d A dapat dituliskan sbb: dq = mh Ck d Th = mc Cc d Tc ..(2)108

Dapat pula dinyatakan : dq = U ( Th Tc ) dA .(3) Dari persamaan (2) d Th = ; d Tc = + ) .(4)

d Th d Tc = d(Th Tc) = dq ( Substitusi pers. (4) ke (3) : = U( Integrasi dengan BC 1 dan 2 ln = UA ( +

) d A (5)

+

) ..(6)

Dari persamaan (2) = m h Ch = ; mc Cc =

Subtitusi pers. (6) q = UA Persamaan (1) : q = UA Tm Persamaan (1) & (7) Tm = (8) .. (7)

109

Tm = beda suhu rata- rata Log ( LMTD ) Dalam penurunan persamaan LMTD ( diatas) ada 2 pengandaian : 1)2)

C f ( T) h tetap / koefien perpindahan panas konveksi

Untuk HE jenis lain ( bukan pipa ganda) Ada faktor koreksi terhadap LMTD q = U A F Tm F = faktor koreksi pada Gb. 10 8 s/d 10 -11 ( Holman)

Contoh ; Air dengan Laju 68 kg/mi dipanaskan dari suhu 35C hingga 75C , dengan minyak yang mempunyai kalor spesifik 1,9 kj/kg C. Kedua fluida itu dipakai dalam penukar kalor pipa ganda , dimana minyak masuk pada suhu 110C dengan keluar pada 75C. Koefisien perpindahan panas menyeluruh = 320 W m2 C.a)

Hitung Luas penukar kalor (A) ?

b) Hitung luas penukar kalor jika digunakan HE 1-2 , dengan ketentuan sama dengan soal a). Penyelesaian :110 75 75 35

qair = mw Cw Tw = 68 (4180) ( 75 -35) = 11,37 .106 kj/menit = 189,5 kw Tm =

1

2

110

Tm =

= 37,44

q = U A Tm A = A = b) Untuk HE 1-2 P = R = = = = 0,467 = 1,143 = 15,82 m2

gambar 10 - 8 F = 0,81 q = U A F Tm A = = = 19,53 m

Jawab : q air = qminyak qair = mair Cp air Tair = (68) (4180) (75 35)

111

= 11,37 x 10 6

x

x

Gb. Profil suku

= 189,5 kw

Tm = Tln =

Menghitung F ( faktor) P = R = = = = 0,467 = 1,143 Dari grafik 10 8: F = 10,8

q = U A Tm A = A = = 19,153 m2

2.5. Metode NTU Efektivitas Pendekatan LMTD = bila Tmasuk dan keluar diketahui LMTD mudah

dihitung, dan aliran kalor, uas permukaan, U dapat ditentukan Bila Tmasuk dan keluar tidak diketahui LMTD sulit ( iterasi) Efektivitas = =

112

PP nyata dapat dihitung dari energy yang dilepaskan oleh fluida panas atau energy yang diterima oleh fluida dingin. Untuk aliran sejajar : q = mh Ch ( Th1 - Th2 ) = mc Cc ( Tc2 - Tc1 ) Untuk aliran lawan arah q = mh Ch ( Th1 - Th2 ) = mc Cc ( Tc1 - Tc2 )

Menentukan Perpindahan Panas menyeluruh Nilai max salah satu fluida mengalami perubahan suhu Tmax pada HE qmax=

( mc)min ( Th masuk Tc masuk )

Aliran sejajar = =

c = Aliran Lawan Arahh

=

=

=

c =

=

Secara umum efektivitas dapat dinyatakan : = Penurunan persamaan efektivitas aliran sejajar113

ln atau :

= - UA ( ( = exp [ -

+

) = -

(1 +

)

] .(9)

Jika fluida dingin adalah fluida min. = = Dari pers. (2) = Th2 = Th1 + ( ..(10)

Substitusi pers. (10) ke (9) : =

=

= 1 + = 1 (1 + Persamaan (9) = (11). exp [ -

( - ) + ( - )

) .(11)

(1 +

) ] = 1 (1 + (1 +

)]

(1 +

) = 1 exp [ -

=

C = mc = Laju kapasitas114

=

Bila Fluida panas merupakan Fluida min. ;

=

dimana : C = mc = Laju kapasitas

Untuk aliran lawan arah

=

Kelompok suku

= jumlah satuan perpindahan ( Number of transfer Unit) =

NTU memberi petunjuk tentang ukuran penukar kalor. Perbandingan efektivitas ( ) untuk berbagai susunan penukar kalor = Gb. 10 -12 s/d 10-17 Kebel dan kondensasi Dalam proses didih atau kondensasi = Tfluida dapat dianggap tetap 0 ; = 1 e NTU daftar 10 - 3 ( Holman)

115

Contoh : Minyak panas didinginkan dengan menggunakan air sebagai pendingin ; minyak masuk bagian shell dari HE 2 -4 , dan air masuk pipa ( sebagai pendingin). Minyak masuk pada suhu 200C dan Laju 1 kg/s , air dingin masuk pada suhu 30C dan Laju 0,8 kg/s. U = 250 W/m 2 C , A = 10 m2 , Cp minyak = 1200 j/kg , Cp air = 4180 j/kg . Hitung suhu yang keluar aliran air dan minyak tsb? Penyelesaian : Tco = ? , Tho = ?

Asumsi : - SS, U, Cp kontan Adiabatic Konduksi , konveksi arah axial diabaikan

Strategi :-

Hitunglah Cair , Cminyak , tentukan Cmax. , Cmin Hitunglah NTU = Gunakan grafik / Rumus) dan CR = untuk menentukan : = f ( NTU, CR ) )

q = q max = Cmin Tmax = Cmin

Neraca energy untuk menentukan Tho , Tco116

Perhitungan : Cminyak = Mm Cpm = (1) (1200) = 1200 W/ C Cair CR = NTU = = Ma Cpa = = = (0,8) ( 4180) = 3344 W/ C = 0,359 = 2,08 Cmin Cmax

Dari grafik gambar 10 - 17 ( Holman) = 0,78 )

q = qmax = Cmin Tmax = Cmin ( = (0,78) (1200) (200 30)

= 159120 W

q = Mair Cp air Tair = Mm Cp m Tm Air Tair = Tair = = = 47,58 = 47,58 + 30 = 77,58C = 47,58

= 47,58 + Minyak TM = TM = = =

= 132,6 = 132,6 132,6 = 200 - 132,6 = 67,4C117

3. Penutup 3.1 Rangkuman Penukar panas adalah suatu alat yang menghasilkan perpindahan panas dari suatu fluida ke fluida lain. Dalam hal ini alat penukar kalor yang dipelajari adalah pipa ganda dan selongsong tabung , baik searah maupun berlawanan arah.

3.2 Test Mandiri 1.Minyak dengan laju 0,8 kg/s didinginkan dari suhu 90 oC menjadi 65oC , dengan menggunakan pendingin air, masuk pada suhu 40oC dengan laju 0,5 kg/s , dengan menggunakan alat penukar kalor jenis selongsong tabung Cp air = 4179 J/kg K . a. Tentukan luas perpindahan panas untu aliran searah? b. Tentukan luas perpindahan panas untuk aliran berlawanan arah ? 2. Suatu penukar kalor selongsong tabung , digunakan untuk mendinginkan fluida cair masuk pada suhu 50oC .Sebagai pendingin digunakan air mengalir melalui tabung masuk pada suhu 20oC 1000 W/m2 K. a. Hitunglah luas perpindahan panas alat tersebut , jika diketahui efektivitas alat = 60 % .118

(HE 1-1). Koefisien

prpindahan panas menyeluruh tetap U = 79,8 W/ m2 K, Cp minyak = 2113 J/kg K ,

dan

keluar

40oC , Penukar kalor dirancang untuk

perpindahan panas total q = 200 kW dan koefisien perpindahan panas menyeluruh =

b. Hitunglah laju perpindahan panas jika aliran air dari kondisi awal, harga U dan A tetap sama dengan soal diatas ? 3.3 Umpan Balik 1. . Cp air = 4179 j/kg K Cp minyak = 2113 j/kg K U = 79,8 W/ m2 K a) A = ? ( searah ) b) A = ? ( berlawanan arah ) Jawab : Pers. q = U A Menghitung suhu air ke luar qm = Mh Cph ( ) = Mc Cpc ( )

= (0,8) (2113 ) ( 90 65) = 42260 j/s qm = qair = (0,5) (4179) ( = 40 + Menghitung Tm = = 19,26 q= UA 119

40 ) = 42260 = 27,466 m2

=

A =

=

= 27,466 m2

Berlawanan arah Tm= = 27,33C

A =

= Asearah.

= 19,38

Aberlawanan