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 (A o &A i ) 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 (U c , U d ,U o , U i ).
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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 :