PENUKAR PANAS(PLATE HEAT EXCHANGER)
I.
TUJUAN
PERCOBAAN
Setelah
praktikum ini mahasiswa dapat:
1. Menjelaskan
prinsip-prinsip perpindahan kalor atau panas
2. Menjelaskan
prinsip kerja alat penukar kalor (heat
exchanger).
3. Mengenal
Jenis-jenis Peralatan Heat Exchanger
4. Menghitung
beda /temperature suhu rata-rata logaritmik atau Logarithmic Mean Temperature Difference (∆TLMTD).
5. Mengkalibrasi
alat ukur laju alir dan alat ukur suhu.
II.
TINJAUAN
PUSTAKA
2.1.
Teori Dasar
Proses perpindahan panas yang terjadi karena
perbedaan temperatur yang merupakan driving
force (gaya dorong) sehingga terjadi aliran perpindahan panas dari bagian
temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Ada 3 cara mekanisme
perpindahan panas, yaitu :
1. Perpindahan
Panas secara Konduksi (rambatan).
Dapat terjadi
pada padatan, cairan dan gas. Panas yang timbul pada konduksi di transfer
antara molekul yang berdekatan. Pada konduksi, energi bisa juga ditransfer
dengan energi bebas yang sungguh penting pada Metalic Solid.
Contohnya :
perpindahan panas melalui dinding Heat
exchanger atau suatu Refrigerator.
Teori
dasar perpindahan kalor secara konduksi adalah hukum Fourier :
keterangan
:
dQ/dt
= jumlah kalor yang dipindahkan per satuan
waktu
k
= konstanta perpindahan kalor material/bahan
A = luas penampang kontak perpindahan
-dT/dx
= kecepatan perubahan temperatur yang
tergantung pada jarak lintasan panas yang pindah pada benda padat (ketebalan
logam)
Dalam
keadaan steady, maka harga dQ/dt dari
persamaan di atas tetap sehingga dapat di ganti dengan q, sehingga persamaan
tersebut menjadi :
q = k. Aavg. (T2-T1)
/ (x2-x1)
keterangan
:
A
= luas permukaan yang berlangsungnya
perpindahan panas rata-rata
(T2-T1)
= merupakan daya dorong (driving force)
untuk terjadinya perpindahan kalor antara 2 titik perpindahan.
(x2-x1)
=
jarak perpindahan
Sebagai
penghambat berlangsungnya perpindahan dapat dirumuskan sebagai berikut :
R = X / (k.A)
Dengan
R adalah tahanan / hambatan terhadap berlangsungnya perpindahan kalor.
Perpindahan Kalor pada
Lempeng Berlapis Tebal
Bila
tiga lapis padatan yang tersusun paralel maka perpindahan kalor per satuan
waktu (q) ditentukan oleh karakteristik dari ketiga padatan tersebut, maka :
Gambar
1. Profil Penurunan Temperatur pada dinding berlapis tiga macam bahan
2.
Perpindahan
Panas secara Konveksi
Perpindahan
panas yang terjadi akibat ada aliran dari massa, yaitu dengan adanya pergerakan
molekuler. Perpindahan Panas secara konveksi terbagi dua, yaitu konveksi
alamiah/bebas dan konveksi paksa. Perpindahan kalor yang terjadi antar dua
fluida (cairan dan gas) pada umumnya disertai dengan terjadinya perpindahan massa,
baik pada konveksi alamiah ataupun konveksi paksa.
Gambar 2. Profil penurunan temperatur pada fuida
panas dan fluida dingin yang dibatasi oleh dinding yang berterak (scale).
Perpindahan
panas yang terjadi antara dua fluida yang dipisahkan oleh lempengan dengan
ketebalan tertentu dan pengaruh kotoran/kerak. Pada
Gambar 2 diperlihatkan perpindahan kalor dari fluida 1 dengan temperatur
rata-rata fluida t1 melalui lempeng sebagai pemisah antara aliran
fluida 1 dan aliran fluida 2, t2 merupakan temperatur fluida 2,
tebal dinding pemisah antara kedua fluida.
Persamaan
neraca energi 3 dimensi yang berlangsung dapat dituliskan sebagai berikut :
Cp (T/t + T/x + T/y + w T/z) = k (T2/x2
+ T2/y2 + T2/z2 ) + Q + φ
(sumber : Perry’s Chemical Engineering Handbook)
Simbol
φ adalah kalor hilang yang dipengaruhi oleh kekentalan / viskositas fluida. Q
adalah kalor yang diserap oleh media/reagen. Pada proses perpindahan energi
antara dua fluida seperti digambarkan di atas, ada pengaruh yang terjadi di
perbatasan antara kedua fluida tersebut dengan lempeng pemisah.
Dengan
penyempurnaan/penurunan berbagai persamaan, untuk perpindahan kalor secara
konveksi dapat disajikan oleh persamaan :
dq = h1 . d A1 (t1
– t2)
= h0 . d A0 (t5
– t7)
3. Perpindahan Panas
secara Radiasi
Radiasi
adalah perpindahan panas yang terjadi tanpa memerlukan medium penghantar,
biasanya diakibatkan adanya gelombang
elektromagnetik. Contohnya, energi sinar matahari ke bumi.
Pada
fluida yang berbeda temperaturnya juga terjadi perpindahan panas, ini
disebabkan karena perpindahan panas terjadi karena aliran pergerakan molekuler
dari fluida yang bertemperatur tinggi ke fluida yang bertemperatur lebih
rendah. Keadaan ini akan terus berlangsung hingga kedua fluida telah memiliki
suhu yang sama atau telah terjadi kesetimbangan thermal.
Aplikasi
perpindahan panas dalam dunia industri terdapat pada alat-alat seperti: Plate Heat exchanger, ketel didih (boiler),
evaporator, condensor dan furnace.
2.2. Koefisien Perpindahan Panas Keseluruhan
Dalam pengujian alat penukar kalor
dilakukan pengukuran suhu antara kedua fluida dengan permukaan lempeng,
sehingga koefisien perpindahan kalor yang digunakan dalam perhitungan kebutuhan
luas permukaan perpindahan digunakan koefisien perpindahan keseluruhan (U). Dengan
demikian, persamaan yang digunakan berdasarkan pada perbedaan suhu rata-rata
antara kedua fluida yang mengalami penukaran kalor.
Q = UA (t1 – t7)
keterangan :
Q
= jumlah panas yang berpindah
per satuan waktu.
U
= koefisien perpindahan panas
keseluruhan
(t1
– t7) = ∆T LMTD = selisih temperatur/
aliran panas rata-rata
A
= luas permukaan kontak perpindahan panas
Pada
proses perpindahan panas secara konveksi dapat terjadi berbagai jenis konveksi,
dari konveksi alamiah yang berdasarkan pada perbedaan berat jenis fluida,
konveksi paksa laminer, sampai konveksi paksa turbulen dan lain-lain atau
konveksi yang tergantung pada fluida yang terlibat. Penggambaran dari berbagai
macam faktor tersebut dapat disajikan melalui persamaan sebagai berikut:
NNu = q
. NRe. NPr. NGr.
Keterangan
:
NNu
=
Bilangan Nuselt = h.D/k
NRe =
Bilangan Reynold = D.G/µ = r
.D .v / µ
NGr
=
Bilangan Grashoff = D3 . r2.
g . b
. DT
/ µ2
NPr
=
Bilangan Prandtl = µ . c . k
G = laju massa fluida (kg/cm2.dt)
µ = viskositas fluida (kg/m.dt)
b =
koefisien pengembangan termal (1/oC)
c = kalor / panas spesifitk (Joule/kg.oC)
D = diameter aliran (m)
k = konduktivitas thermal (Joule/dt.m2 atau
C/m)
r = densitas
/ berat jenis (kg/m3)
g = gaya gravitasi (9,8 m/dt2)
DT = perbedaan
temperatur log rata-rata (K)
q = sudut kontak antara permukaan dengan garis
horizontal (dimensionless)
v = laju alir fludia (m/dt).
2.3. Selisih Temperatur Rata-Rata Sepanjang Heat
Exchanger
Aliran
fluida panas dan aliran fluida dingin pada heat
exchanger dapat dialiran secara secara dan berlawanan arah, yaitu :
-
Aliran Berlawanan Arah
(Counter Current Flow) → dimana arah aliran fluida panas berlawanan arahnya
dengan arah aliran fluida dinginnya.
Gambar
12. Grafik Selisih Temperatur sepanjang Heat Exchanger aliran berlawanan
∆T1
= Tha – Tcb
∆T2
= Thb – Tca
-
Aliran Searah (Parallel flow/ CoCurrent)→ dimana arah
aliran fluida panas searah dengan arah aliran fluida dinginnya.
∆T1
= Tha – Tca
∆T2
= Thb – Tcb
Selisih
temperature rata-rata sepanjang heat
exchanger untuk kedua jenis aliran fluida adalah ∆TLMTD dapat
dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut :
∆T2
-∆T1
∆TLMTD
= --------------
ln (∆T2/∆T1)
∆T1
dan ∆T2 dihitung sesuai dengan aliran searah atau aliran berlawanan.
2.4. Perhitungan Jumlah Panas yang Dipindahkan
Panas
yang dilepas oleh fluida pemanas ke fluida dingin jumlahnya dapat dihitung;
Qo = Mo . cpo
. DT
Keterangan :
-
Mo :
Laju massa fluida panas (kg/jam)
-
cpo : panas spesifik fluida panas pada suhu
masuk (J/kg.K)
-
DT : perbedaan suhu fluida panas keluar –
masuk (K)
Panas
yang diterima oleh fluida dingin dari fluida panas dapat dihitung, Q1.
Q1 = M1 . cp1
. DT
Keterangan :
-
M1 :
Laju massa fluida dingin (kg/jam)
-
cp1 : panas spesifik fluida dingin pada suhu
masuk (J/kg.K)
-
DT : perbedaan suhu fluida dingin keluar –
masuk (K)
2.5. Jenis- jenis Heat Exchanger di dalam Gambar
Gambar
4. Plate Heat Exchanger
Gambar
5. Sistem Sirkulasi pada Plate Heat Exchanger
Gambar
6. Spiral Heat Exchanger
Gambar
7. Disk Heat Exchanger
III.
PERALATAN
-
Heat exchanger
-
Heater
-
Pompa
-
Stop watch
-
Termometer
-
Gelas ukur
-
Rota meter
IV.
BAHAN
-
Fluida panas (hot water)
-
Fluida dingin (cold water)
V. CARA KERJA
5.2.
Keselamatan Kerja
Untuk menghindari terjadinya kecelakaan
kerja maka perlu diperhatikan beberapa hal yaitu:
1. Karena
menggunakan pemanas air dengan kompor gas LPG, maka periksa dengan teliti
apakah selang gas dalam kondisi baik, tidak bocor, ditandai dengan tidak adanya
bau gas LPG yang khas (bau durian). Jika berbau gas periksa dan betulkan dengan
seksama.
2. Hidupkan
kompor gas menggunaan mantik api khusus untuk kompor gas.
3. Peralatan
Plate Heat Exchanger sebagian terbuat dari gelas terutama thermometer yang
mudah pecah. Hidari benturan dengan benda keras.
4. Hati-hati
terhadap bahaya konslet dengan listrik karena menggunakan listrik dan banyak air.
5. Gunakan
baju lab selama bekerja.
5.2. Langkah Kerja (Prosedure Kerja):
1. Menghubungkan
selang-selang sesuai dengan kedudukannya. Untuk cold water selang dihubungkan dari kran air menuju ke saluran masuk
Heat Exchanger, sedang untuk hot water selang dihubungkan dari bak
penampungan air panas menuju ke pompa dan dari pompa menuju ke saluran masuk Heat Exchanger. Biasannya sudah
terhubung.
2. Masukkan
air ke dalam tangki sampai 80% isi tangki.
3. Lakukan
kalibrasi pembacaan terhadap 4 buah thermometer yang akan dipergunakan.
Caranya
(kalibrasi dilakukan sebelum tangki sumber air panas dipanaskan):
Alirkan air dari kedua sumber yakni
dari keran dan dari tangki (1) dengan laju alir yang sama dan dengan temperatur
konstan (temperatur kamar) pada kedua
aliran yang dilewati oleh ke 4 termometer, catat berapa pembacaan ke empat
termometer masing-masing terhadap temperature air dari sumber yang sama
(temperature yang sama). Ambil salah satu dari ke empat termometer sebagai thermometer
standar, dapatkan angka koreksi pembacaan untuk ketiga termometer yang lain dengan
mengurangi angka bacaan termometer standar dengan termometer yang lain. Gunakan
angka koreksi tersebut untuk mengoreksi setiap data dari pembacaan yang
ditunjukkan oleh termometer yang lain.
4. Hidupkan
heater pemanas tangki air untuk menaikan temperature
sumber sesuai lembaran tugas.
5. Menghidupkan
pompa dan membuka katup/ kran hot water sesuai
dengan laju alir yang ditugaskan, lihat flowmeter indicator.
6. Membuka
katup/ kran cold water sesuai dengan
laju alir yang ditugaskan, lihat
flowmeter indikator.
7. Biarkan
Heat Exchanger bekerja selama minimal
5 menit untuk tiap kali penyetelan laju alir fluidanya.
8. Mengambil
data pengamatan setiap 5 menit. Data tersebut adalah berupa temperatur fluida
panas masuk (Tha), temperatur fluida dingin masuk (Tca),
temperatur fluida panas keluar (Thb) dan temperatur fluida dingin
keluar (Tcb).
9. Menghitung
∆TLMTD berdasarkan data yang diperoleh.
VI.
FORM DATA PERCOBAAN
Tanggal
percobaan:
Nama
Praktikan : ……………………………… NIM ……………………….
……………………………… ……………………….
……………………………… ……………………….
……………………………… ……………………….
……………………………… ……………………….
……………………………… ……………………….
Kalibrasi
Termometer : suhu air: suhu kamar = oC
Termometer
|
Pembacaan
suhu
|
Selisih
pembacaan terhadap standar (Angka koreksi)
|
1
(sebagai
standar)
|
0
|
|
2
|
||
3
|
||
4
|
Kalibrasi
rotameter aliran panas (dapat menggunakan air dingin biasa dulu) sebagai berikut :
Titik
ke
|
Laju
di Rotameter
[F1]
(ltr/jam)
|
Laju
sebenarnya
(kg/jam)
|
Suhu
oC
|
1
|
Suhu kamar =
|
||
2
|
|||
3
|
|||
4
|
Kalibrasi
rotameter aliran dingin (dapat menggunakan air dingin biasa dulu) sebagai berikut :
Titik
ke
|
Laju
di Rotameter
[F2]
(ltr/jam)
|
Laju
sebenarnya
(kg/jam)
|
Suhu
oC
|
1
|
|||
2
|
|||
3
|
|||
4
|
Percobaan
1. Aliran Panas Tetap
No.
|
Fluida
Panas
|
Fluida
Dingin
|
||||
Laju
fluida (l/jam)
|
Suhu
masuk (oC)
|
Suhu
keluar
(oC)
|
Laju
fluida (l/jam)
|
Suhu
masuk
(oC)
|
Suhu
keluar
(oC)
|
|
1
|
100
|
100
|
||||
2
|
100
|
150
|
||||
3
|
100
|
200
|
||||
4
|
100
|
250
|
||||
Percobaan
2. Aliran dingin Tetap
No.
|
Fluida
Panas
|
Fluida
Dingin
|
||||
Laju
fluida (kg/jam)
|
Suhu
masuk (oC)
|
Suhu
keluar
(oC)
|
Laju
fluida (kg/jam)
|
Suhu
masuk
(oC)
|
Suhu
keluar
(oC)
|
|
1
|
100
|
150
|
||||
2
|
150
|
150
|
||||
3
|
200
|
150
|
||||
4
|
250
|
150
|
||||
Percobaan
3. Aliran Dingin Tetap
No.
|
Fluida
Panas
|
Fluida
Dingin
|
||||
Laju
fluida (kg/jam)
|
Suhu
masuk (oC)
|
Suhu
keluar
(oC)
|
Laju
fluida (kg/jam)
|
Suhu
masuk
(oC)
|
Suhu
keluar
(oC)
|
|
1
|
150
|
125
|
||||
2
|
150
|
175
|
||||
3
|
150
|
200
|
||||
4
|
150
|
225
|
||||
Keterangan: laju alir bisa diubah sesuai dengan
kemampuan pompa/ jalur pendingin/ air umpan yang tersedia.
Lhokseumawe, 2015
Mengetahui,
(Ir. Sariadi, MT.)
PERTANYAAN/
TUGAS:
1. Gambar grafik kalibrasi laju alir sebenarnya
vs laju alir rotameter dari aliran fluida panas dan fluida dingin ?
2. Berapa factor koreksi pembacaan keempat buah
thermometer?
3. Hitung kalor yang dilepas fluida panas Q2
dan kalor yang diterima/ diserap fulida dingin, Q1
4.
Hitung kalor yang hilang kelingkungan?
5. Berapa efisiensi panas peralatan ini?
6.
Dapatkan h dengan menggunakan tabel yang
tersedia, cari k rata-rata baja (steel)
dan seng pada temperatur fluida panas masuk (buat interpolasinya dan ubah ke
satuan SI) dan kalor yang berpindah, Q adalah kalor yang diterima / diserap
oelh fluida dingin Q1 untuk rata-rata waktu proses (J/menit).
DAFTAR
PUSTAKA:
1. Kern
D.Q, Process Heat Transfer, McGraw
Hill, 1983
2. Geankoplis
JC, Transport Processes and Unit Operatations, The Ohio State Univercity
Scond Editions, 1983.
3. McCabe
and Theile, Unit Operations Of Chemical Engineering, Fifth Editions,
McGraw-Hill International, 1993.
TAKARIR
O
-
Over all Coeficience heat transfer:
Koefisien perpindahan panas keseluruhan (U)
P
-
Panas laten: di sertai dengan perubahan
fase seperti kondensasi (pengembunan) dan vaporasi (penguapan).
-
Panas sensibel: kenaikan atau penurunan
suhu, tanpa disertai dengan perubahan fase
S
-
Superheated: uap yang dipanaskan lanjut
-
Subcooled: kondensasi/ pendinginan
lanjut
T
-
Temperatur range: kisaran perubahan temperature
fluida
LAMPIRAN 1. SIFAT BEBERAPA BAHAN LOGAM DAN BAHAN
LAINNYA
Tabel
5. Konduktivitas Thermal dari beberapa cairan
LAMPIRAN
2. DATA SPESIFIKASI ALAT PLATE HEAT EXCHANGER
Data spesifikasi peralatan penukar panas
di Laboratorium Operasi Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe.
Tipe :
Penukar Panas Lempeng
Bahan :
Baja 50 %
Seng 50 %
Luas
permukaan kontak : ± 1,00 m2
(selama keping lempeng yang dipakai sejumlah 25 lempeng).
Diameter
aliran fluida : ± 2,8 mm
Tekanan
operasi maksimum : 3 bar
Temperatur
operasi maksimum : 100oC
LAMPIRAN
3. CONTOH PERHITUNGAN
1.
Perhitungan jumlah yang
diterima oleh aliran fluida dingin
Aliran Fluida
dingin masuk:
Density air: 1 kg/ l
Cp: 4,187 KJ/kg.K
Tca = T1: 25oC (data) =
273 + 25 = 298 K
Temperatur reference/
datum: 0 oC = 273K
M1 = 145 l/jam = 145 l/jam
x 1kg/l = 145 kg/jam
Q1 = M1.cp.(T1-To)
Q1 = 145 kg/jam x 4,187 KJ/Kg.K x (298 -273) K
Q1 =
Aliran Fluida
dingin keluar:
Density air: 1 kg/ l
Cp: 4,187 KJ/kg.K
Tcb = T2: 40oC (data) =
273 + 40 = 313 K
Temperatur reference/
datum: 0 oC = 273K
M2 = M1= 145 l/jam =
145 l/jam x 1kg/l = 145 kg/jam
Q2 = M2.cp.(T2-To)
Q2 = 145 kg/jam x 4,187 KJ/Kg.K x (313 -273) K
Q2 =
Panas yang diterima
oleh fluida dingin dari aliran fluida panas adalah:
QTc = Q2 – Q1 =
2.
Perhutungan jumlah
panas yang dilepas oleh aliran fluida panas
Aliran
Fluida panas masuk:
Density
air: 1 kg/ l
Cp:
4,187 KJ/kg.K
Tha
= T3: 65oC (data) = 273 + 65 = 338 K
Temperatur
reference/ datum: 0 oC = 273K
M3
= 200 l/jam = 200 l/jam x 1kg/l = 200 kg/jam
Q3
= M3.cp.(T3-To)
Q3 = 145 kg/jam x 4,187 KJ/Kg.K x (338 -273)
K
Q3 =
Aliran
Fluida panas keluar:
Density
air: 1 kg/ l
Cp:
4,187 KJ/kg.K
Thb
= T4: 45oC (data) = 273 + 45 = 318 K
Temperatur
reference/ datum: 0 oC = 273K
M4
= 200 l/jam = 200 l/jam x 1kg/l = 200 kg/jam
Q4
= M4.cp.(T4-To)
Q4 = 145 kg/jam x 4,187 KJ/Kg.K x (318 -273)
K
Q4 =
Jumlah
panas yang dilepas oleh fluida panas:
QLh
= Q4 - Q3
QLh
=
3.
Perhitungan jumlah
panas yang hilang ke lingkungan sekitar
QH
= QLh – QTc
QH
=
4.
Perhitungan selisih
temperature rata-rata sepanjang HE, ∆TLMTD
Untuk
aliran searah:
∆T1
= Tha -Tca = (65 - 25) oC
∆T2
= Thb –Tcb = (45 – 40) oC
∆T2- ∆T1 (45 – 40) - (65 - 25) oC
∆T LMTD
= ----------------- =
---------------------------- =
ln ∆T2/∆T1 ln (45 – 40)/(65 - 25) oC
No comments:
Post a Comment