penukar panas gas-gas (hxg)

MODUL PRAKTIKUM
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL TEKNIK KIMIA
PENUKAR PANAS GAS-GAS
(HXG)
Disusun oleh:
Ibrahim A Suryawijaya
Corelya Erindah A
Dr. Dendy Adityawarman
Pri Januar Gusnawan, S.T., M.T.
Dr. Ardiyan Harimawan
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2013
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Penukar Panas Gas-Gas
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI .................................................................................................................................... 2
BAB I
PENDAHULUAN ............................................................................................................. 5
BAB II TUJUAN DAN SASARAN PERCOBAAN ..................................................................... 6
I.
Tujuan.................................................................................................................................... 6
II. Sasaran .................................................................................................................................. 6
BAB III RANCANGAN PERCOBAAN ........................................................................................ 7
I.
Skema Alat Percobaan .......................................................................................................... 7
II. Alat Pendukung Percobaan ................................................................................................... 7
BAB IV PROSEDUR KERJA ......................................................................................................... 8
I.
Langkah Percobaan ............................................................................................................... 8
II. Metode Pengukuran (OPTIONAL) ....................................................................................... 9
DAFTAR PUSTAKA..................................................................................................................... 10
LAMPIRAN A TABEL DATA MENTAH ................................................................................... 11
LAMPIRAN B PROSEDUR PERHITUNGAN ............................................................................ 12
LAMPIRAN C DATA SPESIFIKASI DAN LITERATUR .......................................................... 16
I.
Data Literatur ...................................................................................................................... 16
II. Spesifkasi Alat HXG ........................................................................................................... 16
HXG
2
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Penukar Panas Gas-Gas
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1 Rangkaian Alat Percobaan Penukar Panas Gas-Gas ....................................................... 7
Gambar 2 Langkah Percobaan ......................................................................................................... 8
Gambar 3 Faktor Koreksi ΔT untuk Penukar Panas tipe Cross flow (McCabe, 1993) .................. 13
HXG
3
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Penukar Panas Gas-Gas
DAFTAR TABEL
Tabel 1 Data Kalibrasi Laju Alir .................................................................................................... 11
Tabel 2 Data Penentuan Nilai τ ...................................................................................................... 11
Tabel 3 Data Percobaan Utama ...................................................................................................... 11
Tabel 4 Spesifikasi Peralatan HXG ................................................................................................ 16
HXG
4
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Penukar Panas Gas-Gas
BAB I
PENDAHULUAN
Perpindahan panas adalah salah satu faktor yang sangat menentukan operasional suatu
pabrik Kimia. Penyelesaian soal-soal perpindahan kalor secara kuantitatif biasanya didasarkan
pada neraca energi dan perkiraan laju perpindahan kalor. Perpindahan panas akan terjadi
apabila ada perbedaan temperatur antara 2 bagian benda. Panas akan berpindah dari
temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Panas dapat berpindah dengan 3 cara,
yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Pada peristiwa konduksi, panas akan berpindah tanpa
diiukti aliran medium perpindahan panas. Panas akan berpindah secara estafet dari satu
partikel ke partikel yang lainnya dalam medium tersebut. Pada peristiwa konveksi,
perpindahan panas terjadi karena terbawa aliran fluida. Secara termodinamika, konveksi
dinyatakan sebagai aliran entalpi, bukan aliran panas. Pada peristiwa radiasi, energi berpindah
melalui gelombang elektromagnetik.
Ada beberapa alat penukar panas yang umum digunakan pada industri. Alat-alat
penukar panas tersebut antara lain: double pipe, shell and tube, plate-frame, spiral, dan
lamella. Penukar panas jenis plate and frame mulai dikembangkan pada akhir tahun 1950.
Banyak penelitian
yang telah dilakukan
pada penukar
panas jenis ini, namun umumnya
fluida operasi yang digunakan adalah air.
Pada praktikum ini, fluida yang digunakan adalah udara. Fluida udara dimanfaatkan
sebagai fluida operasi karena kalor yang dihasilkan flue gas dari operasi suatu pabrik belum
dimanfaatkan secara maksimal. Praktikum ini juga merupakan salah satu usaha pengkajian
lebih dalam mengenai flue gas.
Hasil praktikum diharapkan tampil dalam bentuk korelasi NNU = a.NREb. Dengan
demikian didapat korelasi antara bilangan Reynolds dengan bilangan Nusselt.
HXG
5
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Penukar Panas Gas-Gas
BAB II
TUJUAN DAN SASARAN PERCOBAAN
I.
Tujuan
Tujuan praktikum perpindahan panas gas ini adalah:
1.
Praktikan mempelajari peristiwa/fenomena perpindahan panas melalui percobaan penukar
panas jenis plate and frame.
2.
Praktikan mampu memilih konfigurasi sistem perpindahan panas yang paling baik
II.
Sasaran
Pada akhir praktikum diharapkan :
1.
Praktikan dapat menentukan koefisien perpindahan panas keseluruhan untuk variasi
tertentu seperti laju alir, temperatur masuk, arah aliran, dan/atau letak fluida
2.
Praktikan menentukan nilai koefisien perpindahan panas secara empiris
3.
Praktikan dapat memperoleh konfigurasi dengan koefisien perpindahan panas terbaik
4.
Praktikan menemukan korelasi antara bilangan Reynolds dengan bilangan Nusselt.
HXG
6
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Penukar Panas Gas-Gas
BAB III
RANCANGAN PERCOBAAN
I.
Skema Alat Percobaan
Udara dingin keluar
Heater
Udara panas keluar
HE Plate and Frame Udara panas masuk
Udara dingin masuk
Valve aliran dingin
Valve aliran panas
Udara lingkungan
Blower
Valve by-pass
Udara by-pass
Gambar 1 Rangkaian Alat Percobaan Penukar Panas Gas-Gas
II.
Alat Pendukung Percobaan
a. Perangkat dan Alat Ukur
1. Termokopel
2. Wet test meter
3. Manometer
4. Laptop (software: Labview)
5. Stopwatch
b. Bahan
Udara
HXG
7
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Penukar Panas Gas-Gas
BAB IV
PROSEDUR KERJA
I.
Langkah Percobaan
Diagram alir percobaan disajikan pada Gambar 2.
Mulai
Kalibrasi laju alir udara panas dan
dingin dengan wet -test meter
Penentuan nilai τ
Percobaan I pada jenis pelat counter current
dengan variasi laju alir panas dan dingin
Percobaan II pada jenis pelat cross current
dengan variasi laju alir panas dan dingin
Penentuan karakteristik perpindahan panas berupa
Q , U , h , N RE, dan N NU
Pengolahan data dan analisis
Selesai
Gambar 2 Langkah Percobaan
HXG
8
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
II.
Penukar Panas Gas-Gas
Metode Pengukuran
Parameter percobaan diperoleh datanya dari termokopel yang dipasang pada aliran inlet
dan outlet fluida panas dan dingin. Sedangkan pengukuran variabel percobaan diperoleh dari
pengukuran laju alir fluida dengan flowmeter yang sudah dikalibrasi. Kalibrasi dilakukan
dengan menggunakan wet-test meter.
Parameter yang diamati adalah:
1.
Temperatur masuk flue gas (Th,i)
2.
Temperatur keluar flue gas (Th,o)
3.
Temperatur masuk udara dingin (Tc,i)
4.
Temperatur keluar udara dingin (Tc,o)
5.
Temperatur dinding masuk flue gas (Twh,i)
6.
Temperatur dinding keluar flue gas (Twh,o)
7.
Temperatur dinding masuk udara dingin (Twc,i)
8.
Temperatur dinding keluar udara dingin (Twc,o)
Sedangkan variabel percobaan yang digunakan adalah laju alir flue gas dan laju alir
udara dingin.
HXG
9
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Penukar Panas Gas-Gas
DAFTAR PUSTAKA
[1]
Mc Cabe, W.L., Unit Operation of Chemical Engineering, 5
rd
Edition, McGraw-Hill
Book Co., Singapore, 1993, pp. 309-369.
[2]
Brown, G.G., Unit Operatons, Charles E. Tutle Co., Tokyo, 1960, pp. 415-447.
[3]
Perry, R., Green, D.W., and Maloney, J.O., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook,
th
Edition, McGraw-Hill, Japan, 1984, Section 11 pp. 11-1 to 11-31 6
HXG
10
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Penukar Panas Gas-Gas
LAMPIRAN A
TABEL DATA MENTAH
Data yang diperoleh pada percobaan ini terbagi tiga sesuai tahapan percobaan:
1. Data kalibrasi laju alir
Tabel 1 Data Kalibrasi Laju Alir
∆h (cm)
V (L)
t (s)
2. Data penentuan nilai τ
Tabel 2 Data Penentuan Nilai τ
t (s)
T (oC)
3. Data percobaan utama
Tabel 3 Data Percobaan Utama
∆h,dingin ∆h,panas
HXG
Th,I (oC) Th,o (oC) Tc,i (oC) Tc,o (oC) Twh,i (oC) Twh,o (oC) Twc,i (oC) Twc,o (oC)
11
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Penukar Panas Gas-Gas
LAMPIRAN B
PROSEDUR PERHITUNGAN
B.1 Laju Perpindahan Panas (Q)
Laju perpindahan panas fluida panas dan fluida dingin dihitung berdasarkan persamaan
berikut.
𝑞ℎ𝑜𝑡 = 𝑚ℎ𝑜𝑡. 𝑐𝑝ℎ𝑜𝑡. (𝑇ℎ𝑜𝑡,𝑖𝑛 − 𝑇ℎ𝑜𝑡,𝑜𝑢𝑡)
𝑞𝑐𝑜𝑙𝑑 = 𝑚𝑐𝑜𝑙𝑑. 𝑐𝑝𝑐𝑜𝑙𝑑. (𝑇𝑐𝑜𝑙𝑑,𝑖𝑛 − 𝑇𝑐𝑜𝑙𝑑,𝑜𝑢𝑡)
B.2 Perhitungan qloss
Kalor yang terlepas ke lingkungan dinyatakan sebagai q loss yang dinyatakan sebagai
berikut :
𝑞
𝑞
−
−
Nilai konduktivitas termal, tebal dan luas perpindahan panas kaowol seluruhnya
diperoleh dari literatur.
B.3. Perhitungan Laju Perpindahan Panas Operasi (q,operasi)
qoperasi untuk masing-masing fluida diperoleh melalui persamaan berikut.
𝑞𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑠𝑖,ℎ𝑜𝑡 = 𝑞ℎ𝑜𝑡 − 𝑞𝑙𝑜𝑠𝑠
𝑞𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑠𝑖,𝑐𝑜𝑙𝑑 = 𝑞𝑐𝑜𝑙𝑑 − 𝑞𝑙𝑜𝑠𝑠
B.4. Perhitungan ΔTlmtd untuk Penukar Panas Counter-current dan Cross-flow
Beda temperatur yang digunakan adalah log mean temperature difference yang dihitung
melalui persamaan berikut.
HXG
12
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Penukar Panas Gas-Gas
Persamaan di atas hanya dapat digunakan untuk penukar panas tipe counter-current.
Persamaan tersebut dapat digunakan untuk penukar panas tipe cross flow dengan dikalikan
faktor koreksi terlebih dahulu.
∆𝑇𝑙𝑚𝑡𝑑,𝑐𝑟𝑜𝑠𝑠𝑓𝑙𝑜𝑤 = ∆𝑇𝑙𝑚𝑡𝑑,𝑐𝑜𝑢𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑢𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡. 𝐹
𝑜𝑟𝑒 𝑠𝑖
Untuk menentukan faktor koreksi dari grafik di atas, perlu dilakukan perhitungan nilai
Z dan ɳ terlebih dahulu berdasarkan persamaan berikut.
Faktor koreksi diperoleh dari grafik pada Gambar 12.
Gambar 3 Faktor Koreksi ΔT untuk Penukar Panas tipe Cross flow (McCabe, 1993)
B.5 Penentuan Koefisien Perpindahan Panas Keseluruhan (U)
Koefisien perpindahan panas keseluruhan dihitung melalui dua cara yaitu secara empiris
dan secara teroritis. Koefisien perpindahan panas keseluruhan teoritis dihitung berdasarkan
persamaan berikut.
HXG
x
: tebal dinding pelat,
k
: konduktivitas termal bahan,
13
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
hh
: koefisien perpindahan panas konveksi untuk fluida panas
hc
: koefisien perpindahan panas konveksi untuk fluida dingin
Penukar Panas Gas-Gas
Koefisien perpindahan panas keseluruhan empiris ditentukan melalui persamaan berikut.
B.6 Penentuan Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (h)
Koefisien perpindahan panas konveksi ditentukan melalui persamaan-persamaan di
bawah ini.
Beda temperatur yang digunakan untuk perhitungan adalah log mean temperature
difference antara temperatur fluida dengan temperatur dinding penukar panas.
B.7 Perhitungan Bilangan Nusselt dan Bilangan Reynold
Bilangan Nusselt tersebut dapat dihitung dari persamaan berikut.
HXG
14
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
h
Penukar Panas Gas-Gas
: koefisien perpindahan panas konveksi
D : diameter ekivalen pelat
k
: konduktivitas termal fluida
Bilangan Reynold ditentukan berdasarkan persamaan di bawah ini.
ρ
: densitas fluida
v
: laju alir fluida
µ
: viskositas fluida
D : diameter
B.8 Penentuan Korelasi antara Bilangan Nusselt dengan Bilangan Reynold
Secara matematis tujuan percobaan ini adalah mencari nilai a dan b pada persamaan:
𝑁𝑢 = 𝑎 𝑅𝑒𝑏
Nilai konstanta a dan b dapat ditentukan dari regresi antara ln Nusselt dengan ln Reynold.
Dari hasil percobaan, dibuat dua plot yaitu plot bilangan Nusselt untuk fluida panas terhadap
bilangan Reynold dengan plot bilangan Nusselt untuk fluida dingin terhadap bilangan
Reynold.
B.9 Perhitungan Efisiensi Perpindahan Panas
Derajat perpindahan panas ini dinyatakan melalui efisiensi proses perpindahan panas
yang dinyatakan melalui persamaan berikut.
HXG
15
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Penukar Panas Gas-Gas
LAMPIRAN C
DATA SPESIFIKASI DAN LITERATUR
I.
Data Literatur
Data-data literatur berikut diperlukan dalam pengolahan data pada praktikum modul
HXG antara lain:
1.
Densitas fluida sebagai fungsi temperatur
2.
Kapasitas panas (Cp) fluida sebagai fungsi temperatur
3.
Viskositas fluida sebagai fungsi temperatur
4.
Konduktivitas fluida sebagai fungsi temperatur
5.
Spesifikasi alat penukar panas yang ditampilkan pada Tabel 4.
II.
Spesifkasi Alat HXG
Tabel 4 Spesifikasi Peralatan HXG
Satuan
Jaket (kaowol)
Konduktivitas
k
W/m.K
2
Luas penampang
Ketebalan
A
∆x
m
m
Pelat
Konduktivitas
k
W/m.K
Counter-current
Cross-current
0,029
0,1443
0,017
Keterangan
0,029 cotton
0,1439
0,017
42
42 iron
43
43 steel, carbon 1%
Luas penampang
Tebal pelat
A
∆x
m2
m
0,0585
0,005
0,05846
0,005
Pipa
Diameter
de
m
0,02804
0,02804
HXG
16
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Penukar Panas Gas-Gas
Lembar Kendali Keselamatan Kerja
Job Safety Analysis
Judul Modul Percobaan : HXG – Penukar Panas Gas-Gas
Dosen Pembimbing
: Dr Dendy Adityawarman dan Pri Januar Gusnawan, S.T., M.T.
Asisten Modul Percobaan : Ibrahim Abdulfattah dan Corelya Erindah Aristia
No
1
Bahan
Sifat Bahan
Udara
 Tidak berbau
(79% N2, 21%  Berbentuk gas
O2 )
 Tidak berwarna
 Tidak beracun
 Tidak berbahaya
Kecelakaan yang mungkin terjadi
Hubungan arus pendek akibat listrik yang kontak
dengan air
Terpeleset akibat genangan air yang diakibatkan
oleh kebocoran sambungan selang atau pipa
Patahnya valve atau handle pemutar
Tindakan
Penanggulangan
 Titik leleh pada Tidak memerlukan
penanggulangan yang
(-216,2o C)
pada tekanan 10 khusus. Kebocoran
pada udara panas
psig
akan membahayakan.
 Densitas 1,2
3
Jika terjadi kebocoran
kg/m pada
udara panas segera
tekanan 1 atm
identifikasi sumber
kebocoran dan tutup
dengan sumbat.
Hindari kontak
langsung dengan
tubuh
Penanggulangan
Usahakan untuk memutus hubungan arus
listrik pada alat. Apabila hal ini tidak dapat
dilakukan, hubungi pihak berwenang
Pastikan semua sambungan selang atau pipa
terpasang dengan baik dan benar, sehingga
tidak ada air yang bocor dan menggenang.
Bersihkan apabila terjadi genangan air
Pastikan arah putaran tertutup dan terbuka
pada valve. Usahakan untuk membuka valve
tidak berlebihan sehingga tidak menyebabkan
patahnya valve. Jika patah, ganti dengan yang
baru atau hubungi pihak berwenang Ganti
Perlengkapan keselamatan kerja
Sarung tangan
HXG
Jaslab
Masker
Google
17