penukar panas gas-gas (hxg)

MODUL PRAKTIKUM
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL TEKNIK KIMIA
PENUKAR PANAS GAS-GAS
(HXG)
Koordinator LabTK
Dr. Pramujo Widiatmoko
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2016
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FTI - ITB
MODUL PENUKAR PANAS GAS-GAS
(HXG)
Kontributor:
Dr. Dendy Adityawarman, Pri Januar Gusnawan, S.T., M.T., Dr. Ardiyan Harimawan, Ibrahim A.
Suryawijaya, Corelya Erindah A.
HXG – 2016/PW
2
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FTI - ITB
MODUL PENUKAR PANAS GAS-GAS
(HXG)
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI .................................................................................................................................... 3
BAB I
PENDAHULUAN ............................................................................................................. 6
BAB II TUJUAN DAN SASARAN PERCOBAAN ..................................................................... 7
I.
Tujuan.................................................................................................................................... 7
II. Sasaran .................................................................................................................................. 7
BAB III RANCANGAN PERCOBAAN ........................................................................................ 8
I.
Skema Alat Percobaan .......................................................................................................... 8
II. Alat Pendukung Percobaan ................................................................................................... 8
BAB IV PROSEDUR KERJA ......................................................................................................... 9
I.
Langkah Percobaan ............................................................................................................... 9
II. Metode Pengukuran (OPTIONAL) ..................................................................................... 10
DAFTAR PUSTAKA..................................................................................................................... 11
LAMPIRAN A TABEL DATA MENTAH ................................................................................... 12
LAMPIRAN B PROSEDUR PERHITUNGAN ............................................................................ 13
LAMPIRAN C DATA SPESIFIKASI DAN LITERATUR .......................................................... 17
I.
Data Literatur ...................................................................................................................... 17
II. Spesifkasi Alat HXG ........................................................................................................... 17
HXG – 2016/PW
3
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FTI - ITB
MODUL PENUKAR PANAS GAS-GAS
(HXG)
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1 Rangkaian Alat Percobaan Penukar Panas Gas-Gas ....................................................... 8
Gambar 2 Langkah Percobaan ......................................................................................................... 9
Gambar 3 Faktor Koreksi ΔT untuk Penukar Panas tipe Cross flow (McCabe, 1993) .................. 14
HXG – 2016/PW
4
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FTI - ITB
MODUL PENUKAR PANAS GAS-GAS
(HXG)
DAFTAR TABEL
Tabel 1 Data Kalibrasi Laju Alir .................................................................................................... 12
Tabel 2 Data Penentuan Nilai τ ...................................................................................................... 12
Tabel 3 Data Percobaan Utama ...................................................................................................... 12
Tabel 4 Spesifikasi Peralatan HXG ................................................................................................ 17
HXG – 2016/PW
5
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FTI - ITB
MODUL PENUKAR PANAS GAS-GAS
(HXG)
BAB I
PENDAHULUAN
Perpindahan panas adalah salah satu faktor yang sangat menentukan operasional suatu pabrik
kimia. Penyelesaian soal-soal perpindahan kalor secara kuantitatif umumnya didasarkan pada
neraca energi dan perkiraan laju perpindahan kalor. Perpindahan panas akan terjadi apabila
terdapat
perbedaan
temperatur
antara
dua
benda.
Panas akan berpindah dari benda
bertemperatur tinggi ke benda bertemperatur lebih rendah. Panas dapat berpindah dengan 3 cara
yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Pada peristiwa konduksi, panas berpindah tanpa diikuti
aliran medium perpindahan panas. Panas berpindah secara estafet dari satu partikel ke partikel
yang lainnya dalam medium tersebut. Peristiwa konveksi terjadi ketika perpindahan panas
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. Umumnya, fluida operasi yang digunakan adalah air.
Pada praktikum ini, fluida yang digunakan adalah udara. Fluida udara dimanfaatkan sebagai
fluida operasi sebagai upaya untuk mengoptimalkan kalor yang terbawa oleh flue gas dari operasi
suatu pabrik. Praktikum ini juga merupakan salah satu usaha pengkajian lebih dalam mengenai
flue gas. Hasil praktikum diharapkan berbentuk korelasi antara bilangan Reynolds dengan
bilangan Nusselt.
HXG – 2016/PW
6
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FTI - ITB
MODUL PENUKAR PANAS GAS-GAS
(HXG)
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.
II.
Praktikan mampu memilih konfigurasi sistem perpindahan panas yang paling baik
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 Nusselt.
HXG – 2016/PW
7
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FTI - ITB
MODUL PENUKAR PANAS GAS-GAS
(HXG)
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 – 2016/PW
8
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FTI - ITB
MODUL PENUKAR PANAS GAS-GAS
(HXG)
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
HXG – 2016/PW
Selesai
Gambar 2 Langkah Percobaan
9
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FTI - ITB
II.
MODUL PENUKAR PANAS GAS-GAS
(HXG)
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 – 2016/PW
10
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FTI - ITB
MODUL PENUKAR PANAS GAS-GAS
(HXG)
DAFTAR PUSTAKA
Mc Cabe, W.L., Unit Operation of Chemical Engineering, 5
Co., Singapore, 1993, pp. 309-369.
rd
Edition, McGraw-Hill Book
Brown, G.G., Unit Operatons, Charles E. Tutle Co., Tokyo, 1960, pp. 415-447.
Perry, R., Green, D.W., and Maloney, J.O., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 6th
Edition, McGraw-Hill, Japan, 1984, Section 11 pp. 11-1 to 11-31
HXG – 2016/PW
11
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FTI - ITB
MODUL PENUKAR PANAS GAS-GAS
(HXG)
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 – 2016/PW
Th,I (oC) Th,o (oC) Tc,i (oC) Tc,o (oC) Twh,i (oC) Twh,o (oC) Twc,i (oC) Twc,o (oC)
12
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FTI - ITB
MODUL PENUKAR PANAS GAS-GAS
(HXG)
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 qloss 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.
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.
HXG – 2016/PW
13
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FTI - ITB
MODUL PENUKAR PANAS GAS-GAS
(HXG)
∆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.
x
: tebal dinding pelat,
k
: konduktivitas termal bahan,
hh
: koefisien perpindahan panas konveksi untuk fluida panas
hc
: koefisien perpindahan panas konveksi untuk fluida dingin
HXG – 2016/PW
14
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FTI - ITB
MODUL PENUKAR PANAS GAS-GAS
(HXG)
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.
h
: koefisien perpindahan panas konveksi
D : diameter ekivalen pelat
k
: konduktivitas termal fluida
HXG – 2016/PW
15
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FTI - ITB
MODUL PENUKAR PANAS GAS-GAS
(HXG)
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 – 2016/PW
16
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FTI - ITB
MODUL PENUKAR PANAS GAS-GAS
(HXG)
LAMPIRAN C
DATA SPESIFIKASI DAN LITERATUR
I.
Data Literatur
Data-data literatur berikut diperlukan dalam pengolahan data pada praktikum modul HXG
antara lain:
II.
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.
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 – 2016/PW
17
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FTI - ITB
MODUL PENUKAR PANAS GAS-GAS
(HXG)
Lembar Kendali Keselamatan Kerja
No
1
Bahan
Udara
(79% N2, 21%
O2 )





Sifat Bahan
Tidak berbau
 Titik leleh pada
(-216,2o C) pada
Berbentuk gas
tekanan 10 psig
Tidak berwarna
 Densitas 1,2
Tidak beracun
kg/m3 pada
Tidak berbahaya
tekanan 1 atm
Kecelakaan yang mungkin terjadi
Hubungan arus pendek akibat listrik yang
kontak dengan air
Tindakan Penanggulangan
 Tidak memerlukan
penanggulangan yang
khusus.
 Kebocoran pada udara
panas akan
membahayakan. Jika
terjadi kebocoran udara
panas segera 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
Terpeleset akibat genangan air yang
diakibatkan oleh kebocoran sambungan
selang atau pipa
Patahnya valve atau handle pemutar
Perlengkapan keselamatan kerja
Sarung tangan
Asisten
HXG – 2016/PW
Jaslab
Masker
Pembimbing
Google
Koordinator Lab TK
18