Heat exchangerALAT PENUKAR KALOR

Sri Lestari 081 575 121 994

Reference : KERN DQ. - Process Heat transfer. - mac adams.

1.1. Definisi adalah alat yang mendasarkan pada

teori perpindahan energi panas antara dua atau lebih fluida pada temperatur yang berbeda.

Penggunaan H.E. - pada pembangkit tenaga ( power generation),

- waste heat recovery, - manufacturing industry ,

- air conditioning refrigeration. dll.

1. Introduction

1.2.Teori dasar perpindahan panas. Bila dalam suatu sistem terdapat Gradien

(penurunan) suhu atau bila dua sistem yang suhunya berbeda disinggungkan maka akan terjadi perpindahan energi panas dari benda yang energinya lebih tinggi ke benda yang energinya rendah.

1.3.Sistem satu satuan kerja yang dibatasi oleh suatu

pembatas terhadap lingkungannya. Pembatasnya bisa riil ( nyata) atau imajiner.

(maya)

1. Introduction

3 ( tiga) macam sistem

• Sistem terbuka : massa dan energi dapat berpindah .• Contoh : aliran fluida panas dari titik A ke titik B • Sistem tertutup : massa tidak dapat berpindah

• air panas dalam gelas, gelas di bagian • luar menjadi panas.

• Sistem terisolasi : massa atau energi tak dapat berpindah.

• steam dalam pipa terisolasi

1.Introduction

• Gambar 1.1 sistem

• Pandang gb 1.1• Sistem : es• lingkungan air• Pembatas : imajiner

• Es

air

• Pandang gb 1.1• Sistem : es dan air di dalam

wadah • lingkungan : udara • Pembatas : wadah , riil

Sistem : air dan es

1. Introduction

1.4.1.Dari hukum thermodinamika 1 Bila ada benda ( fluida ) panas dengan massa Mh,

kapasitas panas Cph dengan temperatur Th, disinggungkan pada benda ( fluida) dingin dengan massa Mc,kapasitas panas Cpc dan temperatur Tc , maka panas akan mengalir sampai keadaan setimbang, artinya bahwa panas tidak mengalir lagi.

Jika sistem terbuka maka Th2= Tc2 . Jika sistem tertutup maka Th2≠ Tc2 Th1> Th2

Tc2> Tc1

1.4. Hukum dasar perpindahan Panas

1.4.2.Neraca panas Panas yang dilepas fluida panas = panas

yang diterima oleh fluida dingin, dengan anggapan bahwa tak ada panas hilang ke sekeliling ( azas black)

Panas yang dilepas oleh fluida panas =◦ Qh = Mh. Cp .( Th1 –Th2)

Panas yang diterima olah fluida dingin = Qc = Mc.Cc(Tc2 –Tc1) Qh= Qc Mh. Cp .( Th1 –Th2) = Mc.Cc(Tc2 –Tc1)

1.4. Hukum dasar perpindahan Panas

Mh,Mc = massa fluida panas, massa fluida dingin , kg , lb. Th,Tc = temperatur fluida panas . Fluida dingin, oC; OF Ch,Cc = kapasitas panas fluida panas, fluida

dingin, kkal/ kg oC , Btu/ lb oF

3.1. Conduction ( konduksi ) perpindahan panas dari daerah yang

bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah (penerima panas) didalam suatu medium tetap (stasioner), melalui benda padat, cair dan gas atau antara medium yang berlainan.

3. Mekanisme perpindahan panas

Konduksi P.P.terjadi karena hubungan molekul secara langsung tanpa adanya perpindahan molekul yang cukup berarti.

panas dapat mengalir didalam medium yang tidak tembus cahaya.

dapat terjadi di dalam fluida tetapi biasanya disertai dengan perpindahan panas yang lain yi konveksi dan radiasi.

Contoh : batang besi yang dipanasi pada salah satu ujungnya maka ujung yang lain pada waktu kemudian menjadi panas.

3 Mekanisme perpindahan panas

3.2.Convecsion ( konveksi) perpindahan energi dari suatu permukaan yang

bersuhu tinggi ke permukaan bersuhu lebih rendah melalui fluida yang molekulnya bergerak.

Tahap konveksi Mula2 panas mengalir dg cara konduksi dari

permukaan partikel yang bersinggungan kemudian partikel fluida mengalami kenaikan suhu

partikel fluida yang suhunya sudah naik akan bergerak ke daerah yang bersuhu lebih rendah

selanjutnya fluida ini memindahkan sebagian panasnya pada fluida yang bersuhu lebih rendah . Begitu seterusnya.

Heat exchanger Mekanisme perpindahan panas

3.3. Radiasi Radiasi adalah proses perpindahan panas

dari benda yang bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah melalui ruang hampa.

Semua benda memancarkan panas induksi secara terus menerus .

Intensitas pancaran bergantung pada temperatur dan sifat permukaannya.

Energi radiasi bergerak dengan kecepatan cahaya 3 x 108 m/s dan gejalanya menyerupai radiasi.

Panas radiasi dipancarkan oleh benda dengan jumlah yang tertentu.

Gerakan radiasi di dalam ruang mirip dengan perambatan cahaya. Dan dapat diuraikan dengan teori gelombang.

Bila gelombang radiasi mengenai benda lain maka energi akan diserap dipermukaan benda tersebut.

4. Laju alir panas

t2

Q = energy rate , BTU/ jam

k= koefisien konduktifitas panas,

Btu/ (hr)(ft2) (OF/ft)

A = luas perpindahan permukaan panas, ft2

X = Tebal dinding , ft

= 1/R =Resistansi

( hr) ft(oF)/Btu

tX

AkQ

.

X

Ak.

t1

x

kFluida PANAS

Fluida dingin

Laju alir panas Konduksi melalui dinding datar

Ak

XR

.

4.1. Konduksi

Harga k = konduktifitas termal, ada pada tabel 2. appendix. Kern DQ.

Laju alir panas Konduksi melalui dinding datar Contoh; Suatu dinding furnace tebal 6 inch. Berukuran panjang

12 ft ,lebar 16ft dan akan dijaga suhu nya pada 1500 oF dan 300oF berturut

–turut dari dalam ke luar. Konduktifitas bahan pada 932oF=0,15Btu/(hr)(ft2)(OF/ft) Berapa panas yang hilang melalui dinding ? Jawab: A = 16 X 12 ft2.; X = 6/12 ft

hrBtuQ /200.69)3001500(5,0

192.15,0

tX

AkQ

.

Heat exchanger conduction Latihan Suatu dinding furnace tebal 8 inch. Berukuran panjang

12 ft ,lebar 6ft dan akan dijaga suhu nya pada 2000 oF dan 400oF berturut

–turut dari dalam ke luar. Material ddg dapur adalah kaolin insulatingfire brick.k? Berapa panas yang hilang melalui dinding ? Jawab: A = 6 X 12 ft2= 72.; X = 8/12 ft=0,67

tX

AkQ

.

Bagaimana bila dinding komposit? Catatan ; harga konduktivitas panas berbagai

bahan dapat dilihat pada DQ KERN LAMPIRAN

Laju alir panas Konduksi melalui dinding datar, komposite

Laju alir panas Konduksi melalui dinding datar, komposite

tX

AkQ

.

to

t1

t2

t3

Q

Qka

kbkc

L1 L2 L3

R

tQ

321

322110

R

TT

R

TT

R

TT

R

tQ

Nilai – nilai Kondutifitas berbagai bahan dapat dilihat pada Appendiks 2 . DQ Kern .

APPENDIX OF CALCULATION DATA page 796 .

TABLE2. THERMAL CONDUCTIFTIES SOME

BUILDING AND INSULATING

Soal 2.2 Suatu dinding furnace terdiri dari 3 lapis

sbb: 7 inch kaolinfirebrick, 6 in kaolin

insulating brick dan 7 in fireclay brick masing dari dalam keluar .

Berapa kecepatan panas hilang persatu satuan luas , melalui dinding dapur tersebut bila di bagian dalam dapur dijaga pada temperatur 2200oF, sedang pada bagian luar dijaga pada temperatur 200oF? .Berapa temperatur luar dinding pertma dan kedua dari dalam keluar?

Laju alir panas Konduksi melalui dinding pipa

Konduksi melalui dinding pipa

.../ln

...2tL

DiDo

kQ

Do= diameter luar pipa, ft

Di= diameter dalam pipa, ft

L= Panjang pipa.

Di

Do

L

Laju alir panas Konduksi melalui dinding pipa

tDiDo

kq

/ln

...2

q= kecepatan perpindahan panas melalui dinding pipa tiap panjang 1 ft pipa.

Laju alir panas Konduksi melalui dinding pipa berisolasi Bagaimana bila pipa

berisolasi , persatuan panjang ?

)21(1/2ln

...2tt

DD

kq

.

D1

D2

D3

k1 k2

t1

t2 t3

)32(2/3ln

...2tt

DD

kq

2

3

21

2

1

31

ln2

1ln

21

)(

DD

kDD

k

ttq

Laju alir panas Konduksi melalui dinding pipa Contoh: Suatu gelas pipa mempunyai diameter luar 6.0 in .dan

diameter dalam 5 in. Digunakan untuk mengalirkan fluida dengan temperatur 200OF,sedangkan temperatur di bag luar dijaga 175OF.Berapakah laju alir panas yang hilang tiap panjang 1 ft pipa? Harga k =0.63 Btu/(hr)(ft2)(oF/ft)

tDiDo

kq

/ln

...2

Pandang gambar di bawah ini . Pipa membawa steam dengan dilapisi

isolasi. Temperatur steam ts diatas temperatur

udara atm. Temperatur udara sekitar atmosfir ta

temperatur steam dengan temperatur ts kondensasi steam ts’ hampir sama , atau dianggap sama.

Tahanan pipa sangat kecil sehingga temperatur ts” sama dengan temperatur ts’

PANAS HILANG MELALUI PIPA

Panas hilang dari permukaan ke udara adalah gabungan dari konveksi dan radiasi.

Tetapi panas hilang secara konveksi tidak dapat dihitung secara konvensional dengan rumus :

karena tak berhingga . Secara eksperiment beda temperatur

antara pipa terluar dengan udara luar dan laju panas dihitung dengan panas konduksi melalui pipa.

Dengan data Q, A dan delta t maka kombinasi resisatansi dapat dicari dengan pers

Dan data permukaan luar per oF ).

Perhatikan gambar di bawah ini

R1 dan R2 adalah jari – jari pipa bagian dalam dan luarR2 dan R3 Jari – jari isolasi bagian dalam dan luar. Panjang ekivalen isolasi dapat dirumuskan sebagai berikut :Tebal ekivalen isolasi L =

Mekanisme perpindahan panas pada pipa 1. konveksi dari fluida ke permukaan pipa bagian

dalam dengan koefisien film hi 2.konduksi dari pipa bagian dalam ke pipa bagian

luar melalui dinding pipa, dengan koefisien konduksi pipa kp.

3.Konduksi dari dinding pipa bagian luar atau dinding bagian dalam isolasi ke bagian luar isolasi, dengan koefisien konduksi isolasi ki

4. Konveksi di permukaan isolasi ke udara sekitar dengan koefisien konveksi film ho.

Dengan mempertimbangkan tebal pipa maka koefisien perpindahan panas keseluruhan U di definisikan

hi = koefisien film perpindahan panas konveksi fluida - pipa di bagian dalam ,

ho = koefisien film konveksi udara – pipa di bagian luar.k pipa = koefisien konduksi material pipa.k isolasi = koefisien konduksi material isolasi.

Panas hilang melalui pipa berisolasi dapat dinyatakan dengan persamaan :

Q = A x U x( T pipa bagian dalam - T amb ) Atau panas hilang per unit luas

Untuk perhitungan isolasi biasanya dinyatakan per linier panjang pipa L.Panas hilang per linier panjang pipa :

ho = 7.0 Btu/h ft2 °F indoors dan 8.8 Btu/h ft2 °F outdoors

Resistane panas yang terjadi : 1. oleh kondensasi steam

2,oleh dinding pipa

3. oleh insolation

4.Radiasi dan konveksi ke udara

Gabungan dari ke empat persamaan tersebut

:

Jika resistansi steam dan tebal pipa diabaikan maka dua suku pertama hilang dan persamaan menjadi :

Menentukan kombinasi koefisien konveksi dan radiasi.

Menggunakan grafik : Fig 2.9 DQ.Kern. Dari Fig . In ho tidak dapat dihitung kecuali

dengan trial and error.

operasi Δ T (T permukaaan – T ambien) Temperatur operasi <= 200°C (392°F)

7°C (12.6°F)

Temperatur Operasi>200°C (392°F) dan <= 400°C (752°F)

10°C (18°F)

Temperatur Operasi >400°C (752°F) and <= 600°C (1112°F)

15°C (27°F)

Temperatur Operasi >600°C (1112°F) 20-25°C (36-45°F)

Perkiraan unjuk kerja isolasi yang baik

Panas hilang melalui permukaan pipa. Pipa IPS mempunyai diameter nominal 2-in.

Membawa steam pada temperatur 300oF. Di lapisi isolasi setebal ½ in rock (mineral) wool

dengan k = 0,033. temperatur udara sekitar ta=70oF.

Berapa panas hilang per linier ft? Jawab : Asumsi Temperatur permukaan luar t1=150. t1- 70 =80oF , maka dari fig 2.9 didapat ha= 2,23

Btu/(hr)(ft2)oF.

Contoh soal :

Panas hilang melalui permukaan pipa. Pipa IPS mempunyai diameter nominal 2-

in. Membawa steam pada temperatur 300oF.

Di lapisi isolasi setebal ½ in rock (mineral) wool dengan k = 0,033. temperatur udara sekitar ta=70oF.Unit restistansi= 0.00033 (hr) (ft2) (oF/ft)/Btu

Berapa panas hilang per linier ft? Jawab : Asumsi Temperatur permukaan luar

t1=125oF, ho= 2,1Btu/jam ft2 oF /ft.

D’sIps = nominal 2 inh tabel IPS -> DQ Kern app. 11 ID =OD =

Dengan mengabaikan kondensasi steam dan tebal pipa maka :

Check dengan ts dan t1. Karena

Asumsi diulang lagi:

Cek lagi antara ts dan t1

Asumsi dianggap benar untuk t1, sehingga laju panas hilang = 103,2Btu/hr.

Adalah perpindahan panas tanpa medium perantara.

Radiasi dapat berjalan pada ruangan vacuum.

Perpindahan panas radiasi

Laju alir panas Konveksi

tohoAotihiAiQ

hi= koefisien film dalam

antara fluida dalam pipa dengan dinding pipa bag. dalam ho= koefisien film luar antara fluida luar pipa dengan dinding pipa bag. luar

ti = beda temperatur fluida dengan dinding bag dalam

To= beda temeperatur dinding pipa luar dengan fluida luar.

tito

Heat exchanger Overall coefisien of heat transfer (U)

U pada dinding pipa

hok

L

hiR

11

hoDi

Do

k

Do

DoDihihoDi

Do

k

Do

AAihiU

1log

2

3.2

)/(

11log

2

3.2

)/(

11

Bila pipa sangat tipis maka

hohiR

11

Do= diameter pipa bagian dalam

Di= diamater bagaian luar

Radiasi Radiasi

Perpindahan panas radiasi oleh benda hitam dan benda kelabu :

Benda hitam ( balck body): Benda yang menyerap panas dengan

sempurna.

Perpindahan panas oleh ruang hampa . Teorinya mirip dengan gelombang cahaya.

Bilangan Boltzman : σ bilangan yang menunjukkan banyaknya

panas yang diemisikan oleh benda.

Bila benda hitam menerima panas maka akan mengemisikan panas sebesar

Q --- = σ T4

A

Benda kelabu : grey body. bila benda kelabu menerima panas maka

sebagian panas akan direflesikan kembali . Perbandingan emisi benda kealbu terhadap

benda hitam di sebaut sebagai emisifitas benda yang disimbulkan sebagai Ɛ, yang mempunyai nilai 0,1 sampai 0,99

Tabel emisifitas benda kelabu dari DQ Kern .Tabel 4.1. hal 70

Heat exchanger Temperature difference

t1

T1

T2

t2 t1

T2

t1

T1

Aliran counter current

Aliran co current

A

B

Heat exchanger Temperature difference Arithmatic Mean Temperature Different ( AMTD ) Logarithmic Mean Temperature Different ( LMTD ) True Temperature Different. Untuk pp H.E shell and tube biasa digunakan

LMTD

Heat exchanger Log mean temperature difference Definisi : Bila dianggap bahwa suatu penukar panas

mempunyai dua sisi (sisi "A" dan "B") pada sisi tersebut aliran panas dan dingin keluar atau masuk.

LMTD didefinisikan sebagai logarithmic mean adalah sebagai betrikut :

Jika ΔTA adalah beda temperatur di sisi A, dan ΔTB disisi B.

Persamaan ini untuk aliran counter- current maupun co current.

)/()(1

)()(

1221

1221

tTtTn

tTtTLMTDt

)/()(1

)()(

2211

2211

tTtTn

tTtTLMTDt

Untuk alran counter current

Untuk alran co current

Heat exchanger Number of Transfer Units (NTU)

Number of Transfer Units (NTU) Digunakan untuk menghitung kecepatan

transfer panas ( terutama untuk counter current) bila informasi ( data) tidak cukup untuk menghitung LMTD.

Heat exchanger Effectiveness Definisi Effectiveness (E) Perbandingan panas aktual yang dapat diserap terhadap panas

maksimum yang secara theori dapat diserap.

Panas maksimum yang dapat diserap pada panjang tertentu untuk aliran counter current dapat dihitung dengan laju kapasitas panas yi :

Laju massa kali kapasitas panas untuk fluida panas atau dingin. Ch dan Cc

Beda panas antara inlet temperatur aliran panas dan aliran dingiin

Menentukan laju kapasitas panas yang kecil Untuk mendapatkan kemungkinan panas maksimum dapat

diserap dintara fluida kerja.

hhh cmC

cccmCc

cc = kapasitas panas jenis fluida dinginch = kapasitas panas jenis fluida panasm = masaa fluida

Untuk geometris tertentu, maka dapat menggunakan persamaan rasio kapasitas panas.

Kita dapatkan persamaan untuk effectiveness parallel flow heat exchanger sbb:

Catatan

Khusus untuk heat exchanger condensation or vaporisation maka pada kasus ini tidak bergantung pada jenis aliran.

effectiveness diturunkan sbb:

Shell and tube heat exchanger shell and tube heat exchanger tipe heat exchanger yang banyak

digunakan di oil refineri.

Cocok untuk operasi tekanan tinggi.

terdiri dari shell dan beberapa tube di dalamnya yang diikat.

Satu Fluida mengalir di bagaian dalam tube , sedangkan fluida yang lain di dalam shell.

Double pipe HE

Jenis shell and tube H.E

Frame and plate H.E

Faktor LMTD Shell and tube HE: 1 shell pass dan 1tube pass = double pipe

H.E Untuk 1sheel pass dan 2 atau lebih tube

pass LMTD dikalikan faktor Ft. Ft di cari dari grafik

12

21

tt

TTR

12

21

tt

TTR

Fouling factor Bila H.E sudah dipakai lama, maka akan ada

scale .Jika Ud > UD Scale menambah besarnya hambatan. Bila UC = overall ketika h.e bersih UD = overall ketika h.e desain Ud = overall ketika h.e kotor(dirt) Rd tahanan karena scale maka

DC

DCd UU

UUR

Improving H.E.Performance 1) Pastikan bahwa H.E. Beroperasi pada

kondisi desain. Perubahan arus pada konstruksi dan piping akan mempengaruhi.

2) Estimasikan berapa pressure drop yang diijinkan. coefficient untuk single phase heat transfers, kecepatan alir fluida akan menaikan heat transfer coefficients dan

pressure drop.

3) Estimate kan fouling factors tidak lebih

besar dari yang diijinkan. 4.oversized exchangers dengan low

velocities. low velocities menyebabkan fouling problem.

5. mengurangi scale dan cleaning secara periodik akan meningkatkan unjuk kerja (performance ) heat exchanger.

4) Pertimbangan memakai basic shell-and-tube exchanger dengan enhancement atau intensification seperti finning, tube

inserts, modified tubes, atau modified baffles.

For the first three steps, engineers can use operating data and commercial software with shell-and-tube

exchanger rating packages to perform the calculations and predict the resulting changes.

For the fourth criteria, engineers can use software programs

for the base calculation but must obtain additional information to account