BAB VII _HX

7/24/2019 BAB VII _HX

1/24

Perpindahan Panas

BAB VII

PESAWAT PENUKAR KALOR

Alat yang dapat mengantarkan proses perpindahan panas diantara dua fluida

yang berbeda tingkat energinya (temperatur) yang disekat oleh dinding (padat) atau

tidak, disebut PESAWAT PENUKAR KALOR. Pemakaian spesifik alat tersebut

dapat dilihat pada: mesin pendingin ruangan (evaporator & kondensor), mesin refrigersi

(evaporator & kondensor), instalasi pembangkit daya (boiler, condensor, economizer,

deaerator, air preheater, superheater) dan lain-lain.

7.1. Tipe Pesawat Penukar Kalor

Ada beberapa tipe pesawat penukar kalor yang dikelompokkan berdasarkan

konstruksinya.

1. Tipe pipa dobel (concentric tube) kedua fluida dipisahkan oleh dinding pipa.

Tipe ini ada dua macam yaitu tipe aliran parallel (parallel flow) dan tipe aliran

berlawanan arah (counter flow).

B

Gambar 7.1:Pesawat penukar kalor tipe pipa dobel: a) Aliran parallel b). Aliran berlawanan arah

2. Tipe tipe aliran silang (cross flow), juga ada dua macam yaitu tipe kedua fluida

tidak bercampur (both fluid unmixed) dan tipe satu fluida bercampur sedang

yang satunya tidak bercampur (one fluid mixed and the other unmixed).

Gambar 7.2: Pesawat penukar kalor : a) Kedua fluida tidak bercampur b). Satu fluida bercampur yang lain

tidak bercampur

A B

D3MITS - FTI - ITS 96

7/24/2019 BAB VII _HX

2/24

Perpindahan Panas

3. Tipe tipe shell and tube, pada tipe ini satu fluida mengalir di dalam pipa-pipa

sedangkan yang lainnya mengalir pada shell dengan pola aliran menyerupai

aliran silang.

Shelloutlet

Tubeoutlet

Tubeinlet

Shellinlet Buffle

Gambar 7.3: Pesawat penukar kalor tipe Shell and Tube

Shell and tube ini ada beberapa konstruksi yaitu satu shell (case) dua laluan tube

(pipe) dan dua shell empat laluan tube.

Shellinlet

Tubeinlet

Tubeoutlet

Shelloutlet

Shellinlet

Shelloutlet

Tubeoutlet

Tubeinlet

Gambar 7.4: Pesawat penukar kalor tipe shell and tube: a). Satu shell dan dua laluan tube. b). Dua shell

dan empat laluan tube

7.2. Koefisien Perpindahan Panas Keseluruhan

Koefisien perpindahan panas keseluruhan merupakan koefisien perpindahan

panas gabungan yang meliputi seluruh koefisien yang ada mulai dari fluida dingin

sampai ke fluida panas, termasuk juga adanya faktor kerak (fouling factor) yang

mungkin terjadi sesudah pesawat digunakan.

Jika kedua fluida dipisahkan oleh dinding datar maka koefisien perpindahan panas

keseluruhan adalah:


7/24/2019 BAB VII _HX

3/24

Perpindahan Panas

oi hk

L

h

U 1)11

1

++=

hi hok

L

Jika kedua fluida dipisahkan oleh dinding silinder (pipa) maka:

ii

o

i

oo

o hr

r

r

r

k

r

h

oU11 ln

1

++= , berdasarkan luas permukaan luar pipa. 2)

oo

i

i

oi

i hr

r

r

r

k

r

h

iU11 ln

1

++= berdasarkan luas permukaan dalam pipa. 3)

Dimana ooii AUAU =

Jika memperhitungkan adanyafouling factor(kerak) persamaan menjadi:

r

ri

hh

ii

o

i

oo

o hr

rifr

r

k

rofh

oRR

U1

,,1 ln

1

++++= 4)

oo

i

i

oi

i hr

rofr

r

k

rifh

iRR

U1

,,1 ln

1

++++= 5)

Harga representasifouling factoradalah:

Tabel 7.1: Harga representasifouling factor(Incropera)

Fluid Rf(m2-K/W)

Seawater and treated boiler feedwater (below 50C) 0.0001

Seawater and treated boiler feedwater (above 50C) 0.0002

River water (below 50C) 0.0002 s/d 0.0001

Fuel oil 0.0009

Refrigerating liquids 0.0002

Steam (non oil bearing) 0.0009


7/24/2019 BAB VII _HX

4/24

Perpindahan Panas

Tabel 7.2: Harga representasi koefisien perpindahan panas keseluruhan (Incropera)

Kombinasi Fluida U( W /m2-K)

Air ke air 850 s/d 1700

Air ke minyak 110 s/d 350

Kondensor uap (air di dalam tube) 1000 s/d 6000

Kondensor amoniak (air di dalam tube) 800 s/d 1400

Kondensor alkohol (air di dalam tube) 250 s/d 700

Heat exchanger dengan sirip (air dalam tube, udara silang) 25 s/d 50

7.3. Analisis Pesawat Penukar Kalor (Lmtd)

Analisis pesawat penukar kalor didasarkan pada dua asumsi utama (disamping

beberapa asumsi tambahan) yaitu: semua kalor yang dilepaas fluida panas diterima

semuanya oleh fluida dingin dan perpindahan panas antara pesawat dengan lingkungan

diabaikan.

Kalor yang dilepas fluida panas:

) 6)( ,,,*

ohihhp TTcmq h =

Kalor yang diterima fluida dingin:

)( ,,,*

icoccpc TTcmq =

73)A: luas permukaan

perindahan panas

Th o

Gambar 7.5: Balans energi pada pesawat penukar kalor

Persamaan lain yang diperlukan untuk analisis adalah:

, dimana:mTUAq = chm TTT = 7)

mT : beda temperatur rata-rata antara fluida panas dan fluida dingin.

7.3.1. Tipe Aliran Paralel

Distribusi temperatur yang terjadi pada pesawat penukar kalor aliran parallel

adalah sebagai berikut:

Tc o

Th i

qTc i


7/24/2019 BAB VII _HX

5/24

Perpindahan Panas

A: luas permukaan

perindahan panas

Th

Tcdq

Ch

Cc

Th+dTh

Tc+dTc

dA

x21

T

TT1

T2

dTh

dTc

Tc,i

Tc,o

Th o

Th i

d

Gambar 7.6: Pesawat penukar kalor aliran paralel

Asumsi :

1. Perpindahan panas antara pesawat dengan lingkungan diabaikan

2. Konduksi arah aksial pada tube diabaikan

3.

Perubahan energi kinetik dan potensial diabaukan

4.

Kapasitas panas jenis fluida konstan

5.

Koefisien perpindahan panas keseluruhan konstan

Balans energi pada masing-masing elemen tersebut diatas:

hhhhph dTCdTcmdq = ,*

h

hC

dqdT = 8)

ccccpc dTCdTcmdq = ,*

c

cC

dqdT = 9)

, dimana:TUdAdq =

ch TTT = (beda temperatur lokal), jika dideferensiasi:

+==

ch

chCC

dqTdTdTd11

)( , substitusi dan

diintegralkan menjadi:

TUdAdq =

+=

2

1

2

1

11)(dA

CCU

T

Td

ch

, menjadi :

+=

ch CCUA

T

T 11ln1

2 10)


7/24/2019 BAB VII _HX

6/24

Perpindahan Panas

Substitusi Chdan Cc:

[ ])()(ln ,,,,,,,,

1

2ocohicih

icocohihTTTT

q

UA

q

TT

q

TTUA

T

T=

+

=

1

2

12

lnT

TTTUAq

= atau lmTUAq = 11)

Dimana:

1

2

12

lnT

T

TTTlm

= , disebut log mean temperature difference 12)

PERHATIAN: Untuk aliran paralel:

icih TTT ,,1 = 13)

ocoh TTT ,,2 = 14)

7.3.2. Tipe Aliran berlawanan arah

Dalam hal ini semua persamaaan sama dengan aliran parallel kecuali pada 1T

dan yang berbeda. Perbedaan ini disebabkan arah aliran yang berlawanan.2T

A: luas permukaanperindahan panas

Th

Tcdq

C

CcTh+dTh

Tc+dTc

dA

x21

T

T

T1

T2

dTh

dTc

Tc,o

Tc,i

Th o

Th i

dq

Gambar 7.7: Pesawat penukar kalor aliran berlawanan

PERHATIAN: Untuk aliran berlawanan arah (berlawanan):

ocih TTT ,,1 = 15)

icoh TTT ,,2 = 16)


7/24/2019 BAB VII _HX

7/24

Perpindahan Panas

7.3.3. Tipe Aliran Multipass dan Aliran Silang

Meskipun pesawat penukar kalor untuk tipe multipass dan aliran silang sangat

kompleks tetapi persamaan-persaman tersebut diatas dapat digunakan untuk analisis

dengan hasil yang memuaskan. Satu-satunya yang harus dimodifikasi adalah log mean

temperature difference (LMTD), yaitu dalam bentuk:

xFTT CFlmlm ,= 17)

CFlmT , adalah log mean temperature difference untuk aliran berlawanan arah dan F

adalah faktor koreksiyang dapat dilihat pada gambar berikut:

oi tTT = 1

io tTT = 2

Gambar 7.8 Faktor Koreksi LMTD Untuk Shell And Tube Dengan Satu Shell Dan Kelipatan 2 Laluan

Tube

oi tTT = 1

io tTT = 2


7/24/2019 BAB VII _HX

8/24

Perpindahan Panas

Gambar 7.9 Faktor Koreksi LMTD Untuk Shell And Tube Dengan Dua Shell Dan Kelipatan 2 Laluan

Tube

oi tTT = 1

io tTT = 2

Gambar 7.10 Faktor Koreksi LMTD Untuk HX Aliran Silang Dengan Kedua Fluida Tidak Bercampur

oi tTT = 1

io tTT = 2

Gambar 7.11 Faktor Koreksi LMTD Untuk HX Aliran Silang Dengan Satu Fluida Bercampur , yang Lain

Tidak Bercampur


7/24/2019 BAB VII _HX

9/24

Perpindahan Panas

Contoh 1:

Pesawat penukar kalor tipe pipa konsentris dengan aliran berlawanan arah digunakan

untuk mendinginkan minyak pelumas turbine gas. Laju massa air pendingin melalui

pipa bagian dalam (D = 25 mm) = 0,2 kg/sc. Laju massa minyak melalui pipa

bagian luar (D = 45 mm) . Minyak pelumas masuk bertemperatur T

*

cm

sckgmh /1,0* = h,i=

100 C dan air masuk bertemperatur Tc,i = 30 C. Berapa panjang total pipa pesawat

tersebut agar temperatur minyak pelumas keluar menjadi Th,o= 60 C

Jawaban:

Skema:

Asumsi: x21

T

Tc,oTc,i

Th,o

Th,i

Air

Oilx

1. Perpindahan panas ke lingkungan diabaikan

2. Perubahan energi kinetic dan potensial diabaikan

3.

Sifat-sifat konstan

4. Hambatan perpindahan panas pada dinding pipa (tipis) diabaikan

5. U konstan (tidak bergantung pada x)

Data:

Tabel A5: engine oil (Th,m= (100+60)/2=80C=353K): cp= 2131 J/kg-K, = 3,25x10-2

N-sc/m2, k = 0,138 W/m-K.

Tabel A6: air : cCT mc 35, p= 4178 J/kg-K, = 725x10-6

N-sc/m2, k = 0,625 W/m-K.

, Pr = 4,85

Analisis:

Kalor yang dilepas oleh minyak pelumas adalah:

WCxTTcmqKkg

Js

kg

ohihhph 8524)60100(21311,0)( ,,,* ===

Kalor yang diserap air :

, atau)( ,,,*

ociccpc TTcmq = iccpc

oc Tcm

q,

,*, +=T

CCkgKJscxkg

WT oc 2,4030

/4178/2,0

8524, =+= , asumsi Tc,o= 35 C memadai.


7/24/2019 BAB VII _HX

10/24

Perpindahan Panas

Panjang pipa pesawat dihitung melalui :

lmTUAq =

LDA i=

2,43)30/8,59ln(

308,59

ln1

2

12 ==

=

T

TTTTlm

oi hh

U11

1

+=

Air mengalir di dalam pipa : 050.14/10725025,0

/2,044Re

26

*

===

mNscxmxx

sckgx

D

m

i

C

Karena aliran turbulen maka korelasi konveksi mengunakan persamaan

nDDNu PrRe023,0

54

= , dimana n = 0,4 untuk heating jadi:

90)85,4()14050(023,0PrRe023,0 4,0544,054

===DD

Nu , sehingga:

KmWm

mKWx

D

kNuh

iDi

2/2250025,0

/625,090===

Untuk aliran minyak pelumas pada saluran annulus, diameter hidrolik Dh = Do - Di

=0,02m, maka:

0,56/1025,3)025,0045,0(

/1,04

)(

4Re

22

*

=+

=+

=

mNscxmxx

sckgx

DD

m

io

h

Aliran tersebut laminar, dengan asumsi temperatur permukaan pipa bagian dalam

seragam dan pipa bagian luar diisolasi, maka koefisien konveksi diperoleh dari tabel

dengan didapat Nu56,0/ =oi DD o= 5,56.

KmWm

mKW

D

kNuho

oo2/4,38

020,0

/138,056,5 ===

Koefisien perpindahan panas keseluruhan:

KmW

KmWKmW

U

oi hh

2

22

11/8,37

/4,38

1

/2250

1

11=

+=

+=

mCxmxKxmW

W

TDU

qL

lmi

5,662,43025,0/8,37

8524

2 ==

=


7/24/2019 BAB VII _HX

11/24

Perpindahan Panas

Contoh :

Pesawat penukar kalor tipe shell and tube (1 shell) digunakan untuk memanaskan air

dari 15C menjadi 85C. Panas diambil dari minyak pelumas mesin bertemperatur 160C.

Minyak pelumas dialirkan pada bagian shell dan air pada bagian tube. koefisien

konveksi rata-rata pada sisi minyak adalah ho = 400 W/m2-K. Jumlah pipa air yang

dipasang 10 pipa, tipis berdiameter D = 25 mm dibelokkan menjadi 8 pass (laluan).

Laju massa air 2,5 kg/s. Temperatur minyak keluar 100 C. 1) Hitung laju massa

minyak. 2). Panjang pipa per laluan untuk memenuhi tujuan pemanasan tersebut.

Jawaban:

x21

T

Tc,oTc,i

Th,o

Th,iSkema:

N = 10 tube

*cm

Air

Oil

*hm

ho=400 W/m2-K

Jumlah pass = 10 pass

Asumsi:

1.

Perpindahan panas ke lingkungan diabaikan

2. Perubahan energi kinetic dan potensial diabaikan

3. Sifat-sifat konstan

4.

Hambatan perpindahan panas pada dinding pipa (tipis) diabaikan

5.

U konstan (tidak bergantung pada x)

Data:

Tabel A5: engine oil (Th,m= (160+100)/2=130C): cp= 2350 J/kg-K

Tabel A6: air : cCT mc 50, p= 4181 J/kg-K, = 546x10-6N-sc/m2, k = 0,643 W/m-K.

, Pr = 3,56

Analisis:

Dari balans energi, kalor yang dilepas oil = kalor yang diterima air

WxCkgKxJscxkgTTcmq ociccpc5

,,,* 10317,7)1585(/4181/5,2)( ===

1). Laju massa oil:

sckgCkgKxJ

xTTc

qm

ohihhp

h /19,5)100160(/2350

10317,7)(

5

,,,

* ===


7/24/2019 BAB VII _HX

12/24

Perpindahan Panas

2). Panjang tube (pipa):

CFlmTUAFq ,=

oi hh

U11

1

+

=

Air mengalir di dalam pipa : 234.23/1048025,0

/25,044Re

26

*

===

mNscxmxx

sckgx

D

mC

Karena aliran turbulen maka korelasi konveksi mengunakan persamaan

nDDNu PrRe023,0

54

= , dimana n = 0,4 untuk heating jadi:

119)56,3()234.23(023,0PrRe023,0 4,0544,054

===D

DNu , sehingga:

KmWm

mKWx

D

kNuh

iDi

2/3061025,0

/643,0119===

Koefisien perpindahan panas keseluruhan:

KmW

KmWKmW

U

oi hh

2

22

11/354

/3061

1

/400

1

11=

+=

+=

9,79)85/75ln(

8575

ln1

2

12

, =

=

=

T

T

TTT

CFlm

Faktor koreksi untuk F:

86,01585

100160=

=R , 48,015160

1585=

=P , maka F=0,87

DLNA = , N = 10 tube

m

CxxmxxxKmW

Wx

TDFUN

qL

CFlm

9,37

9,7987,0025,010./354

10317,7

2

5

,

==

=

Panjang tersebut dibagi menjadi 8 pass, jadi panjang tiap pass adalah = m7,489,37 =


7/24/2019 BAB VII _HX

13/24

Perpindahan Panas

Soal:

Dalam suatu PLTU untuk mendinginkan/mengkondensasikan uap setelah diekspansi

pada turbin digunakan sebuah kondensor bertipe shell and tube dengan satu shell dan

dua laluan, dimana setiap laluan terdiri dari 30500 buah tube/pipa. Pipa dari bahan

tembaga tipis berdiameter 25 mm. Uap terkondensasi dibagian luar tube/pipa tersebut.

Koefisien konveksi pada sisi uap tersebut adalah 11000 W/m2. Sebagai media pendingin

digunakan air yang dialirkan kedalam pipa-pipa dengan laju massa 3 x 104 kg/s.

Temperatur air masuk kondensor 200C dan uap terkondensasi pada temperatur 500C.

Kondensor tersebut harus dapat menangani transfer kalor sebesar 2 x 109 Watt.

Dapatkan berapa temperatur air keluar dari kondensor dan berapa panjang pipa per

laluan?


7/24/2019 BAB VII _HX

14/24

Perpindahan Panas

7.4. The Effectivenes - NTU Method

Untuk mendefinisikan efektivitas pesawat penukar kalor terlebih dahulu harus

ditentutkan kemungkinan maksimum perpindahan panas (qmax):

Kalor yang dipindahkan:

)( TmCq = 18)

Heat capasity:

pccc CmC*=

phhh CmC*=

Definisi qmax: minC

19)

20)

21)

Dimana : HX effectiveness da at din atakan seba ai berikut:

22)


7/24/2019 BAB VII _HX

15/24

Perpindahan Panas

Dari pembahasan LMTD didapat pers.:

Maka:

Substitusi nilai Tco dari pers.:

cihohico TTTCC

T += )(max

min

23)


7/24/2019 BAB VII _HX

16/24

Perpindahan Panas


max

min

C

CCr=

7/24/2019 BAB VII _HX

17/24

Perpindahan Panas


7/24/2019 BAB VII _HX

18/24

Perpindahan Panas


7/24/2019 BAB VII _HX

19/24

Perpindahan Panas

Skema:

Asumsi:1. Sifat-sifat konstan

2. Abaikan kehilangan kalor kesekeliling

Kapasitas panas minimum:

Energi balans memberikan:

Laju perpindahan panas sebenarnya:

Efektivitas HX:


7/24/2019 BAB VII _HX

20/24

Perpindahan Panas

Soal:

1. Dalam suatu PLTU untuk mendinginkan/mengkondensasikan uap setelah

diekspansi pada turbin digunakan sebuah kondensor bertipe shell and tube

dengan satu shell dan dua laluan, dimana setiap laluan terdiri dari 30500

buah tube/pipa. Pipa dari bahan tembaga tipis berdiameter 25 mm. Uap

terkondensasi dibagian luar tube/pipa tersebut. Koefisien konveksi padasisi uap tersebut adalah 11000 W/m

2. Sebagai media pendingin digunakan

air yang dialirkan kedalam pipa-pipa dengan laju massa 3 x 104 kg/s.

Temperatur air masuk kondensor 200C dan uap terkondensasi pada

temperatur 500C. Kondensor tersebut harus dapat menangani transfer

kalor sebesar 2 x 109 Watt. Dapatkan berapa temperatur air keluar dari

kondensor dan berapa panjang pipa per laluan? (hitung menggunakan

metoda NTU).

2.


7/24/2019 BAB VII _HX

21/24

Perpindahan Panas

DAFTAR PUSTAKA

1. Theodore L Bergman, Adrienne S Lavine, Frank P Incropera, David P Dewitt:

Fundamental of Heat and Mass Transfer, 7nd edition, copyright John Wiley &

Sons Inc. U S A, 2011.

2. Theodore L Bergman, Adrienne S Lavine, Frank P Incropera, David P Dewitt:

Introduction to Heat Transfer, 6th edition, copyright John Wiley & Sons Inc.

USA, 2011.


7/24/2019 BAB VII _HX

22/24

Perpindahan Panas

TABEL

Catatan: semua tabel dan gambar bersumber dari kedua literatur tersebut dalam daftar

pustaka


7/24/2019 BAB VII _HX

23/24

Perpindahan Panas

Lampiran:

Boiler:

Evaporator:

Condenser:


7/24/2019 BAB VII _HX

24/24

Perpindahan Panas

Superheater:

Economizer

Air preheater

Documents

BAB VII _HX