MODUL PRAKTIKUM LABORATORIUM INSTRUKSIONAL TEKNIK KIMIA PENUKAR PANAS GAS-GAS Koordinator LabTK Dr. Pramujo Widiatmoko FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2016
Kontributor: Dr. Dendy Adityawarman, Pri Januar Gusnawan, S.T., M.T., Dr. Ardiyan Harimawan, Ibrahim A. Suryawijaya, Corelya Erindah A. HXG 2016/PW 2
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
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
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
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
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 Nusselt. HXG 2016/PW 7
BAB III RANCANGAN PERCOBAAN I. Skema Alat Percobaan Udara dingin keluar Udara panas keluar HE Plate and Frame Udara panas masuk Heater 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
I. Langkah Percobaan BAB IV PROSEDUR KERJA 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 9 Gambar 2 Langkah Percobaan
II. 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 (T h,i ) 2. Temperatur keluar flue gas (T h,o ) 3. Temperatur masuk udara dingin (T c,i ) 4. Temperatur keluar udara dingin (T c,o ) 5. Temperatur dinding masuk flue gas (T wh,i ) 6. Temperatur dinding keluar flue gas (T wh,o ) 7. Temperatur dinding masuk udara dingin (T wc,i ) 8. Temperatur dinding keluar udara dingin (T wc,o ) Sedangkan variabel percobaan yang digunakan adalah laju alir flue gas dan laju alir udara dingin. HXG 2016/PW 10
DAFTAR PUSTAKA Mc Cabe, W.L., Unit Operation of Chemical Engineering, 5 rd Edition, McGraw-Hill Book Co., Singapore, 1993, pp. 309-369. 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
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 ( o C) 3. Data percobaan utama Tabel 3 Data Percobaan Utama h, dingin h, panas Th,I ( o C) Th,o ( o C) Tc,i ( o C) Tc,o ( o C) Twh,i ( o C) Twh,o ( o C) Twc,i ( o C) Twc,o ( o C) HXG 2016/PW 12
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 q loss 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 ) q operasi untuk masing-masing fluida diperoleh melalui persamaan berikut. qoperasi,hot = qhot qloss qoperasi,cold = qcold qloss B.4. Perhitungan ΔT lmtd 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
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 k h h h c : tebal dinding pelat, : konduktivitas termal bahan, : koefisien perpindahan panas konveksi untuk fluida panas : koefisien perpindahan panas konveksi untuk fluida dingin HXG 2016/PW 14
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
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 Re b 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
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 Counter-current Cross-current Keterangan Jaket (kaowol) Konduktivitas k W/m.K 0,029 0,029 cotton Luas penampang A m 2 0,1443 0,1439 Ketebalan x m 0,017 0,017 Pelat Konduktivitas k W/m.K 42 42 iron 43 43 steel, carbon 1% Luas penampang A m 2 0,0585 0,05846 Tebal pelat x m 0,005 0,005 Pipa Diameter de m 0,02804 0,02804 HXG 2016/PW 17
Lembar Kendali Keselamatan Kerja No Bahan Sifat Bahan Tindakan Penanggulangan 1 Udara (79% N 2, 21% O 2 ) Tidak memerlukan penanggulangan yang khusus. Tidak berbau Berbentuk gas Tidak berwarna Tidak beracun Tidak berbahaya Titik leleh pada (-216,2 o C) pada tekanan 10 psig Densitas 1,2 kg/m 3 pada tekanan 1 atm Kebocoran pada udara panas akan membahayakan. Jika terjadi kebocoran udara panas segera identifikasi sumber kebocoran dan tutup dengan sumbat. Hindari kontak langsung dengan tubuh 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 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 Jaslab Masker Google Asisten Pembimbing Koordinator Lab TK HXG 2016/PW 18