BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Penukar panas jenis ini terdiri dari satu bundel pipa (tube) yang dipasang paralel dan

ditempatkan dalam sebuah cangkang yang dinamakan cangkang (shell). Untuk meningkatkan

efisiensi dari penukar panas ini dipasang sekat (buffle). Pemasangan sekat bertujuan membuat

aliran didalam cangkang bergolak (turbulen) yang berakibat juga bertambahnya waktu tinggal

(residence time). Namun sisi lain dari kerugian pemasangan sekat ini adalah naiknya beban kerja

karena bertambahnya beban pompa. Bahan penukar panas ini dipilih berdasarkan fluida yang

digunakan, biasanya terbuat dari logam dan paduannya. Selain itu kondisi operasi dengan

tekanan tinggi, sifat fluida yang korosif dan juga suhu dalam alat yang tidak seragam juga

menjadi pertimbangan pemilihan bahan penukar panas ini.

Penukar panas jenis Shell and Tube ini merupakan penukar panas paling umum dan

sangat luas digunakan di industri proses. Bentuk dan rancangan sangat beragam dapat dijumpai

untuk penukar pana jenis ini. Demikian pula pemakaiannya dapat berupa penukar panas biasa,

kondensor, reboiler, evaporator, boiler dan lainnya.

1.2 Tujuan

a. Memahami cara kerja peralatan shell and tube

b. Menghitung koefisien pindah panas keseluruhan (U) dengan cara neraca energi dan

menggunakan persamaan empiris.

c. Mengetahui pengaruh laju alir fluida terhadap koefisien pindah panas keseluruhan (U)

d. Menghitung efisiensi pindah panas dari kalor yang dilepas dan kalor yang diterima fuida.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Alat penukar panas atau Heat Exchanger (HE) adalah alat yang digunakan untuk

memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa dan bisa berfungsi

sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium pemanas dipakai adalah air yang

dipanaskan sebagai fluida panas dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water). Penukar

panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara

efisien. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida terdapat dinding yang

memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung (direct contact). Penukar panas sangat

luas dipakai dalam industri seperti kilang minyak, pabrik kimia maupun petrokimia, industri gas

alam, refrigerasi, pembangkit listrik. Salah satu contoh sederhana dari alat penukar panas adalah

radiator mobil di mana cairan pendingin memindahkan panas mesin ke udara sekitar.

2.1 Shell and Tube Heat Exchanger

Shell and tube heat exchanger merupakan jenis alat penukar panas yang banyak digunakan

pada suatu proses seperti petroleum, industri kimia, dan industri HVAC. Shell and tube heat

exchanger mengandung beberapa utube sejajar di dalam shell. Shell and tube heat exchanger

digunakan saat suatu proses membutuhkan fluida untuk dipanaskan atau didinginkan dalam

jumlah besar. Berdasarkan desainnya, shell and tube heat exchanger menawarkan area

penukaran panas yang besar dan menyediakan efisiensi perpindahan panas yang tinggi. Untuk

membuat perpindahan panas yang lebih baik dan untuk menyangga tube yang ada di dalam shell,

maka sering dipasang baffle. Efektifitas perpindahan panas meningkat dengan dipasangnya

baffle. Efektifitas meningkat seiring dangan mengecilnya jarak antar baffle hingga suatu jarak

tertentu kemudian menurun. Shell and tube heat exchanger merupakan bejana tekanan dengan

banyak tube didalamnya. Pada suatu proses, fluida mengalir melalui tube pada exchanger saat

fluida lainnya mengalir keluar tube yang berada di antara shell. Fluida pada sisi tube dan pada

sisi shell terpisah oleh tube sheet.

2.2 Prinsip Kerja Shell and Tube Heat exchanger

Penukar panas jenis ini terdiri dari satu bundel pipa (tube) yang dipasang paralel dan

ditempatkan dalam sebuah cangkang yang dinamakan cangkang (shell). Untuk meningkatkan

efisiensi dari penukar panas ini dipasang sekat (buffle). Pemasangan sekat bertujuan membuat

aliran didalam cangkang bergolak (turbulen) yang berakibat juga bertambahnya waktu tinggal

(residence time). Namun sisi lain dari kerugian pemasangan sekat ini adalah naiknya beban kerja

karena bertambahnya beban pompa. Bahan penukar panas ini dipilih berdasarkan fluida yang

digunakan, biasanya terbuat dari logam dan paduannya. Selain itu kondisi operasi dengan

tekanan tinggi, sifat fluida yang korosif dan juga suhu dalam alat yang tidak seragam juga

menjadi pertimbangan pemilihan bahan penukar panas ini.

Penukar panas jenis Shell and Tube ini merupakan penukar panas paling umum dan sangat

luas digunakan di industri proses. Bentuk dan rancangan sangat beragam dapat dijumpai untuk

penukar pana jenis ini. Demikian pula pemakaiannya dapat berupa penukar panas biasa,

kondensor, reboiler, evaporator, boiler dan lainnya.

Jenis penukar panas shell and tube yang digunakan adalah 1 shell pass dan 2 tube pass (1-2

Exchanger) seperti gambar 1 dibawah ini.

Alat yang digunakan dalam praktikum mempunyai ukuran :

Panjang pipa dan shell 1200 mm

Diameter shell 375 mm

Diameter pipa luar 32 mm

Diameter pipa dalam 27,8 mm

Jumlah sekat 13

Susunan pipa dalam shell dapat berbentuk in-line (a) dan staggered (b)

Gambar 2. Susunan pipa

Sedangkan susunan pipa yang ada didalam alat yang digunakan adalah in-line (a) dan ratio antara

Sn/D = Sp/D = 1,25

Gambar profil temperatur dari penukar panas ini adalah :

Gambar 3. Profil temperature dari penukar panas

Menghitung Koefisien Pindah Panas Keseluruhan (U)

a. Menggunakan Neraca Energi

Q=U . A .△ T m

U = QA .△T m

△Tm = FT . △Tlm

Harga Q dapat dihitung dari :

Q = (M.Cp.△T)1 .. Kalor yang diberikan fluida panas

= (M.Cp.△T)2 .. Kalor yang diterima fluida dingin

Efisiensi kalor yang dipertukarkan :

η=( M .Cp .△T )2( M .Cp .△T )1

x100 %

Q = Laju Alir Kalor (Watt)

A = Luas Permukaan (m2)

U = Koefisien Pindah panas Keseluruhan (W/m2.K)△Tlm = Perbedaan Suhu logaritmik (K)

△T lm=△ T 1−△T 2

ln△T1

△T2

Untuk Aliran Counter-current△T1 = Thi – Tco△T2 = Tho – Tci

Untuk Aliran Co-current△T1 = Tho – Tco△T2 = Thi – Tci

Harga FT dapat diperoleh dari kurva dibawah :

Gambar 4. Kurva Ft

b. Menghitung (U) Menggunakan Persamaan Empiris

Untuk pipa sepanjang L

U= 11

hi . Ai+ △ X

K . Ar+ 1

hoAo

U = 1

1hi .2 π .ri . L

+ln ( ro

ri)

K .2 π .L+ 1

ho.2 π .ro . L

( hi,ho) = Koefisien pindah panas konveksi insde dan outside (W/m2.K) ;( K) =

Koefisien Konduksi (W/m.K); (ri,ro) diameter (m) inside dan outside pipa yang kecil

dan L panjang pipa yang diameternya kecil (m).

Harga (ri,ro) dan L dapat diukur dari alat, harga K bahan SS-204 dapat diperoleh dari

buku referensi dan hi dan ho dihitung dari persamaan empiris.

Persamaan untuk menghitung hi

Untuk aliran laminer Nre < 2100

N NU=hi .D

K=1,86 [N ℜ . NPr . D

L]1 /3

[ μbμw

]0,14

Untuk aliran turbulen Nre> 6000 dan L/D > 60

N NU=hi .D

K=0,027 [N ℜ]0,8[NPr ]

13 [ μb

μw]0,14

Koreksi harga hi apabila L/D < 60 ;

2<(L/D)<20

hi 'hi

=1+[ DL

]0,7

20<(L/D)<60

hi 'hi

=1+6[ DL

]

Untuk Aliran transisi

Gambar 6. Grafik L/D

Persamaan Untuk Menghitung ho

N Nu=C .¿

Harga m dan C dapat diperoleh dari tabel dibawah:

Gambar 7. Tabel m dan C

Darga D untuk menghitung Nre diperoleh dengan pendekatan :

D=√ 4. Aeπ

Ae Adalah luas efektif yang dilewati fluida diantara pipa dalam anulus, yaitu luas

permukaan penempang shell dikurangi jumlah luas penampang semua pipa.

BAB III

METODELOGI

3.1 Alat dan Bahan

1. Seperangkat alat shell and tube yang terdiri atas sistem perpipaan air dan steam,

termometer, rotameter dan heat exchanger

2. Sumber Steam

3. Fluida (air)

3.2 Langkah Kerja

Percobaan

Mengalirkan air dingin hingga HE

terisiMengalirkan steam

Atur laju alir steam hingga suhu air

panas tidak melebihi 60°C

Atur laju alir fluida dingin tetap pada 6

lpm

Alirkan fluida dingin dengan variasi laju

alir (5 laju alir)

Catat suhu masuk dan keluar tiap

aliran

Ulangi langkah 1- 6 dengan laju alir

fluida dingin tetap 9 lpm

Ulangin langkah 1 - 7 laju alir fluida panas tetap (3 dan 5 lpm) dengan variasi laju alir

fluida dingin

Mematikan alat

3.3 Data Pengamatan1) Laju Alir Air Dingin Tetap

NoFluida Panas (Laju Berubah) Fluida Dingin (Laju Tetap)

Laju alir (L/menit) Thi (°C) Tho

(°C) Laju alir (L/Menit) Tci (°C)

Tco (°C)

123456

NoFluida Panas (Laju Berubah) Fluida Dingin (Laju Tetap)

Laju alir (L/menit) Thi (°C) Tho

(°C) Laju alir (L/Menit) Tci (°C)

Tco (°C)

123456

2) Laju Alir Air Panas Tetap

NoFluida Dingin (Laju Berubah) Fluida Panas (Laju Tetap)

Laju alir (L/menit) Tci (°C) Tco

(°C) Laju alir (L/Menit) Thi (°C) Tho (°C)

Matikan aliran steamBiarkan fluida dingin tetap mengalir untuk

mendinginkan HE

Kosongkan HE lalu rapikan kembali

peralatan

123456

NoFluida Dingin (Laju Berubah) Fluida Panas (Laju Tetap)Laju alir (L/menit) Tci (°C) Tco

(°C) Laju alir (L/Menit) Thi (°C) Tho (°C)

123456