LABORATORIUM TEKNIK KIMIA 2SEMESTER GENAP TAHUN AJARAN 2014/2015MODUL: Plate Heat ExchangerPEMBIMBING : Ir. Umar Khayam

Oleh :

Nama: Sahara Tulaini NIM: 131411025Kelas : 2A

PROGRAM STUDI DIPLOMA III TEKNIK KIMIAJURUSAN TEKNIK KIMIAPOLITEKNIK NEGERI BANDUNG2015

1. PENDAHULUAN0. Latar BelakangAlat perpindahan panas ada berbagai tipe dan model yang banyak ragamnya. Secara garis besar terbagi menjadi tiga macam, yaitu double pipe, shell & tube dan plate heat exchanger. Masing-masing jenis digunakan berdasarkan keperluan dan pertimbangan teknis dan ekonominya, begitu pula dengan ukuran kapasitasnya.Penukar panas jenis Plate Heat Exchanger sangat efektif dalam memindahkan kalor, luas permukaan pindah panas yang besar, juga drop tekanan yang rendah. Kelebihan yang menonjol lainnya adalah konstruksi yang tersusun berjajar dan kemudahnnya bongkar untuk membersihkan apabila ada kotoran. Satu kelemahan Plate heat Exchanger adalah operasinya tidak dapat digunakan untuk tekanan tinggi dikarenakan strukturnya yang mengandalkan sekat (seal karet) tidak mampu menahan tekanan tinggi dari kebocoran.Penggunaan paling populer adalah untuk industry minuman seperti juice dan susu pada saat sterilisasi.

0. Tujuan PercobaanDari praktikum ini, mahasiswa diharapkan mampu:1. Memahami konsep perpindahan panas yang terjadi di dalam PHE khususnya konduksi dan konveksi.1. Mengetahui pengaruh laju alir fluida terhadap koefisien pindah panas keseluruhan (U).1. Menghitung koefisien pindah panas keseluruhan (U) pada plat menggunakan persamaan neraca energi dan menggunakan empiris.1. Menghitung efisiensi kalor yang dilepas fluida panas terhadap kalor yang diterima fluida dingin.

1. LANDASAN TEORI2.1 Plate Heat ExchangerDalam peralatan PHE, panas dipindahkan dengan semua cara, namun yang dominan terjadi dengan dua cara secara simultan, yaitu dengan konduksi dan konveksi.Perpindahan kalor secara konduksi, perpindahan ini biasanya terjadi pada benda padat, panas merambat dari satu bagian ke bagian lain secara merambat tanpa ada material yang berpindah.Perpindahan kalor secara konveksi, perpindahan ini terjadi karena adanya aliran massa yang berpindah. Aliran massa tersebut bisa terjadi secara difusi maupun adanya tenaga dari luar. Tenaga dari luar tersebut bisa berupa pengadukan maupun fluida mengalir.Penukar panas pada PHE terdiri dari susunan lempeng sesuai dengan luas permukaan yang diperlukan. Adapun syarat terjadinya perpindahan panas yaitu adanya perbedaan temperatur.Manfaat dari Plate Heat Exchanger (PHE) yaitu sebagai system pemanas atau pendingin dari suatu system produksi. Meskipun terdapat beberapa system lain, PHE memiliki kinerja yang baik dan sulit ditandingi system lain. Salah satu contohnya pada industri susu, jus dan permen. Pada industri permen system PHE digunakan sebagai pemanas permen yang akan dicetak, dengan digunakannya system PHE, maka permen yang dihasilkan jauh lebih bening dibandingkan dengan menggunakan system pemanas lainnya.Bilangan tak berdimensi yang berkaitan dengan perpindahan panas ada 3, yaitu:1. Bilangan ReynoldsBilangan Reynold merupakan salah satu bilangan yang tidak berdimensi yang sangat penting dalam mekanika fluida dan dapat digunakan seperti halnya dengan bilangan yang tidak berdimensi lainnya. Untuk memberikan kriteria dalam menentukan dynamic similitude. Jika dua pola aliran yang mirip secara geometris, mungkin pada fluida yang berbeda dan laju alir yang berbeda pula, memiliki nilai bilangan tidak berdimensi yang relevan dan keduanya disebut mempunyai kemiripan dinamis

Rumus bilangan Reynolds umumnya diberikan sebagai berikut:dengan: vs - kecepatan fluida, L - panjang karakteristik, - viskositas absolut fluida dinamis, - viskositas kinematik fluida: = / , - kerapatan (densitas) fluida.

1. Bilangan NusseltBilangan Nusseltadalah rasiopindah panaskonveksidankonduksinormal terhadap batas dalam kasus pindah panas pada permukaanfluida; bilangan Nusselt adalah satuan tak berdimensi yang dinamai menggunakan namaWilhelm Nusselt. Komponen konduktif diukur di bawah kondisi yang sama dengan konveksi dengan kondisi fluida stagnan atau tidak bergerak.Aliran panas konduksi dan konveksi sifatnya sejajar satu sama lainnya dan terhadap permukaan normal terhadap bidang batas, sehinggadi mana:

L=panjang karakteristikkf=konduktivitas termalfluidah=koefisien pindah panaskonvektifPemilihan panjang karakteristik harus searah dengan ketebalan dari lapisan batas. Contoh dari panjang karakteristik misalnyadiameterterluar darisilinderpada aliran yang mengalir di luar silinder, tegak lurus terhadap aksis silinder. Selain itu, panjang papan vertikal terhadap konveksi alami yang bergerak ke atas dan diameterbolayang berada di dalam aliran konveksi juga merupakan panjang karakteristik. Untuk bangun yang lebih rumit, panjang karakteristik bisa dihitung dengan membagi volume terhadap luas permukaannya.Untuk konveksi bebas, rataan bilangan Nusselt dinyatakan sebagai fungsi daribilangan Rayleighdanbilangan Prandtl. Dan untuk konveksi paksa, rataan bilangan Nusselt adalah fungsi daribilangan Reynoldsdanbilangan Prandtl. Hubungan empiris untuk berbagai geometri terkait konveksi menggunakan bialangan Nusselt didapatkan melalui eksperimen.Pindah massa terkait dengan bilangan Nusselt adalahbilangan Sherwood.1. Bilangan PrandtlBilangan yang tak berdimensi yang merupakan fungsi dari sifat-sifat fluida. Bilangan prandtl didefinisikan sebagai perbandingan viskositas kinematik terhadap difusitas termal fluida yaitu:

Npr = v/ = cp / k

Dimana v adalah viskositas kinematis termal dan alfa adalah termal difusi rate.

2.2 Koefisien Pindah Panas Keseluruhan (U)Koefisien perpindahan panas total didefinisikan sebagai koefisien hambatan termal total menuju perpindahan panas diantara dua fluida. Koefisien perpindahan panas total juga didefinisikan sebagai hasil gabungan proses konduksi dan konveksi dengan memperhitungkan hambatan diantara fluida yang dipisahkan oleh lapisan komposit dan dinding silinder.Dalam melakukan analisis untuk menentukan seberapa tinggi koefisien perpindahan panas total saat proses maka dapat diperoleh melalui persamaan.

UKoefisien perpindahan panas total (W/m2.K)

hoKoefisien konveksi di luar pipa (kJ/kg)

roJari-jari luar (m)

Rf,oRepresentative Cooling factors luar pipa (m2.K/W)

hiKoefisien konveksi di dalam pipa (kJ/kg)

riJari-jari dalam (m)

Rf,iRepresentative Cooling factors dalam pipa (m2.K/W)

KKoefisien konveksi (W/m.K)

Persamaan dalam hitungan neraca energi, nilai koefisien pindah panas keseluruhan bergantung pada perbedaan temperatur logaritmik (K). tetapi jika menggunakan persamaan empiris, nilai koefisien pindah panas keseluruhan tidak bergantung pada temperatur (K), melainkan bergantung pada panas masuk, panas keluar serta koefisien konduksi (W/mK).Menghitung koefisien Pindah Panas Keseluruhan (U)1. Menggunakan Neraca EnergiQ = U.A.TimU =

Harga Q dapat dihitung dari :Q= (M.Cp.T)1 .. Kalor yang diberikan fluida panas= (M.CP. T)2 .. Kalor yang diterima fluida panas

Efisiensi Kalor yang dipertukarkan

Q= Laju alir Kalor (Watt)A= Luas Permukaan (m2)U= Koefisien Pindah Panas Keseluruhan (W/m2.K)Tim= Perbedaan Suhu Logaritmik (K)

ThiThoTciTcoFluid TemperatureHeat Transfered

T1= Thi TcoT2= Tho Tci

1. Menggunakan Persamaan Empiris untuk satu lempeng

X= Tebal lempeng (m)h1,h2= koefisien pindah panas konveksi inside & outside (W/m2.K)K= Koefisien Konduksi (W/m.K)

Harga X dapat diukur pada alat, harga K bahan SS-204 dapat diperoleh dari buku referensi dan hi dan ho dihitung dari persamaan empiris.Dari buku referensi Christe John Geankoplis :Untuk Nre 3.105 (Laminar)NNu

Untuk Nre 3.105 (Turbulen)NNu

NRe = , NNu = , Npr = Harga v,L diperoleh dari percobaan, kemudian memasukkan harga sifat fisik air yang diperoleh dari buku referensi, dapat dihitung hi dan ho.

1. PERCOBAAN3.1 Alat dan Bahan1. Seperangkat alat PHE1. Gelas beaker Plastik 2000 mL1. Gelas kimia 1000 mL1. Thermometer1. Stopwatch1. Air

3.2 Prosedur KerjaMemanaskan fluida (air) di drum sampai suhu yang dikehendaki

Melakukan prosedur diatas hingga mendapatkan data yang diperlukanMengambil data sesuai dengan data pengamatanMenyiapkan air dinginMempersiapkan PHE, saluran-saluran, alat ukur dan termometerMenyiapkan listrik untuk aliran pompaMenyalakan pompa dan mengatur laju alir

Mematikan pemanas kompor pada tangki air panas

Mematikan aliran fluida panas

Mematikan aliran fluida dingin

Merapihkan, membersihkan peralatan seperti semula

1. Pengolahan DataTabel 4.1 Kalibrasi laju alir volume fluida panas dan volume fluida dinginNoLaju Alir (L/s)Waktu (s)Fluida Panas dan fluida dingin

Volume (L)Laju Alir (L/s)

10.053100.5300.053

20.074100.7400.074

30.088100.8800.088

40.119100.1190.119

Tabel 4.2 Laju alir fluida panas tetap dan laju alir fluida dingin berubahNoFluida Panas (Laju Tetap)Fluida dingin (Laju Berubah)

Laju Alir (L/s)Thi (K)Tho (K)Laju Alir (L/s)Tci (K)Tco (K)

10.0553173080.069299306

20.0553193060.083297305

Tabel 4.3 Laju alir fluida panas tetap dan laju alir fluida dingin berubahNoFluida Panas (Laju Berubah)Fluida Dingin (Laju Tetap)

Laju Alir (L/s)Thi (K)Tho (K)Laju Alir (L/s)Tci (K)Tco (K)

10.0693213070.111299305

20.0833223070.111295306

Tabel 4.4 Data literature sifat fisik fluida air pada laju alir fluida panas tetap dan laju alir fluida dingin berubahRunLaju Alir (L/s)Thi (K)Tho (K)

PanasDingin(kg/m.s)(kg/m3) (kg/m.s)(kg/m3)

10.0550.0693176.00E-04990.033086.80E-04992.97

20.0550.0833195.79E-04989.033067.50E-04994.96

Tabel 4.5 Data literature sifat fisik fluida air pada laju alir fluida panas berubah dan laju alir fluida dingin tetapRunLaju Alir (L/s)Thi (K)Tho (K)

PanasDingin(kg/m.s)(kg/m3 ) (kg/m.s)(kg/m3 )

10.0690.1113215.68E-04988.953077.35E-04994.56

20.0830.1113225.65E-04986.653077.35E-04994.56

0. TABEL PENGOLAHAN DATA0. Laju Alir Panas Tetap dan Laju Alir Dingin BerubahQ = m Cp T

Tabel 4.6 Kalor yang diberikan fluida panas RunLaju alir kalibrasi (L/s) Laju alir massa (kg/s)Cp (kJ/kg.K)T1 (K)Q1 (Watt)

10.0550.0554,2112079

20.0550.0554,2143003

Tabel 4.7 Kalor yang diterima fluida dingin RunLaju alir kalibrasi (L/s) Laju alir massa (kg/s)Cp (kJ/kg.K)T2 (K)Q2 (Watt)

10.0690.0694,292028,6

20.0830.0834,292788,8

Tabel 4.8 Efisiensi kalor pada laju alir fluida panas tetap dan fluida dingin berubah

RunLaju Alir (L/s)Laju Alir Kalor (Watt)Efisiensi (%)

PanasDinginQ1Q2

10.0550.06920792028,697,57

20.0550.08330032788,892,86

Tabel 4.9 Perbedaan suhu logaritmik pada laju alir fluida panas tetap dan fluida dingin berubah

RunLaju Alir (L/s)Perubahan Suhu (K)Tlm (K)

PanasDinginT1 T2

10.0550.0691199,96

20.0550.08314911,31

Tabel 4.10 Koefisien pindah panas keseluruhan pada laju alir fluida panas tetap dan fluida dingin berubah

RunLaju Alir (L/s)Q (Watt)A (m2) Tlm (K)U (W/m2K)

PanasDingin

10.0550.069207919,96208,73

20.0550.0833003111,31265,52

Tabel 4.11 Koefisien pindah konveksi inside pada laju alir fluida panas tetap dan fluida dingin berubah

RunLaju Alir (L/s)Bilangan Tak Berdimensih inside (W/m2.K)

PanasDinginNre insideNu insideNpr inside

10.0550.0698,440,0610,00003251,05

20.0550.0838,740,0620,00003151,89

Tabel 4.12 Koefisien pindah konveksi outside pada laju alir fluida panas tetap dan fluida dingin berubahRunLaju Alir (L/s)Bilangan Tak Berdimensih outside (W/m2.K)

PanasDinginNre outsideNu outsideNpr outside

10.0550.0697,470,00330.0000372,76

20.0550.0836,780,00320.0000402,68

Tabel 4.13 Koefisien pindah panas keseluruhan secara empiris (untuk satu lempeng) pada laju alir fluida panas tetap dan fluida dingin berubah

RunLaju Alir (L/s)A (m2)X (m)K (W/m.K)h inside (W/m2.K)h outside (W/m2.K)U empiris

PanasDingin

10.0550.0690.040.00377.8351,052,7665,45

20.0550.0830.040.00377.8351,892,6863,70

0. Laju Alir Fluida Panas Berubah dan Laju Alir Fluida Dingin TetapTabel 4.14 Kalor yang diberikan fluida panas RunLaju alir kalibrasi (L/s) Laju alir massa (kg/s)Cp (kJ/kg.K)T1 (K)Q1(Watt)

10.0690.0694.2164057,2

20.0830.0834.2165229

Tabel 4.15 Kalor yang diterima fluida dingin

RunLaju alir kalibrasi (L/s) Laju alir massa (kg/s)Cp (kJ/kg.K)T2 (K)Q2 (Watt)

10.1110.1114.2103729,6

20.1110.1114.2125128,2

Tabel 4.16 Efisiensi kalor pada laju alir fluida panas berubah dan fluida dingin tetap

RunLaju Alir (L/s)Laju Alir Kalor (Watt)Efisiensi (%)

PanasDinginQ1Q2

10.0690.1114057,23729,691,92

20.0830.11152295128,298,07

Tabel 4.17 Perbedaan suhu logaritmik pada laju alir fluida panas tetap dan fluida dingin berubahRunLaju Alir (L/s)Perubahan Suhu (K)Tlm (K)

PanasDinginT1T2

10.0690.111161012,76

20.0830.111161213,90

Tabel 4.18 Koefisien pindah panas keseluruhan pada laju alir fluida panas berubah dan fluida dingin tetapRunLaju Alir (L/s)Q (Watt)A (m2) Tlm (K)U (W/m2K)

PanasDingin

10.0690.1114057,2112,76317,96

20.0830.1115229113,90376,19

Tabel 4.19 Koefisien pindah konveksi inside pada laju alir fluida panas berubah dan fluida dingin tetapRunLaju Alir (L/s)Bilangan Tak Berdimensih inside (W/m2.K)

PanasDinginNre insideNu insideNpr inside

10.0690.11111,170,6970,031583,30

20.0830.11113,480,7570,030633,52

Tabel 4.20 Koefisien pindah konveksi outside pada laju alir fluida panas berubah dan fluida dingin tetapRunLaju Alir (L/s)Bilangan Tak Berdimensih outside (W/m2.K)

PanasDinginNre outsideNu outsideNpr outside

10.0690.1118,680,0370,03930,96

20.0830.11110,440,0400,03933,47

Tabel 4.21 Koefisien pindah panas keseluruhan secara empiris (untuk satu lempeng) pada laju alir fluida panas berubah dan fluida dingin tetapRunLaju Alir (L/s)A (m2)X (m)K (W/m.K)h inside (W/m2.K)h outside (W/m2.K)U empiris

PanasDingin

10.0690.1110.040.00377.83583,3030,96734,16

20.0830.1110.040.00377.83633,5233,47793,78

0. GRAFIK HASIL PENGOLAHAN DATA

1. Kalibrasi Laju Alir Fluida Panas dan Fluida Dingin

Gambar 4.1 Kurva kalibrasi laju alir fluida panas dan fluida dingin

1. Kurva U dan pada Laju Alir Fluida Panas Tetap dan Fluida Dingin Berubah

Gambar 4.3 Hubungan antara U terhadap perubahan laju alir fluida dinginGambar 4.4 Hubungan antara efisiensi kalor terhadap perubahan laju alir fluida dingin

Gambar 4.5 Hubungan antara U terhadap perubahan laju alir fluida panas

Gambar 4.6 Hubungan antara efisiensi kalor terhadap perubahan laju alir fluida panas

1. PEMBAHASANOleh Sahara Tulaini (131411025)Praktikum kali ini adalah mengamati perpindahan panas menggunakan alat penukar panas atau disebut juga Heat Exchanger. Jenis alat penukar panas yang digunakan berupa Plate Heat Exchanger (PHE). Praktikum ini bertujuan agar dapat memahami konsep perpindahan panas yang terjadi di dalam PHE khususnya konduksi dan konveksi, mengetahui pengaruh laju alir fluida terhadap koefisien pindah panas keseluruhan, menghitung koefisien pindah panas keseluruhan pada pelat menggunakan persamaan neraca energi dan menggunakan empiris, serta menghitung efisiensi kalor yang dilepas fluida panas terhadap kalor yang diterima fluida dingin.Prinsip kerja Plate Heat Exchanger terdiri dari sejumlah pelat tipis yang dipasang pada suatu rangka dan ditekan rapat satu sama lain. Antara pelat satu dan pelat yang lain terdapat celah-celah sempit dimana fluida yang akan bertukar panas mengalir secara berselang-seling atau disebut juga aliran counter flow tanpa berkontak secara langsung. Arah aliran tersebut bertujuan supaya perpindahan panas berlangsung cepat. Pada sudut-sudut pelat terdapat lubang yang apabila pelat-pelat tersusun rapat akan membentuk saluran masuk dan keluar fluida. Dalam praktikum digunakan PHE dengan jumlah pelat 25 buah dan permukaan pelat yang bergelombang. Hal ini bertujuan untuk mengefisienkan panas dengan menambah luas permukaan pelat atau medium yang dilalui. Fluida panas mengalir melalui lubang bawah dalam urutan pelat ganjil kemudian mengalir menempati luas permukaan pelat dan keluar menuju urutan pelat ganjil berikutnya melalui lubang atas sedangkan fluida dingin mengalir dari lubang atas dalam urutan pelat genap kemudian mengalir menempati luas permukaan pelat dan keluar menuju urutan pelat genap berikutnya melalui lubang bawah. Perpindahan panas dalam Plate Heat Exchanger terjadi dengan dua cara yaitu konduksi dimana terjadi perpindahan panas melalui medium berupa pelat sehingga fluida dingin menerima panas dari fluida panas. Kemudian dengan cara konveksi dimana terjadi perpindahan panas karena adanya fluida yang bergerak.Praktikum Plate Heat Exchanger dilakukan variasi terhadap laju alir fluida panas tetap dan dingin berubah kemudian laju alir fluida panas berubah dan fluida dingin tetap serta perbedaan suhu fluida panas masuk dan fluida dingin masuk (T). Berdasarkan grafik hasil percobaan diperoleh harga koefisien pindah panas keseluruhan (U) berbanding lurus dengan meningkatnya laju alir fluida. Berdasarkan literatur, hal ini sesuai dengan persamaan neraca energi koefisien pindah panas keseluruhan (U). Namun, harga U pada variasi laju alir fluida panas tetap lebih kecil daripada laju alir fluida panas berubah. Selain itu, harga U dengan menggunakan persamaan neraca energi berbeda dengan harga U menggunakan persamaan empiris. Perbedaan ini disebabkan karena adanya panas yang hilang ke lingkungan serta pada saat melakukan praktikum, fluida panas yang keluar sebagian tertampung kembali ke tangki umpan fluida panas sehingga menyebabkan perubahan suhu pada tangki umpan fluida panas. Nilai representatif dari perpindahan panas total berdasarkan literatur untuk dua kombinasi fluida berupa air-air berkisar antara 850-1700 W/m2K dan hasil percobaan yang dilakukan harganya masih dalam kisaran tersebut. Dari hubungan yang berkaitan dengan harga U dapat disimpulkan bahwa U atau koefisien pindah panas keseluruhan nilainya bergantung kepada semua variabel yang mempengaruhi proses perpindahan panas seperti luas permukaan, sifat aliran fluida, properti fluida, dan kecepatan fluida.Efisiensi kalor yang dipertukarkan untuk laju alir fluida panas tetap dan fluida dingin berubah pada umumnya semakin besar dengan meningkatnya laju alir sedangkan pada laju alir fluida panas berubah dan fluida dingin tetap nilai efisiensi menurun dengan meningkatnya laju alir. Menurut literatur, hal ini disebabkan karena semakin tinggi kecepatan fluida, semakin rendah kemungkinan terjadinya fouling pada heat exchanger namun pada temperatur fluida yang semakin tinggi akan mempercepat terbentuknya fouling. Fouling merupakan padatan yang terakumulasi didalam sistem. Akibat adanya fouling ini menyebabkan efisiensi menurun sehingga mempengaruhi performa dari Plate Heat Exchanger. Namun bila ditinjau dari T fluida panas dan fluida dingin aliran masuk, efisiensi kalor yang dipertukarkan semakin kecil pada T yang tinggi. Hal ini disebabkan pada arah aliran counter flow temperature fluida dingin yang keluar lebih tinggi dibanding temperature fluida panas yang keluar sehingga secara otomatis pada T tinggi perpindahan panas yang terjadi lebih efisien dan semakin tinggi kecepatan linier fluida. Oleh karena itu, perlu dilakukan perawatan dan perbaikan secara berkala sehingga dapat meningkatkan performa atau efisiensi Plate Heat Exchanger.

1. Kesimpulan

1. Semakin besar laju alir fluida maka koefisien pindah panas (U) akan mengalami kenaikan (Laju alir berbanding lurus dengan U)1. Perhitungan koefisien pindah panas dihitung berdasarkan neraca energi dan rumus empiris.1. Efisiensi kalor yang dipertukarkan merupakan perbandingan antara kalor yang diterima fluida dingin terhadap kalor yang diberikan fluida panas.

DAFTAR PUSTAKA1. Anonim.2015.Plate heat Exchanger PHE Gasket.http://www.sumantry.com/produk/produk-static-item/51-plate-heat-exchanger-gasket-phe.[diunduh pada tanggal 9 April 2015].1. Anonim.2013.koefisien perpindahan panas total.https://ilmupembangkit.wordpress.com/2013/05/12/koefisien-perpindahan-panas-total/.[diunduh pada tanggal 9 April 2015].1. Authors.2005.Dimensionless numbers in heat transfer. http://www.coolingzone.com/library.php?read=481.[diunduh pada tanggal 10 April 2015].1. Ersa, Dio.2013.bilangan Reynolds bilangan nusselt. http://dioersaputra.blogspot.com/2013/11/bilangan-reynolds-bilangan-nusselt.html. [diunduh pada tangga 10 April 2015].