BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Energi panas yang terkandung di dalam
sebuah sistem berhubungan dengan fenomena perpindahan panas. Terjadinya
perpindahan panas ditandai perubahan nilai energi panas yang terkandung dalam
sistem. Perpindahan panas terjadi dari sistem/benda dengan temperatur yang
lebih tinggi, menuju sistem/benda dengan temperatur yang lebih rendah. Hal
tersebut apabila terjadi dalam sebuah kondisi yang alami.Secara alamiah,
perpindahan panas dapat terjadi melalui tiga cara: konduksi, konveksi, dan
radiasi.
Perpindahan energi atau panas dengan menggunkan
alat penukar kalor (heat
exchanger) banyak sekali diaplikasikan dalam dunia industri. Alat penukar panas atau Heat Exchanger (HE) 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).
1.2 Tujuan Percobaan
Tujuan dari percobaan ini adalah
untuk mengevaluasi nilai koefisien perpindahan panas permukaan dalam tabung
pada double pipa heat exchanger.
BAB II
TEORI
2.1 Mekanisme perpindahan panas
Panas adalah salah satu bentuk energi yang dapat
dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan
atau dimusnahkan sama sekali. Dalam suatu proses, panas dapat mengakibatkan
terjadinya kenaikan suhu suatu zat dan atau perubahan tekanan, reaksi
kimia dan kelistrikan.
Proses
terjadinya perpindahan panas dapat dilakukan secara langsung, yaitu fluida yang
panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin tanpa adanya pemisah
dan secara tidak langsung, yaitu bila diantara fluida panas
dan fluida dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh sekat-sekat
pemisah.
Terdapat tiga cara
dalam hal perpindahan panas dari sumber ke penerima, namun sebagian besar
aplikasi dari teknik adalah kombinasi dua atau ketiganya. Cara tersebut adalah
:
- Perpindahan Panas Secara
Konduksi
Merupakan perpindahan panas antara
molekul-molekul yang saling berdekatan antar yang satu dengan yang lainnya dan
tidak diikuti oleh perpindahan molekul-molekul tersebut secara fisik.
Molekul-molekul benda yang panas bergetar lebih cepat dibandingkan
molekul-molekul benda yang berada dalam keadaan dingin. Getaran-getaran yang
cepat ini, tenaganya dilimpahkan kepada molekul di sekelilingnya sehingga
menyebabkan getaran yang lebih cepat maka akan memberikan panas. Jumlah aliran panas ini dapat ditentukan dengan persamaan :
dQ=k.A(dt/dx)…………………………………………………... (1)
- Perpindahan Panas Secara
Konveksi
Perpindahan panas dari suatu
zat ke zat yang lain disertai dengan gerakan partikel atau zat tersebut secara
fisik. Dalam hal ini, perpindahan panas terjadi akibat
adanya gerakan fluida. Fluida dingin yang dekat dengan permukaan panas akan
menerima panas dimana panas tersebut mempengaruhi fluida melalui suatu
pencampuran.
Seperti halnya pada perpindahan panas secara konduksi,
persamaan perpindahan panas secara
konveksi jugu berbentuk sebagai berikut :
dq=h.A.dt …………………………………………………………(2)
- Perpindahan Panas Secara
Radiasi
Perpindahan panas tanpa
melalui media (tanpa melalui molekul). Suatu energi dapat dihantarkan dari
suatu tempat ke tempat lainnya (dari benda panas ke benda yang dingin) dengan
pancaran gelombang elektromagnetik dimana tenaga elektromagnetik ini akan
berubah menjadi panas jika terserap oleh benda yang lain.
Berdasarkan hukum kedua dari
Thermodinamika Boltzman, ditetapkan bahwa laju sumber itu akan memancarkan
panas adalah :
dQ = s . dA . T4 ……………………………………………………….. (3)
Pada Dasarnya prinsip kerja dari
alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari dua fluida pada temperatur berbeda di mana transfer panas dapat dilakukan
secara langsung ataupun tidak langsung.
a.
Secara kontak langsung, panas yang dipindahkan antara fluida panas dan
dinginmelalui permukaan kontak langsung berarti tidak ada dinding antara kedua
fluida.Transfer panas yang terjadi yaitu melalui interfase / penghubung antara
kedua fluida.Contoh : aliran steam pada kontak langsung yaitu 2 zat cair yang immiscible (tidak dapat bercampur),
gas-liquid, dan partikel padat-kombinasi fluida.
b.
Secara
kontak tak langsung, perpindahan
panas terjadi antara fluida panas dandingin melalui dinding pemisah. Dalam
sistem ini, kedua fluida akan mengalir.
Gambar 1. Perpindahan kalor pada Heat Exchanger
Perpindahan
energi atau panas dengan menggunkan alat penukar kalor (heat
exchanger) banyak sekali diaplikasikan dalam dunia industri. Proses
perpindahan panas pada heat
exchanger menurut Cengel (2006), sebagian besar didominasi oleh
konveksi dan konduksi dari fluida panas ke fluida dingin, dimana keduanya tidak
terjadi kontak secara langsung dalam hal ini dipisahkan oleh dinding.
Perpindahan panas secara konveksi sangat dipengaruhi oleh bentuk geometri heat
exchanger dan bilangan-bilangan tak berdimensi, yaitu Reynold,
bilangan Mussell dan bilangan Prandtl. Besar ketiga bilangan tak berdimensi
ini, tergantung pula pada kecepatan aliran serta property fluida yang meliputi
massa jenis, viskositas absolute, panas jenis dan konduktivitas panas. ( Sumber , http://bekompas.blogspot.com/2011/12/analisa-perpindahan-panas-dan-tegangan.html
, 21/11/12)
2.2 Alat Penukar
Panas (Heat Exchanger)
Heat Exchanger adalah salah satu alat
yang menghasilkan perpindahan panas dari satu fluida ke fluida yang lain.Dalam
industri perminyakan, jenis alat penukar panas yang sering dipergunakan adalah
jenis cangkang dan pipa (Shell and Tube Heat Exchanger), dimana alat tersebut terdiri dari sebuah cangkang (Shell) dengan sejumlah pipa-pipa kecil (tubes) didalamnya.
Jenis-Jenis Heat Exchanger :
1.
Double pipe heat exchanger (Penukar panas pipa rangkap)
Salah satu jenis penukar panas adalah
susunan pipa ganda. Dalam jenis penukar panas
dapat digunakan berlawanan arah
aliran atau arah aliran, baik
dengan cairan panas atau dingin cairan yang terkandung dalam ruang annular dan cairan lainnya
dalam pipa.
Alat penukar panas pipa rangkap terdiri
dari dua pipa logam standart yang dikedua ujungnya dilas menjadi satu atau
dihubungkan dengan kotak penyekat. Fluida yang satu mengalir di dalam pipa,
sedangkan fluida kedua mengalir di dalam ruang anulus antara pipa luar dengan pipa
dalam. Alat penukar panas jenis ini dapat digunakan pada laju alir fluida yang
kecil dan tekanan operasi yang tinggi. Sedangkan untuk kapasitas yang lebih
besar digunakan penukar panas jenis selongsong dan buluh ( shell and tube
heat exchanger ).
Gambar 2. Penukar panas jenis pipa rangkap
(Double pipe heat exchanger )
2.
Shell and
tube heat exchanger ( Penukar panas cangkang dan buluh )
Alat penukar panas cangkang dan buluh terdiri atas
suatu bundel pipa yang dihubungkan secara parallel dan ditempatkan dalam sebuah
pipa mantel (cangkang ). Fluida yang satu mengalir di dalam bundel pipa,
sedangkan fluida yang lain mengalir di luar pipa pada arah yang sama,
berlawanan, atau bersilangan. Kedua ujung pipa tersebut dilas pada penunjang
pipa yang menempel pada mantel. Untuk meningkatkan effisiensi pertukaran panas,
biasanya pada alat penukar panas cangkang dan buluh dipasang sekat ( buffle ).
Ini bertujuan untuk membuat turbulensi aliran fluida dan menambah waktu tinggal
( residence time ), namun pemasangan sekat akan memperbesar pressure
drop operasi dan menambah beban kerja pompa, sehingga laju alir fluida yang
dipertukarkan panasnya harus diatur.
Gambar 3.Penukar panas jenis cangkang dan buluh
( shell and tube heat exchanger )
3.
Plate and
frame heat exchanger ( Penukar Panas Plate and Frame ).
Alat penukar
panas pelat dan bingkai terdiri dari paket pelat – pelat tegak lurus,
bergelombang, atau profil lain. Pemisah antara pelat tegak lurus dipasang
penyekat lunak ( biasanya terbuat dari karet ). Pelat – pelat dan sekat
disatukan oleh suatu perangkat penekan yang pada setiap sudut pelat 10 (
kebanyakan segi empat ) terdapat lubang pengalir fluida. Melalui dua dari
lubang ini, fluida dialirkan masuk dan keluar pada sisi yang lain, sedangkan
fluida yang lain mengalir melalui lubang dan ruang pada sisi sebelahnya karena
ada sekat.
Gambar 4. Penukar panas jenis pelat and
Frame
4. Adiabatic wheel heat
exchanger
Jenis keempat penukar panas
menggunakan intermediate cairan atau toko yang solid untuk menahan panas, yang
kemudian pindah ke sisi lain dari penukar panas akan dirilis. Dua contoh
ini adalah roda adiabatik, yang terdiri dari roda besar dengan benang halus berputar
melalui cairan panas dan dingin, dan penukar panas cairan.
Gambar 5. Adiabatic wheel heat exchanger
5.
Pillow
plate heat exchanger
Sebuah pelat penukar bantal umumnya
digunakan dalam industri susu untuk susu pendingin dalam jumlah besar langsung
ekspansi tank massal stainless steel. Pelat bantal memungkinkan untuk
pendinginan di hampir daerah seluruh permukaan tangki, tanpa sela yang akan
terjadi antara pipa dilas ke bagian luar tangki. Pelat bantal dibangun
menggunakan lembaran tipis dari logam-spot dilas ke permukaan selembar tebal
dari logam.
Pelat tipis dilas dalam pola teratur
dari titik-titik atau dengan pola serpentin garis las. Setelah pengelasan
ruang tertutup bertekanan dengan kekuatan yang cukup untuk menyebabkan logam
tipis untuk tonjolan di sekitar lasan, menyediakan ruang untuk cairan penukar
panas mengalir, dan menciptakan penampilan yang karakteristik bantal membengkak
terbentuk dari logam.
Gambar 6. Pillow plate Heat exchanger
6.
Dynamic
scraped surface heat exchanger.
Tipe lain dari
penukar panas disebut "(dinamis) besot permukaan heat
exchanger". Ini terutama digunakan untuk pemanasan atau pendinginan
dengan tinggi viskositas produk, proses kristalisasi, penguapan tinggi dan
fouling aplikasi. Kali berjalan panjang yang dicapai karena terus menerus
menggores permukaan, sehingga menghindari pengotoran dan mencapai kecepatan
transfer panas yang berkelanjutan selama proses tersebut.
Gambar 7. Dynamic Scraped Surface heat Exchanger
7.
Phase-change heat exchanger
Selain memanas atau pendinginan
cairan hanya dalam satu fasa, penukar panas dapat digunakan baik untuk
memanaskan cairan menguap (atau mendidih) atau digunakan sebagai kondensor
untuk mendinginkan uap dan mengembun ke cairan.
Pada pabrik kimia dan kilang,reboilers digunakan untuk
memanaskan umpan masuk untuk menara distilasi sering penukar panas. Distilasi set-up
biasanya menggunakan kondensor untuk mengkondensasikan uap distilasi kembali ke
dalam cairan.Pembangkit tenaga listrik yang memiliki uap yang digerakkan turbin
biasanya menggunakan penukar panas untuk mendidihkan air menjadi uap.
Heat exchanger atau unit serupa untuk
memproduksi uap dari air yang sering disebut boiler atau generator uap.Dalam
pembangkit listrik tenaga nuklir yang disebut reaktor air bertekanan, penukar
panas khusus besar yang melewati panas dari
sistem (pabrik reaktor) primer ke sistem (pabrik uap) sekunder, uap memproduksi
dari air dalam proses, disebut generator uap.Semua pembangkit listrik berbahan
bakar fosil dan nuklir menggunakan uap yang digerakkan turbin memiliki
kondensor permukaan untuk mengubah uap gas buang dari turbin ke kondensat (air)
untuk digunakan kembali.
Untuk menghemat energi dan kapasitas pendinginan dalam kimia dan
tanaman lainnya, penukar panas regeneratif dapat digunakan untuk mentransfer
panas dari satu aliran yang perlu didinginkan ke aliran yang perlu dipanaskan,
seperti pendingin distilat dan pakan reboiler pra-pemanasan.
Istilah ini juga dapat merujuk kepada
penukar panas yang mengandung bahan dalam struktur mereka yang memiliki
perubahan fasa. Hal ini biasanya padat ke fase cair karena perbedaan
volume kecil antara negara-negara ini. Perubahan fase efektif bertindak
sebagai buffer karena terjadi pada suhu konstan tetapi masih memungkinkan untuk
penukar panas untuk menerima panas tambahan. Salah satu contoh di mana ini
telah diteliti untuk digunakan dalam elektronik pesawat daya tinggi. ( sumber , http://beck-fk.blogspot.com/2012/05/alat-heat-exchanger.html
22/11/12)
2.3 EFEK PANAS
Panas adalah satu bentuk energi yang
ditransfer karena adanya gaya dorong perbedaan suhu. Peristiwa transfer panas
banyak dijumpai dalam industri kimia karena itu perlu dilakukan perhitungan
jumlah panas yang diperlukan atau yang timbul pada suatu proses.
Dilihat dari proses yang terjadi ada
beberapa jenis transfer panas, yang dapat digolongkan dalam dua golingan besar
yaitu :
- Transfer panas yang menyertai
perubahan fisika.
- Transfer panas yang menyertai
perubahan kimia.
Yang termasuk dalam golongan pertama
(transfer panas yang menyertai perubahan fisika) :
a.
Panas sensible.
b.
Panas laten
c.
Panas pelarutan (tidak dibahas
dalam bab ini)
Sedang yang termasuk dalam golongan
kedua yaitu transfer panas yang menyertai perubahan kimia adalah panas reaksi.
a. Panas Sensibel
Panas sensibel adalah transfer panas
pada system yang mengakibatkan perubahan suhu, tanpa disertai :
- Terjadinya perubahan fase
- Reaksi kimia
- Perubahan komposisi
b. Panas laten
zat murni
Bila zat murni mengalami perubahan
fase pada tekanan tetap misalnya dari padat ke cair atau cair ke uap maka tidak
terjadi perubahan suhu.Perubahan enthalpy karena perubahan fase yang terjadi
pada suhu dan tekanan tetap terkenal dengan mana Panas laten.
c. Panas Reaksi Standar
Reaksi kimia selalu di ikuti dengan transfer panas atau
perubahan suhu dan kadang-kadang keduanya terjadi.Hal ini di sebabkan karena
adanya perbedaan struktur molekul antara reaktan dan produk menyebabkan
berubahnya enegi system (reaksi).
d. Panas pembakaran standard
Pada kenyataan hanya sedikit reaksi
pembentukan yang bisa di lalukan karena itu data untuk reaksi bentukan ini
biasanya di tentukan secara tidak langsung salah satu cara adalah melalui
percobaan mengenai reaksi pembakaran yang pengukuran menggunakan calorimeter.
BAB IV
PENETUP
Kesimpulan
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.
DAFTAR PUSTAKA
Artono
Koestoer, Raldi .”Perpindahan Kalor”. Salemba Teknika. Jakarta 2002
Holman,
JP. Alih bahasa E.Jasifi. “Perpindahan Kalor”. Penerbit Erlangga.Jakarta.1995
