bab iv pembahasan rini
TRANSCRIPT
BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-21
IV.2 Pembahasan
Pada percobaan, dilakukan proses perpindahan panas dalam suatu alat yang disebut
‘double pipe heat exchanger’ (penukar panas pipa ganda). Air digunakan sebagai fluida
pada aliran dingin maupun sebagai fluida pada aliran panas. Dimana aliran panas mengalir
di dalam pipa (inner pipe), sedangkan aliran dingin mengalir dalam annulus.
Yang dijadikan variabel pada percobaan ini adalah laju alir dari aliran panas dan
dingin, serta arah alirannya. Percobaan dilakukan pada aliran dingin konstan dan aliran
panas konstan, yang dilakukan dengan aliran Co-Current (searah) dan aliran Counter
Current (berlawanan arah). Dalam pengambilan datanya ditentukan 3 variabel untuk aliran
panas dan 3 variabel untuk aliran dingin. Data yang diambil selama percobaan adalah suhu
aliran panas masuk (T1) dan keluar (T2), serta suhu aliran dingin masuk (t1) dan keluar (t2).
Data diambil dalam rentang waktu kurang lebih 1 menit, hal ini dikarenakan
sedikitnya waktu untuk pengambilan data sedangkan banyak variabel yang harus di ambil.
Data-data yang diperoleh lalu diolah dalam perhitungan untuk perpindahan panas
dalam suatu ‘double pipe heat exchanger’, yang sebagian besar rumus serta metoda
perhitungannya diambil dari ‘Kern’ dan ‘Geankoplis’. Hasil dari perhitungan ditampilkan
dalam bentuk grafik hubungan antara variasi laju alir dengan LMTD, h i, ho, Ud, serta
effisiensi () dari perpindahan panas. Dan untuk berikutnya akan dibahas mengenai
pengaruh variasi laju alir tersebut terhadap variable-variabel yang telah disebutkan diatas,
berdasarkan grafik-grafik yang telah dibuat, disertai kecenderungan-kecenderungannya dan
teori-teori yang mendukungnya.
Berdasarkan percobaan dan perhitungan yang telah dilakukan, maka diperoleh hasil
sebagai berikut:
Laboratorium Operasi Teknik Kimia II
BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-22
1. Pengaruh Laju Alir terhadap LMTD
Grafik IV.2.1 Hubungan Vh terhadap LMTD, counter-current, pada aliran dingin konsta
Grafik IV.2.2 Hubungan Vh terhadap LMTD, co-current, pada aliran dingin konstan
Grafik IV.2.3 Hubungan Vc terhadap LMTD, counter-current, pada aliran panas konstan
Laboratorium Operasi Teknik Kimia II
BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-23
Grafik IV.2.4 Hubungan Vc terhadap LMTD, co-current, pada aliran di panas konstan
Sebanding dengan LMTD,Apabila Vc naik maka LMTD NAIK
Dari gambar IV.2.1 - IV.2.4 grafik hubungan antara Vh dengan LMTD pada Vc
konstan, Pada laju aliran dingin yang konstan, nilai LMTD nya bervariasi dan berfluktuasi,
baik untuk aliran yang Co-Current maupun untuk aliran yang Counter-Current. Untuk
aliran yang Co-Current nilai LMTD untuk masing-masing variasi aliran panas mempunyai
kecenderungan naik, namun hal ini tidak berlaku untuk keseluruhan, karena ada juga data
yang naik turun. Untuk aliran yang Counter-Current lebih konstan, meskipun nilai LMTD
dari masing-masing variasi aliran panas nilainya tidak sama dan juga memiliki
kecenderungan naik serta terdapat juga data yang naik turun. Hal yang mungkin untuk
menerangkannya, antara lain adalah karena belum stabilnya suhu yang dibaca, dimana
pembacaan suhu dilakukan pada saat suhu dari aliran, baik itu aliran panas maupun aliran
yang dingin, belum konstan masih terjadi kenaikan ataupun penurunan suhu. Nilai LMTD
pada aliran Counter-Current lebih konstan dan memiliki nilai yang lebih besar jika
dibandingkan dengan nilai LMTD pada aliran Co-Current, hal ini dikarenakan perpindahan
panas yang terjadi secara Counter-Current adalah lebih baik dibandingkan secara Co-
Current. Karena aliran secara Counter-Current ini memungkinkan untuk terjadinya
perpindahan panas yang maksimum jika tersedia suatu area perpindahan panas yang tak
berhingga(Geankoplis,Transport Processes and Unit Operations,P.272).
2. Pengaruh Laju Alir terhadap hi
Laboratorium Operasi Teknik Kimia II
BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-24
Gambar IV.2.5 Grafik Hubungan Vh terhadap hi, counter-current, pada aliran dingin
konstan
Gambar IV.2.6 Grafik Hubungan Vh terhadap hi, co-current, pada aliran dingin konstan
Laboratorium Operasi Teknik Kimia II
BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-25
Gambar IV.2.7 Grafik hubungan Vc terhadap hi, counter current, pada aliran panas konstan
Gambar IV.2.8 Grafik hubungan Vc terhadap hi, co-current, pada aliran panas konstan
Nilai hi dalam hal ini merupakan nilai yang menunjukkan koeffisien perpindahan
panas yang terjadi secara konveksi dalam aliran panas, yaitu nilai koeffisien perpindahan
panas yang terjadi pada fluida yang mengalir di dalam pipa. Oleh karena itu nilai hi ini
sangatlah dipengaruhi oleh perubahan yang terjadi pada aliran panas baik itu laju alirnya
maupun arah alirannya. Hal ini dapat dibuktikan dari grafik-grafik yang menghubungkan
antara variasi laju alir dengan nilai hi.
Laboratorium Operasi Teknik Kimia II
BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-26
Pada laju aliran dingin konstan, dapat dilihat pada grafik IV.2.5 – IV.2.8, nilai hi
naik dengan naiknya laju aliran panas (pada kondisi aliran dingin yang konstan). Hal
tersebut seperti telah disebutkan dikarenakan nilai hi ini merupakan koeffisisen perpidahan
panas secara konveksi yang terjadi untuk aliran dalam pipa, yaitu aliran panas tersebut.
Naiknya laju alir tentu saja akan memperbesar nilai hi. Karena dengan semakin besarnya
laju alir, sedangkan luas permukaan pipa yang digunakan adalah tetap, maka akan
memperbesar nilai kecepatan alirnya,seperti diketahui bahwa kecepatan alir dari suatu
fluida sangat lah berpengaruh pada nilai NRe. Untuk kondisi pipa yang digunakan adalah
sama, semakin tinggi laju alir, kecepatan alirnya akan semakin tinggi pula, sehingga NRe
pun semakin tinggi. Yang mana nilai NRe ini menunjukkan jenis alirannya apakah laminar,
transisi, ataupun turbulen. Dengan semakin besarnya nilai NRe maka aliran dari fluida
akan semakin turbulen. Dengan semakin turbulennnya aliran fluida maka dapat
memindahkan panas yang lebih besar, karena dalam kondisi tersebut tumbukan antar
molekul dalam fluida di aliran panas akan lebih sering terjadi, sehingga kemungkinan
perpindahan energi antar molekul akan lebih besar karena terjadinya arah kecepatan yang
seakan-akan mencampur fluida tersebut.
Seperti telah diketahui bahwa NRe merupakan suatu bilangan tak berdimensi yang
dinyatakan sebagai Dv/, suatu bilangan yang dipengaruhi oleh kecepatan, densitas,serta
viscositas dari fluida juga diameter dari pipa yang dilaluinya. Ditemukan bahwa untuk
aliran yang turbulen nilai Nre selalu diatas 2100 dan umumnya diatas 2100. Dengan
definisi bahwa perpindahan panas secara konveksi terjadi akibat adanya pencampuran,
dimana hal tersebut terpenuhi pada kondisi aliran yang turbulen, dan tidak dipenuhi oleh
aliran dalam kondisi laminar ..(Qern,Process Heat Transfer,P.29)
Naiknya nilai hi dengan adanyan kenaikan pada variasi laju alir panas terjadi baik
pada aliran Co-Current maupun pada aliran Counter-Current. Nilai hi pada aliran Counter-
Current sedikit lebih besar dibandingkan dengan nilai hi pada aliran Co-Current. Hal
tersebut menunjukkan bahwa arah aliran tidak begitu besar pengaruhnya terhadap nilai hi
ini, yang paling besar pengaruhnya adalah laju aliran panasnya, hal ini bisa di lihat dari
kecenderungannya .(Geankoplis,P.227)
3. Pengaruh Laju Alir terhadap ho
Laboratorium Operasi Teknik Kimia II
BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-27
Gambar IV.2.9 Grafik hubungan Vh terhadap ho, counter-current, pada aliran dingin
konstan
Gambar IV.2.10 Grafik hubungan Vh terhadap ho, co-current, pada aliran dingin konstan
Laboratorium Operasi Teknik Kimia II
BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-28
Gambar IV.2.11 Grafik hubungan Vc terhadap ho, counter current, pada aliran panas
konstan
Gambar IV.2.12 Grafik hubungan Vh terhadap ho, co-current, pada aliran panas konstan
Pada grafik IV.2.9 dan IV.2.12 hubungan antara Vh dengan ho semakin
besar fluida panas maka ho cenderung konstan pada laju alir fluida dingin (Vc) konstan,
baik untuk aliran co – current maupun counter current.
Nilai ho menunjukkan nilai koeffisien perpindahan panas yang juga terjadi secara
konveksi pada fluida yang di luar pipa, dalam hal ini fluida tersebut merupakan aliran
dingin yang mengalir di luar pipa yang berada dalam suatu annulus, sehingga aliran dingin
mengalir di dalam annulus. Sehingga dapat dengan jelas dipahami bahwa nilai ho pada
Laboratorium Operasi Teknik Kimia II
BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-29
percobaan ini sangatlah dipengaruhi oleh perubahan-perubahan yang terjadi pada aliran
dingin, yang sama seperti pada aliran panas, perubahan dilakukan pada laju alir serta arah
aliran.
Pada laju aliran dingin konstan pada grafik IV.2.9 – IV.2.12, nilai ho yang
diperoleh untuk setiap variasi aliran panas adalah konstan, yang mana hal ini menunjukkan
bahwa laju alir panas tidak lah berpengaruh pada nilai ho ini, hal ini terjadi baik untuk
aliran Co-current maupun untuk aliran Counter-Current. Namun untuk peningkatan laju
aliran dingin, dapat dilihat bahwa nilai ho nya juga meningkat. Fenomena ini juga dapat
dijelaskan dengan teori NRe yang telah diuraikan diatas. Serta nilai ho untuk setiap variasi
laju aliran dingin baik untuk aliran Co-Current maupun untuk aliran Counter-Current
hampir sama, sekali lagi menunjukkan bahwa arah aliran tidak berpengaruh koeffisien
perpindahan panas konveksi (ho) ini. Namun dalam grafik diatas terdapat penyimpangan
data, pada keempat grafik grafik ini, hal ini dimungkinkan terjadi karena ada kesalahan
pada pembacaan maupun pada proses perhitungan yang telah dilakukan. Namun hal
tersebut tidak mengganggu asumsi dari analisis grafik ini mengenai pengaruh laju alir
terhadap ho ini, karena sebagian besar data yang ada mengarah pada kecenderungan yang
telah diuraikan diatas.
4. Pengaruh Laju Alir terhadap Ud
Gambar IV.2.13 Grafik hubungan Vh terhadap Ud, counter-current, pada aliran dingin
konstan
Laboratorium Operasi Teknik Kimia II
BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-30
Gambar IV.2.14 Grafik hubungan Vh terhadap Ud, co-current, pada aliran dingin konstan
Gambar IV.2.15 Grafik hubungan Vc terhadap Ud, counter-current, pada aliran dingin
konstan
Laboratorium Operasi Teknik Kimia II
BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-31
Gambar IV.2.16 Grafik hubungan Vc terhadap Ud, co-current, pada aliran dingin konstan
Dari persamaan empiris terlihat bahwa Ud berbanding lurus dengan Q (jumlah
panas yang ditransfer), yaitu :
Q = W. Cp. T, dan
Ud=Q/A. LMTD.
Jadi, Ud ≈ Q ≈ W, sehingga semakin besar fluida yang mengalir akan semakin
besar pula kecepatan alirannya, maka harga Ud akan cenderung naik. Kecenderungan ini
dapat dilihat dari gambar grafik di atas baik untuk co-current maupun untuk counter-
current.
Laboratorium Operasi Teknik Kimia II
BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-32
5. Pengaaruh Laju Alir terhadap Efisiensi
Gambar IV.2.17 Grafik hubungan Vh terhadap efisiensi, counter-current, pada aliran
dingin konstan
Gambar IV.2.18 Grafik hubungan Vh terhadap efisiensi, co-current, pada aliran dingin
konstan
Laboratorium Operasi Teknik Kimia II
BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-33
Gambar IV.2.19 Grafik hubungan Vc terhadap efisiensi, counter-current, pada aliran panas
konstan
Gambar IV.2.20 Grafik hubungan Vc terhadap efisiensi, co-current, pada aliran panas
konstan
Grafik pengaruh laju alir terhadap effisiensi dapat dilihat pada grafik IV.2.16 -
grafik IV.2.20, pada aliran yang Co-Current maupun aliran Counter-current, didapatkan
nilai effisiensi yang yang mempunyai kecenderungan tersendiri. Pada aliran dingin konstan
Co-Current pada grafik IV.2.20 cenderung mengalami kenaikan effisiensi. Namun pada
aliran dingin konstan Counter-current pada grafik IV.2.17 dan IV.2.19 serta pada rate
dingin konstan Co-Current pada grafik IV.2.20 terlihat bahwa efisiensinya turun. Secara
teoritis efisiensi heat exchanger akan naik sebanding dengan kenaikan perbedaan antara
Laboratorium Operasi Teknik Kimia II
BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-34
laju alir air dingin masuk dan air panas masuk. Hal ini kemungkinan disebabkan pada saat
pengambilan data tidak dilakukan secara konsisten dan waktu yang digunakan (kurang
lebih 1 menit) untuk mengambil data kurang lama sehingga proses perpindahan panasnya
tidak berjalan maksimal.
Pada grafik dan data terlihat bahwa effisiensi dengan menggunakan aliran
Counter-Current lebih tinggi dibandingkan dengan effisiensi pada aliran Co-Current, hal
ini menunjukkan bahwa panas yang dipindahkan pada aliran counter-Current lebih besar
daripada panas yang dipindahkan pada aliran Co-Current.
Nilai effisiensi yang diperoleh berkisar dari 40% sampai 60%, hal ini menunjukkan
double pipe heat exchanger yang digunakan kurang dapat beroperasi dengan baik, yang
ditunjukkan bahwa kurang dari 50% panas yang dilepas oleh aliran panas yang dapat
diserap oleh aliran dingin.
Selain nilai LMTD, hi,ho,hio, dan effisiensi, di cari juga nilai Uc, Ud, dan Rd.
Dimana nilai Uc merupakan koeffisien perpindahan panas overal dalam keadaan bersih,
hubungannya dengan rate fluida diturunkan dengan persamaan 1/Uc = (1/hio) + (1/ho),
dimana Uc sebanding dengan hi dan ho, sedangkan hi dan ho sebanding dengan G. Jika
dibandingkan dengan Uc, harga Ud akan lebih kecil, karena Ud dipengaruhi oleh factor
kekotoran sehingga panas yang ditransfer oleh penukar panas akan lebih kecil
dibandingkan dalam keadaan bersih. Sedangkan hubungan antara Uc dan Ud dapat
dinyatakan dengan persamaan berikut:
Dimana Rd menunjukkan fouling factor dari heat exchanger.(Qern,Process Heat transfer,P.106-107)
Dodge memberikan definisi efisiensi heat exchanger sebagai rasio
jumlah pans yang dipindahkan dari fluida ke maksimum yang telah
dipindahkan.
Efisiensi heat exchanger pada aliran counter-current realatif lebih
besar daripada aliran co-current, karena dipengaruhi oleh adanya panas
yang dikeluarkan oleh fluida panas (Qh) dan panas yang diterima oleh
fluida dingin (Qc), serta adanya selilsih temperature fluida dingin
dengan fluida panas.
(Kern, D. Q, “Process Het Transfer”)
Laboratorium Operasi Teknik Kimia II
BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN IV-35
Effisiensi ditentukan dari perbandingan jumlah panas yang
ditransfer (dapat dinyatakan sebagai selisih suhu antara fluida masuk
dengan suhu keluarnya dan juga terhadapa panas yang diterima atau
dikeluarkan baik oleh fluida panas ataupun fluida dingin), sehingga
dengan adanya panas yang diterima atau dikeluarkan oleh fluida dapat
ditentukan dengan cara mengambil garis pertemuan antara
temperature fluida panas dengan temperature fluida dingin atau
didasarkan terhadap perbedaan panas akibat fluida dingin (Qc) dan
panas akibat fluida panas (Qh).
Terhadap panas maksimum yang mungkin untuk ditransfer (dapat
dinyatakan sebagai selisih suhu antara fluida masuk dengan suhu
keluarnya dan juga terhadapa panas yang diterima atau dikeluarkan
baik oleh fluida panas ataupun fluida dingin), sehingga dari grafik di
atas tampak bahwa effisiensi Heat Exchanger akan naik dengan naiknya
rate fluida panas dan akan turun dengan naiknya rate fluida dingin.
Pada aliran searah suhu fluida panas keluar tidak dapat mendekati suhu
fluida dingin masuk sehingga perpindahan panas aliran co-current lebih
kecil daripada conter-current.
Effisiensi Heat Exchanger pada aliran counter-current relatif lebih
besar daripada aliran co-current, karena dipengaruhi dengan adanya
panas yang dikeluarkan oleh fluid panas (Qh) dan panas yang diterima
oleh fluida dingin (Qc) serta dengan adanya selisih antara temperatur
fluida dingin dengan fluida panas.
(Kern, D. Q. “Process Heat Transfer”, hal. 119)
Heat Exchanger jenis memiliki perpindahan panas yang sangat
kecil. Hal ini dapat dilihat dari suhu air dingin yang keluar, di mana suhu
tersebut tidak terlalu berbeda jauh dengan saat masuk. Dan dari hasil
perhitungan effisiensi alat tersebut, bisa dikatakan bahwa lebih banyak
panas hilang daripada panas yang digunakan untuk memanaskan air
dingin yang masuk.
Laboratorium Operasi Teknik Kimia II