Bidang: Teknik KimiaMata kuliah: Perpindahan Panas atau Operasi Teknik KimiaSasaran: mahasiswa semester awal

Perpindahan Panas pada Penukar Kalor Pipa GandaDari aliran dua fluida sampai luas permukaan yang dibutuhkan

Modul ini mengikuti satu alat sederhana: dua pipa sepusat, satu fluida panas dan satu fluida dingin. Lima animasi dan beberapa simulasi akan membantu Anda melihat ke mana panas mengalir, bagaimana temperatur berubah sepanjang pipa, dan apa yang menentukan ukuran alat.

Tujuan pembelajaran

Setelah menggunakan modul, mahasiswa mampu:

  • menjelaskan aliran panas antara fluida panas dan dingin;
  • membedakan aliran searah dan berlawanan arah;
  • membaca profil temperatur sepanjang penukar kalor;
  • menghitung laju perpindahan panas;
  • menentukan LMTD;
  • menjelaskan pengaruh debit, suhu masuk, dan luas permukaan terhadap kinerja alat.
Bagian1

Pengenalan Alat

Animasi 1Aliran dua fluida
InteraksiMengubah susunan aliran, debit, dan suhu masuk

Penukar kalor pipa ganda memindahkan panas dari fluida panas ke fluida dingin tanpa mencampurkannya. Fluida panas mengalir di dalam pipa dalam, sedangkan fluida dingin mengalir di ruang annulus, yaitu ruang antara dinding luar pipa dalam dan dinding dalam pipa luar. Panas berpindah menembus dinding pipa dalam, sehingga dinding itulah luas permukaan perpindahan panasnya.

  • Pipa dalam: membawa salah satu fluida dan menjadi permukaan perpindahan panas.
  • Pipa luar: membentuk annulus untuk fluida kedua.
  • Nosel masuk dan keluar: tempat masuk dan keluarnya kedua fluida, sekaligus menentukan susunan aliran.

Alat ini dipakai untuk mendinginkan minyak pelumas atau produk proses dengan air, memanaskan umpan sebelum masuk reaktor, dan pada skala kecil hingga menengah karena sederhana, tahan tekanan tinggi, dan mudah ditambah panjangnya atau disusun seri.

Asumsi modulKondisi tunak, tanpa kehilangan panas ke lingkungan, sifat fluida dan koefisien U konstan, dan tanpa perubahan fase.
DinginPanas
Bagian2

Aliran Searah dan Berlawanan Arah

Animasi 2 dan 3Parallel flow dan counterflow
InteraksiMembandingkan profil temperatur dan efektivitas

Pada aliran searah (parallel flow) kedua fluida masuk dari sisi yang sama. Beda temperatur sangat besar di ujung masuk, lalu cepat mengecil, dan temperatur keluar fluida dingin tidak pernah melebihi temperatur keluar fluida panas.

DinginPanas

Pada aliran berlawanan arah (counterflow) kedua fluida masuk dari sisi berlawanan. Beda temperatur lebih merata sepanjang alat, sehingga untuk luas yang sama panas yang berpindah lebih besar, dan fluida dingin bahkan dapat keluar lebih panas daripada fluida panas yang keluar. Garis putus-putus pada animasi kedua menunjukkan aliran searah sebagai pembanding.

EfektivitasEfektivitas ε adalah perbandingan panas yang benar-benar berpindah dengan panas maksimum yang mungkin, ε = Q/[Cmin(Th,i − Tc,i)], dengan C = ṁcp. Suhu keluar pada animasi dihitung dari UA dengan metode efektivitas-NTU.
Bagian3

Neraca Energi

Interaksi 1Pengatur kondisi operasi
HasilQ dan temperatur keluar berubah langsung
Q = ṁh cp,h (Th,i − Th,o)
Q = ṁc cp,c (Tc,o − Tc,i)

Panas yang dilepas fluida panas sama dengan panas yang diterima fluida dingin. Laju alir dan kapasitas panas jenis menentukan seberapa cepat suatu fluida berubah temperatur: fluida dengan ṁcp besar berubah temperatur sedikit, fluida dengan ṁcp kecil berubah banyak.

Kondisi tetapAlat berukuran U = 500 W/m²K, A = 8 m², aliran berlawanan arah. Yang Anda ubah hanya kondisi operasi.
Bagian4

Beda Temperatur Rata-rata Logaritmik

Animasi 4Pembentukan LMTD
Interaksi 2Membandingkan aliran searah dan berlawanan arah
ΔTlm = ΔT1 − ΔT2ln(ΔT1 / ΔT2)

Beda temperatur antara dua fluida berubah sepanjang alat, sehingga gaya pendorong perpindahan panas tidak konstan. LMTD adalah rata-rata yang tepat bagi profil temperatur eksponensial. ΔT1 dan ΔT2 adalah beda temperatur di kedua ujung: pada aliran searah ΔT1 = Th,i − Tc,i dan ΔT2 = Th,o − Tc,o. Pada aliran berlawanan arah ΔT1 = Th,i − Tc,o dan ΔT2 = Th,o − Tc,i.

Tekan tombol konfigurasi. Area oranye di antara dua kurva menunjukkan beda temperatur, dan batang di sisi kanan membandingkan gaya pendorong kedua konfigurasi pada kondisi masuk dan UA yang sama.

Kondisi tetapU = 500 W/m²K. Bila ΔT1 = ΔT2, LMTD sama dengan nilai tersebut.
Bagian5

Pengaruh Luas dan Koefisien Perpindahan Panas

Animasi 5Perubahan luas permukaan
Interaksi 3Eksperimen virtual
Q = UA ΔTlm

Laju perpindahan panas naik bila koefisien perpindahan panas menyeluruh U atau luas A bertambah. Namun Q tidak bisa melebihi Qmaks = Cmin(Th,i − Tc,i), sehingga penambahan luas memberi tambahan yang makin kecil.

Animasi 5. Geser luas permukaan untuk memanjang atau memendekkan pipa (diameter luar pipa dalam 50 mm) dan lihat titik operasi bergerak pada kurva Q terhadap A.

Eksperimen virtual. Ubah U, A, debit, dan temperatur masuk. Simulator menampilkan Q, temperatur keluar, LMTD, dan grafik temperatur, serta memberi peringatan bila kombinasi data tidak masuk akal secara fisis.

Pasangan fluida (perkiraan)U tipikal, W/m²K
Air ke air850 sampai 1700
Minyak ke air110 sampai 350
Bagian6

Studi Kasus Industri

AktivitasMemasukkan data dan menjalankan simulasi
LuaranAlasan pemilihan konfigurasi

Minyak panas didinginkan menggunakan air dalam penukar kalor pipa ganda. Tentukan kebutuhan luas perpindahan panas dan pilih konfigurasi aliran yang lebih efektif.

Minyak (cp = 2,1 kJ/kg·K) harus didinginkan sampai temperatur target dengan air (cp = 4,18 kJ/kg·K). Isi data, tekan Jalankan simulasi, lalu bandingkan luas yang dibutuhkan kedua konfigurasi. Luas dihitung dari A = Q/(UΔTlm). Bila debit air terlalu kecil, aliran searah bisa menjadi mustahil karena temperatur air keluar melebihi temperatur minyak keluar.

AirMinyak

Pilihan dan alasan Anda

Konfigurasi mana yang Anda pilih?

Alasan Anda

Bagian7

Evaluasi

Isi3 soal konseptual, 2 soal numerik
AktivitasPrediksi sebelum simulasi dan umpan balik otomatis

Prediksi sebelum simulasi

Soal

Untuk soal numerik, isikan angka dengan koma atau titik desimal; toleransi jawaban 3%.