Capaian Pembelajaran
Menjelaskan pengertian penukar kalor beserta jenis-jenisnya.
Melakukan analisis penukar kalor menggunakan metode LMTD dan metode effectiveness-NTU.
4.1 Pengantar
Penukar kalor adalah perangkat yang menjadi tempat terjadinya pertukaran kalor antara dua fluida yang mempunyai temperatur berbeda. Pada penukar kalor fluida panas melepaskan kalor dan diterima oleh fluida dingin. Fungsi dari suatu penukar kalor hampir sama dengan mixing chamber, namun bedanya adalah pada penukar kalor kedua fluida tidak bercampur, sedangkan pada mixing chamber kedua fluida bercampur. Penukar kalor mempunyai banyak aplikasi. Beberapa contoh perangkat penukar kalor antara lain kondenser dan evaporator pada sistem pengkondisi udara, radiator pada kendaraan, serta penukar kalor pada industri proses dan pembangkitan tenaga.
4.2 Koefisien Perpindahan Kalor Keseluruhan
Pada suatu penukar kalor umumnya terdapat dua aliran fluida yang dipisahkan oleh suatu dinding. Kalor berpindah dari fluida panas ke dinding melalui konveksi, melintasi dinding dengan cara konduksi dan dari dinding ke fluida dingin kembali melalui konveksi. Efek radiasi biasanya sudah tercakup pada koefisien perpindahan kalor konveksi.
PERPINDAHAN PANAS HALAMAN 65 Gambar 4-1 Jaringan Resistansi Termal Pada Dinding Pipa
Jika kedua fluida dipisahkan oleh dinding berbentuk pipa/tube (gambar 4.1) maka resistansi termal dinding pipa adalah
Sehingga resistansi termal total adalah
Dengan adalah luas permukaan dalam pipa dan adalah luas permukaan luar pipa. Dalam pembahasan penukar kalor persamaan laju aliran kalor lebih sering dituliskan sebagai
Dengan U adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan dengan satuan W/m2.°C. Hubungan antara U dengan R adalah
Dengan Ui dan Uo masing-masing adalah koefisien perpindahan kalor pada sisi permukaan dalam dan luar. Jika dinding pipa cukup tipis dan nilai konduktivitas termal material pipa tinggi, maka resistansi termal pipa menjadi sangat kecil dan serta luas permukaan dalam dan luar pipa hampir sama maka persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi
Unjuk kerja suatu penukar kalor lama kelamaan akan menurun seiring dengan terjadinya lapisan kerak (fouling) pada permukaan dalam dan luar pipa. Lapisan kerak ini menambah resistansi termal pada perpindahan kalor. Kerak dapat disebabkan antara lain oleh pengendapan zat padat yang terdapat pada fluida, karat, dan lumut. Parameter yang digunakan untuk menyatakan pengaruh kerak pada perpindahan kalor di suatu penukar kalor disebut faktor kerak (fouling factor). Faktor kerak tergantung pada banyak hal, di antaranya temperatur operasi dan kecepatan aliran fluida. Semakin tinggi temperatur operasi dan semakin rendah kecepatan aliran fluida, maka semakin besar nilai faktor kerak. Dengan memasukkan faktor kerak maka persamaan koefisien perpindahan kalor keseluruhan menjadi
Dengan R f,i dan R f,o adalah faktor kerak pada permukaan dalam dan luar pipa. 4.3 Metode LMTD (Log Mean Temperatur Difference)
Perbedaan temperatur antara fluida panas dan dingin bervariasi sepanjang penukar kalor.Untuk itu digunakan perbedaan temperatur rata-rata untuk menghitung
laju aliran kalor sesuai persamaan
LMTD adalah perbedaan temperatur rata-rata logaritmik (log mean temperature difference = LMTD) yang merupakan bentuk perbedaan temperatur rata-rata yang digunakan dalam perhitungan laju aliran kalor pada penukar kalor dan dinyatakan
sebagai
dengan LMTD adalah perbedaan temperatur antara kedua fluida pada kedua ujung (inlet dan outlet) dari suatu penukar kalor. Gambar 8-2 menunjukkan LMTD masing-masing untuk penukar kalor aliran paralel dan aliran berlawanan.
Gambar 4.2Penukar Kalor Pipa Ganda
Untuk temperatur inlet dan outlet tertentu LMTD untuk penukar kalor aliran berlawanan selalu lebih besar dibandingkan dengan LMTD penukar kalor aliran paralel, sehingga luas permukaan perpindahan kalor pada penukar kalor aliran berlawanan selalu lebih kecil dibanding penukar aliran kalor paralel untuk laju aliran kalor tertentu. Hal inilah yang menyebabkan penukar kalor aliran berlawanan lebih sering digunakan. Suatu kondenser atau boiler dapat menerapkan penukar
PERPINDAHAN PANAS HALAMAN 67 kalor aliran berlawanan maupun paralel, karena keduanya memberikan hasil yang sama. LMTD yang telah dipelajari sebelumnya hanya dapat diterapkan pada penukar kalor jenis pipa ganda.
Untuk penukar kalor aliran silang dan jenis shell and tube digunakan persamaan
Dengan F adalah faktor koreksi yang tergantung pada geometri penukar kalor serta temperatur inlet dan outlet fluida.
lm,adalah LMTD untuk penukar kalor aliran berlawanan sehingga
Nilai faktor koreksi dapat dicari menggunakan Gambar 8-5 hingga Gambar 8-6. Pada gambar-gambar tersebut tertera nilai F adalah fungsi dari P dan R yaitu
Subskrip 1 dan 2 masing-masing menunjukkan kondisi inlet dan outlet. Pada jenis shell and tube, T dan t masing-masing menunjukkan temperatur pada sisi shell dan tube. Nilai P mempunyai rentang antara 0 dan 1, sedangkan nilai R bervariasi antara 0 dan tak-hingga. R = 0 menunjukkan perubahan fase(kondensasi atau pendidihan) pada sisi shell dan R bernilai tak-hingga menunjukkan perubahan fase pada sisi tube. Faktor koreksi F pada kondenser dan boiler adalah selalu bernilai 1.
Gambar 4.3a Faktor koreksi untuk 1 laluan shell dan kelipatan 2 laluan tube
Gambar 4.3b Faktor koreksi untuk 2 laluan shell dan kelipatan 4 laluan tube
Gambar 4.3c Faktor koreksi untuk penukar kalor aliran silang, kedua fluida tak bercampur
Gambar 8-6 Faktor koreksi untuk penukar kalor aliran silang, salah satu fluida bercampur, lainnya tak bercampur.
PERPINDAHAN PANAS HALAMAN 69 Contoh soal 4.1
Uap air dalam suatu kondenser dikondensasikan pada temperatur 30°C menggunakan air pendingin yang masuk pipa kondenser pada 14°C dan keluar pada 22°C. Luas permukaan pipa dalah 45m2 dan koefisien perpindahan kalor keseluruhan adalah 2100 W/m2.
Hitung (a) laju aliran massa air pendingin yang diperlukan (b) laju kondensasi uap pada kondenser
Gambar 4.4 Skema Untuk Contoh 4.1 Penyelesaian :
Sehingga laju aliran air pendingin adalah
Contoh soal 4.2
Suatu pipa ganda aliran berlawanan digunakan untuk memanaskan air dari 20°C menjadi 80°C dengan laju aliran 1.2kg/s. Pemanasan dilakukan menggunakan air geotermal yang bertemperatur 160°C dengan laju aliran massa 2 kg/s. Pipa bagian dalam berdinding tipis dan berdiameter 1.5 cm. Jika koefisien perpindahan kalor keseluruhan dari penukar kalor adalah 640 W/m2.°C, hitung (a) temperatur air geotermal keluar penukar kalor (b) panjang penukar kalor yang diperlukan.
Gambar 4.5 Skema Contoh Soal 4.3 Penyelesaian :
PERPINDAHAN PANAS HALAMAN 71 LMTD
Contoh soal 4.3
Suatu penukar kalor jenis 2 shell pass and 4 tube pass digunakan untuk memanaskan gliserin dari 20°C menjadi 50°C menggunakan air panas yang masuk pada 80°C dan keluar pada 40°C dalam pipa berdiameter 2 cm. Panjang total pipa adlaah 60 m.Koefisien konveksi pada sisi gliserin dan air panas masing-masing adalah 25 W/m2.°C dan 160W/m2.°C. Hitung laju perpindahan kalor pada penukar kalor tersebut (a) sebelum ada kerak yang terjadi (b) setelah terdapat kerak dengan faktor kerak 0.0006m2.°C/W pada luar permukaan pipa.
Penyelesaian :
Contoh soal 4.4
Pada suatu radiator mobil terdapat 40 tube yang berdiameter 0.5cm dan panjang 65 cm. Air masuk pada 90°C dengan laju 0.6 kg/s serta keluar pada 65°C. Udara melintasi tube dan dipanaskan dari 20°C menjadi 40°C. Keduanya, air dan udara, tidak bercampur. Hitung laju perpindahan kalor keseluruhan berdasarkan luas permukaan dalam tube.
PERPINDAHAN PANAS HALAMAN 73 Gambar 4.7 Skema untuk Contoh 4.4
Koefisien perpindahan kalor keseluruhan dihitung melalui persamaan berikut
Metode LMTD ini mudah digunakan dalam analisis penukar kalor jika temperatur inlet dan outlet fluida panas dan dingin pada suatu penukar kalor telah diketahui. Sehingga metode ini cocok untuk digunakan menentukan ukuran penukar kalor atau laju aliran kalor jika laju aliran massa dan temperatur pada
semua kondisi telah diketahui.
4.4 Metode Effectiveness-NTU
Pada analisis penukar kalor sering dijumpai problem penentuan laju aliran kalor atau temperatur outlet fluida panas dan dingin jika laju aliran massa, temperatur inlet, serta ukuran penukar kalor telah diketahui. Dalam penyelesaian problem ini metode LMTD dapat digunakan, namun memerlukan proses iterasi. Metode yang lebih praktis untuk penyelesaian problem ini adalah menggunakan metode effectiveness-NTU seperti yang diusulkan oleh Kayes dan London pada tahun 1955.
Pada metode ini digunakan parameter tak-berdimensi, yaitu effectiveness
Untuk menghitung laju aliran aktual digunakan persamaan
adalah laju kapasitas kalor dari fluida panas dan dingin.
Untuk menghitung laju aliran kalor maksimum yang mungkin terjadi digunakan persamaan
Dengan Cmin adalah nilai terkecil dari
Untuk menghitung nilai Qmaxperlu diketahui terlebih dahulu temperatur inlet fluida panas dan dingin serta laju aliran massanya. Jika effectiveness telah dapat diketahui
PERPINDAHAN PANAS HALAMAN 75 Sehingga laju perpindahan kalor dapat diperoleh tanpa perlu mengetahui temperatur outlet fluida. Nilai effectiveness dapat dicari dengan dua cara, yaitu mengunakan persamaan pada tabel ataupun melihat pada gambar. Untuk menentukan nilai effectiveness perlu dihitung terlebih dahulu NTU dan rasio kapasitas. NTU (Number of Transfer Unit) dihitung menggunakan persamaan
Dengan U adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan dan A adalah luas permukaan penukar kalor. Nilai NTU menentukan ukuran penukar kalor, semakin besar nilai NTU maka semakin besar pula ukuran penukar kalor.
Rasio kapasitas adalah
Khusus untuk penukar kalor yang melibatkan perubahan fase (kondenser dan boiler) maka nilai effectiveness adalah
Tabel 8-2 Persamaan Untuk Menentukan Nilai NTU
Contoh soal 4.5
Suatu pipa ganda aliran berlawanan digunakan untuk memanaskan air dari 20°C menjadi 80°C dengan laju aliran 1.2kg/s. Pemanasan dilakukan menggunakan air geotermal yang bertemperatur 160°C dengan laju aliran massa 2 kg/s. Pipa bagian dalam berdinding tipis dan berdiameter 1.5 cm. Jika koefisien perpindahan kalor keseluruhan dari penukar kalor adalah 640 W/m2.°C, hitung (a) temperatur air geotermal keluar penukar kalor (b) panjang penukar kalor yang diperlukan.
PERPINDAHAN PANAS HALAMAN 77 Penyelesaian :
Contoh soal 4.6
Oli panas didinginkan dengan air pada suatu penukar kalor berjenis 1 shell pass and 8 tube pass. Tube terbuat dari tembaga dengan diameter internal 1.4 cm. Panjang 1 laluan tube adalah 5 m serta koefisien perpindahan kalor keseluruhan adalah 310 W/m2. Air mengalir pada tube dengan laju aliran 0.2 kg/s sedangkan oli pada shell dengan laju aliran 0.3 kg/s. Air dan oli masuk masing-masing pada temperatur 20°C dan 150°C. Hitung (a) laju aliran kalor pada penukar kalor (b) temperatur air dan oli keluar penukar kalor.
Gambar 4.9 Skema Untuk Contoh 4.6 Penyelesaian
PERPINDAHAN PANAS HALAMAN 79 Maka diperoleh nilai efektivenes adalah