Analisis Efektivitas Alat Penukar Kalor Shell & Tube Dengan Medium Air Sebagai Fluida Panas dan Methanol Sebagai Fluida Dingin

DAFTAR PUSTAKA

[1] Abprogetti (2015). Heat Exchanger. From http://www.abprogetti.com/heat-exchangers.html, 22 Juli 2015.

[2] Denso (2012) . Automotive Aftermarket. From http://www.denso-am.co.uk/products/automotive-aftermarket/thermal/ac-components/

[3] Heat Transfer in Agitated Jacketed Vessels, 'Robert Dream', Chemical Engineering, January 1999

[4] Lumasis (2015). Heat Exchanger Design. From http://www.hed-inc.com/brochure.jpg

[5] Incropera, Frank P., David P. Dewitt. 1985. Fundamentals of Heat and Mass

Transfer, Second Edition. John Wiley & Sons Inc. : New York

[6] Kevin (2015). Heat Exchanger. From http://www.real-world-physics-problems.com/heat-exchanger.html, 22 Juli 2015.

[7] Kister, Henry Z. (1992). Distillation Design (1st ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-034909-6.

[8] Muchlis (2013).Alat Penukar Kalor. From

http://muchlis88.blogspot.com/2011/01/8-alat-penukar-kalor.html, 22 Juli 2015.

[9] Rakshan (2011).Indiamart. From

http://www.indiamart.com/rakshan-equipments/oil-coolers-heat-exchangers.html

[10] Sadik Kakac and Hongtan Liu (March 2002). Heat Exchangers: Selection,

Rating and Thermal Design (2nd Edition ed.). CRC Press. ISBN

0-8493-0902-6.

[11] Sindia (2012).Water Heat Exchanger. From

[12] Surya (2014). Heat Exchanger (ALCO and BOS-HATTAN). From

ht tp://suryamanikam.com/products/peerless-mfg-co/heat-exchangers-alco-and-bos-hatten/, 22 Juli 2015.

[13] Word Press (2015). Electric Car Heater . From http://electriccarheater.net/electric-heater

[14] York Chillers (2015).Wood Mechanical. From https://www.woodmechanical.com/

[15] Yunus A. Cengel.2002. HeatTransfer A Practical Approach, Second

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian

3.1.1 Tempat Penelitian

Tempat penelitian merupakan lokasi pengerjaan penelitian dikerjakan guna membuktikan kebenaran dari penelitian. Penelitian mengenai analisis pengaruh variasi kapasitas aliran fluida panas dan dingin dengan temperatur masuk fluida panas yang juga divariasikan dan dilakukan di laboratorium Instalasi Tenaga Uap Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara, Medan.

3.1.2 Waktu Penelitian

Waktu penelitian dikerjakan selama 3 hari yaitu pada tanggal 16 Desember 2015 sampai dengan tanggal 18 Desember 2015.

3.2 Metode Penelitian

Penelitian ini dikerjakan dengan metode eksperimen dan merupakan penelitian kuantitatif yaitu memaparkan secara jelas hasil eksperimen di laboratorium terhadap variabel yang sebelumnya telah ditentukan. Kemudian data yang diperoleh dari hasil eksperimen akan disajikan dalam bentuk grafik hubungan antara variabel bebas dan terikat.

Metode eksperimen menurut Suharsimi Arikunto (1996) adalah suatu cara mencari hubungan sebab akibat (hubungan kausial) antara dua faktor yang sengaja ditimbulkan oleh peneliti dengan menyisihkan faktor-faktor yang lain yang bisa mengganggu penelitian. Penelitian ini dikerjakan untuk mengetahui pengaruh variasi kapasitas aliran dengan suhu yang konstan terhadap efektivitas alat penukar kalor shell and tube

3.3 Populasi dan Sampel

3.3.1 Populasi Penelitian

Populasi adalah keseluruhan objek penelitian (Suharsimi Arikunto, 1996:115). Populasi dalam penelitian ini adalah laju aliran massa yang bervariasi terhadap temperature masuk fluida panas yang konstan.

3.3.2 Sampel Penelitian

Sampel yang digunakan dalam penelitian ini adalah kapasitas aliran fluida panas alat penukar kalor shell and tube yaitu 108 L/j , 180 L/j, 300 L/j , dengan temperatur masuk fluida panas yaitu sebesar 40oC. kemudian variasi kapasitas aliran juga diuji pada temperatur masuk fluida panas lainnya yaitu 50oC dan 60oC. Selanjutnya untuk laju aliran fluida dingin divariasikan menjadi dua yaitu 108 L/j , 180 L/j, 300 L/j. Masing-masing variasi kapasitas aliran dan suhu diambil sebanyak 1 kali dikarenakan kapasitas fluida dingin yang sangat terbatas, sehingga jumlah keseluruhan data menjadi 48 data.

Tabel 3.1 variasi sampel penelitian

1 108

Tujuan digunakannya teknik sampling adalah menentukan seberapa banyak sampel yang akan diambil. Teknik sampling yang akan digunakan untuk mengumpulkan data dari berbagai sumber data adalah purposive

sampling. Yaitu teknik pengambilan data dimana apa dan dan siapa yang

data yang dikumpulkan dari pihak yang terkait langsung dengan permasalahan yang diteliti.

Penelitian dilakukan dengan menguji alat penukar kalor tabung shell and tube dengan variasi-variasi yang telah ditentukan guna mendapatkan hasil perbandingan perhitungan hasil percobaan dan hasil teori.

3.4 Teknik Pengumpulan Data

Pengumpulan data yang akan dikerjakan adalah pengumpulan data primer serta data sekunder. Dalam hal ini data sekunder berfungsi sebagai data pendukung sebagai referensi penelitian. Didalam pengumpulan data ada beberapa variabel. Variabel itu sendiri adalah objek penelitian (Suharsimi Arikunto, 1993 : 91). Adapun variabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah :

1) Variabel Bebas

Variabel bebas merupakan himpunan sejumlah gejala yang memiliki aspek atau unsur, yang berfungsi mempengaruhi atau menentukan munculnya variabel lain yang disebut dengan variabel terikat. Variabel bebas menentukan perubahan yang akan terjadi terhadap variabel terikat. Dengan kata lain jika variabel bebas berubah maka akan terjadi perubahan pula terhadap variabel terikat. Adapun yang menjadi variabel bebas pada penelitian ini adalah kapasitas aliran fluida dingin dan suhu masukan fluida dingin yang dibuat konstan. Kapasitas aliran fluida dingin yang akan digunakan pada penelitian ini adalah 1,8 l/m (108

l/j), 3 l/m (180 l/j), 5 l/m (300 l/j). Pemilihan kapasitas aliran tersebut

dengan tujuan mendapatkan aliran laminar,transisi dan turbulen. Kapasitas aliran tersebut akan diuji masing-masing pada temperatur masuk fluida panas 40oC, 50oC, dan 60oC. Pada fluida dingin suhu yang digunakan adalah suhu metanol .

2) Variabel Terikat

terhadap sesuatu yang lain. Variabel terikat dalam penelitian ini adalah efektifitas alat penukar kalor tabung shell and tube.

3) Variabel Kontrol

Variabel kontrol adalah himpunan sejumlah gejala yang memiliki berbagai aspek atau unsur di dalamnya, yang berfungsi untuk mengendalikanagar variabel terikat yang muncul bukan karena variabel lain, tetapi benar-benar karena variabel bebas yang telah ditentukan. Pengendalian variabel ini digunakan agar tidak ada hal variabel yang mempengaruhi variabel terikat dalam hal ini efektifitas alat penukar kalor tabung shell and tube selain dari variasi kapasitas aliran serta temperature suhu masukan.

Pengendalian ini akan menghasilkan variabel terikat yang benar-benar diinginkan karena sebelumnya kita telah mengontrol setiap variabel lain tidak ada yang mempengaruhi selain dari variabel bebas yang telah ditentukan.

Variabel kontrol dalam penelitian ini adalah : 1. Alat pengujian

2. Isolasi pada alat penukar kalor 3. Alat ukur yang digunakan

3.5 Instrumen Penelitian

Instrumen penelitian yang digunakan untuk melaksanakan penelitian ini meliputi :

3.5.1 Bahan Penelitian

Bahan penelitian yang digunakan di dalam penelitan ini adalah air sebagai fluida panas dan methanol sebagai fluida dingin.

3.5.2 Alat Penelitian

Gambar 3.1 alat penukar kalor shell and tube

Alat uji diatas merupakan alat penukar kalor shell and tube yang dirancang oleh Rudianto. Adapun bagian-bagian dari alat tersebut adalah sebagai berikut :

1) Alat Ukur

Pada alat penukar kalor ini terdapat beberapa alat ukur yaitu alat ukur suhu, kapasitas aliran serta pengatur berapa suhu masukan fluida panas yang akan dimasukan.

Adapun penjelasan dari alat-alat ukur tersebut adalah sebagai berikut :

1. Termometer

Gambar 3.2 Termometer 2. Alat Ukur Kapasitas Aliran (Flowmeter)

Alat ukur ini bertujuan mengetahui berapa kapasitas aliran yang terjadi pada masing-masing pipa yaitu pada pipa yang mengalirkan fluida panas dan pipa yang mengalirkan fluida dingin. Adapun gambar dari alat ukur tersebut adalah sebagai berikut.

3. Alat pengatur suhu (Termostat)

Alat ini berfungsi untuk mengatur berapa panas yang akan diberikan kepada air yang akan digunakan sebagai fluida pemanas di dalam penelitian ini. Berikut ini adalah gambar alat pengatur suhu yang akan digunakan.

Gambar 3.4 alat pengatur suhu fluida panas 2) Pompa

Pompa digunakan untuk mengalirkan fluida panas di dalam alat penukar kalor sedangkan fluida dingin dialirkan melalui keran yang terdapat di dekat apk tersebut. Adapun gambar dari pompa tersebut adalah sebagai berikut.

Gambar 3.5 Pompa fluida panas

3. Water heater

Gambar 3.6 Water Heater

3) Tabung Shell and Tube

Pada tabung ini terjadi perpindahan kalor dari fluida panas ke fluida dingin begitu juga sebaliknya tergantung tujuan dari penggunaannya apakah untuk pendinginan atau pemanasan. Berikut adalah gambar dari tabung shell and tube yang akan digunakan pada penelitian ini.

Gambar 3.7 tabung shell and tube Spesifikasi :

Diameter laluan pipa dalam : 12 mm Panjang laluan pipa dalam : 2.7 m Diameter tabung luar : 70 mm

Bahan pipa dalam : Tembaga

Bahan pipa luar : Besi murni

3.5.3 Skema Uji Penelitian

Tangki Panas Tangki Dingin

F

I FI

Tangki Panas Pompa Aquarium

Centrifugal

Stop Kran

Flowmeter Alat Penukar Kalor Shell and Tube

Fluida Panas _{Fluida Dingin}

Fluida Panas

Pompa Aquarium Centrifugal

Fluida Dingin Stop Kran

Pompa Aquarium Centrifugal

Flowmeter

Stop Kran

Gambar 3.8 Skema Uji Penelitian

3.5.4 Diagram Alir Proses Penelitian

STUDI LITERATUR

PERHITUNGAN DIMENSI ALAT PENUKAR KALOR

PERAKITAN ALAT PENUKAR KALOR

PERHITUNGAN EFEKTIFITAS ALAT PENUKAR KALOR

Variasi : Temperatur masuk fluida panas 40°C, 50°C, 60°C diambil untuk kapasitas aliran air panas 510 l/j pada kapasitas aliran air dingin 108 l/ jam, 180 l/jam, 300 l/j l/ jam

UJI COBA MULAI

SELESAI

PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA

3.5.5 Proses Percobaan

Proses pengujian terdiri dari beberapa langkah-langkah yaitu sebagai berikut :

1. Memasukkan air ke dalam tangki persedian air.

2. Masukkan air ke dalam tangki air panas dan metanol ke dalam tangki air dingin, kedua tangki tersebut diisi sampai penuh. 3. Jalankan pompa air panas dan sirkulasi air panas..

4. Periksa alat pemanas listrik dengan saklar pada on.

5. Atur katup sesuai dengan kapasitas aliran yaitu108 l/j, 180 l/j, 300 l/j. Atur thermostat sebesar 40oC untuk menentukan suhu fluida panas.

6. Catat data suhu keluaran yang dapat dilihat pada instrument alat ukur yaitu termometer.

BAB IV

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Metode Penelitian

Metode analisa data yang diterapkan adalah dengan cara membandingkan data yang diambil dari lapangan yaitu temperatur air panas keluar (Th,o) dan temperatur fluida dingin keluar (Tc,o) terhadap hasil perhitungan secara teori dengan metode NTU

Untuk perhitungan secara teori digunakan metode NTU karena yang diketahui hanya suhu masuk dan suhu keluar , selanjutnya hasil perhitungan secara menyeluruh akan ditampilkan dalam bentuk tabel. Temperatur fluida panas masuk (Th,i) 40 °C , 50°C ,60°C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 28 °C pada debit masuk fluida panas 510l/jam dan variasi debit masuk fluida dingin 108l/jam, 180 l/jam, 300 l/jam. Fluida yang dianalisis sebagai fluida panas adalah air dan fluida dingin adalah metanol.

Pada APK terdapat 1 cangkang dan 2 laluan pipa dalam. Diameter pipa cangkang dan pipa dalam APK adalah 70mm dan 12mm. Panjang dari pipa cangkang adalah 1.35m sedangkan panjang laluan pipa dalam adalah 2.7m

Gambar 4.1 Dimensi APK tabung shell and tube Misalkan:

Iterasi I

 Tho = 50oC (323K) maka

 didapat harga sifat fisik sebagai berikut,

ρ = 988,1 kg/m3 Cp = 4181 J/kgK

Pr = 3,55 μ= 5,47.10-4 Pa.s k= 0.644 W/mK.

ρ = 780.96 kg/m3 Cc = 2564.6 /kgK Pr = 6.7804 μ = 5.2444.10-4 Pa.s k=0,19814 W/mK.

Tabung Pipa Dalam (fluida panas)

Qh = 510 L/j = 0.00014167 m3/s

ṁh = ρ.Qh = 988,1 kg/m3 . 0.00014167 m3/s = 0,139984127 kg/s Reh =

= ) = 27153.15755 (aliran turbulen) f = (0,79 ln(Re)-(1,64))-2

f = (0,79 ln(27153.15755)-(1,64))-2 f = 0.024222

Nu =

Nu =

Nu = 145.908 hh =

= = 7830.37 W/m2K

Tabung Cangkang (fluida dingin)

Qc = 108 L/j = 0.00003 m3/s

ṁc = ρ.Qc = 780.96 kg/m3 . 3.10-5m3/s = 0.02343 kg/s

Rec =

= = 685.656 (aliran laminar)

f = 0.08075

Nuc =

Nu =

Nu = 6.3735 hc =

= = 22.1552 W/m2K

Ai =  Di L = 3,14 (0,012) (2.7) = 0,10174 m2

Ao =  Do L = 3,14 (0,066) (1.35) = 0,279774 m2

kpipa = 410 W/m.K (Pipa Tembaga)

= + +

= + +

U = 22.0914 W/m2K

Ch= ṁh cp,h= 0,13998 (4181) = 585.26 W/K...

Cc= ṁc cp,c= 0.02343 (2564.6) = 60.0855 W/K... c = Cmin/ Cmax = 60.0855 / 585.26 = 0.10266 W/K

NTU = UAs/Cmin = 22.0914 / 60.0855 = 0,02026 NTU1 = NTU / Np = 0.02026 / 2 = 0.01013049

Eparalel = 2 x

= 0,97382

Karena Cc = Cmin maka rumus keefektifan ε ε =

0.97382=

= 30.1995 °C

Mendapatkan harga Tco digunakan kesetimbangan entalpi

Ch(Th,i – Th,o)= Cc (Tc,o – Tc,i)

585.26(50 –Th,o) = 60.0855 (30.1995 – 28)

Th,o = 47.8005°C

 Th yang didapat = (50+47.8005)/2= 48.9003oC tidak sama dengan pemisalan 50oC

 Tc yang didapat = (28+30.1995)/2 = 29.0997oC tidak sama dengan pemisalan 28oC

Iterasi II

 Tho = 48.9003oC (321.9003K) maka  didapat harga sifat fisik sebagai berikut,

ρ = 988,54944 kg/m3 Cp = 4180.78005 J/kgK Pr = 3.62918186 μ= 5,5778.10-4 Pa.s k= 0.644 W/mK.

 Tco = 29.099748oC (302.099748K) maka didapat harga sifat fisik sebagai berikut,

ρ = 779.937234 kg/m3 Cc = 2571.41844 /kgK

Pr = 6.69329996 μ = 5.1584.10-4 Pa.s k=0,19806302 W/mK.

Tabung Pipa Dalam (fluida panas)

Qh = 510 L/j = 0.00014167 m3/s

f = (0,79 ln(Re)-(1,64))-2 f = (0,79 ln(26653.5)-(1,64))-2 f = 0.02433

Nu =

Nu =

Nu = 144.947 hh =

= = 7760.2 W/m2K

Tabung Cangkang (fluida dingin)

Qc = 108 L/j = 0.00003 m3/s

ṁc = ρ.Qc = 779.937234 kg/m3 . 3.10-5m3/s = 0.0234 kg/s

Rec =

= = 696.175 (aliran laminar)

f = 64 / Re f = 64 / 696.175 f = 0.0802

Nuc =

Nu =

hc =

= = 22.1599 W/m2K

Ai =  Di L = 3,14 (0,012) (2.7) = 0,10174 m2

Ao =  Do L = 3,14 (0,066) (1.35) = 0,0279774 m2

kpipa = 410 W/m.K (Pipa Tembaga)

= + +

= + +

U = 22.0956 W/m2K

Ch= ṁh cp,h= 0,14004 (4180.78005) = 585.495 W/K...

Cc= ṁc cp,c= 0.0234 (2571.41844) = 60.1663 W/K...

c = Cmin/ Cmax = 60.1663 / 585.495 = 0.10276 W/K NTU = UAs/Cmin = 22.0956 / 60.1663 = 0,02024

NTU1 = NTU / Np = 0.02024 / 2 = 0.01011878

Eparalel = 2 x

= 2 x

= 0,97374

0.97374=

= 30.2014 °C

Mendapatkan harga Tco digunakan kesetimbangan entalpi

Ch(Th,i – Th,o)= Cc (Tc,o – Tc,i)

585.495(50 –Th,o) = 60.1663 (30.2014 – 28)

Th,o = 47.7986°C

 Th yang didapat = (50+47.7986)/2= 48.8993oC tidak sama dengan pemisalan 50oC

 Tc yang didapat = (28+30.2014)/2 = 29.1007oC tidak sama dengan pemisalan 28oC

Untuk hasil dari iterasi selanjutnya pada tiap kondisi dikerjakan pada program microsoft excel dan hasil dari iterasi tersebut dapat dilihat pada tabel berikut beserta data keefektifitasannya.

Berikut merupakan lampiran tabel perhitungan teori dengan laju aliran fluida panas 510 l/jam dan variasi laju aliran fluida dingin 108 , 180 , 300

l/jam.

Tabel 4.1 hasil perhitungan berdasarkan metode iterasi

DATA TEORI Hasil Teori

3 300 52.00108 35.99892 87.02052

Dan data keefektifitasan dapat dilihat juga dalam grafik seperti di bawah ini,

Gambar 4.2 grafik efektifitas perhitungan teori (kapasitas fluida panas 510 L/j dengan suhu fluida panas 40˚C)

Gambar 4.4 grafik efektifitas perhitungan teori (kapasitas fluida panas 510 L/j dengan suhu fluida panas 60˚C)

Pada grafik diatas dapat disimpulkan bahwa seiring bertambahnya kapasitas laju aliran fluida dingin maka efektifitas alat penukar kalor shell and tube ini semakin menurun.

4.2 Perhitungan Data Hasil Pengujian

Adapun data hasil pengujian yang telah dilakukan pada APK shell and tube dapat dilihat pada lampiran 1 dan dibawah ini adalah data yang telah diolah, dimana kapasitas aliran fluida panas yaitu yang mengalir pada laluan tabung (tube) adalah 510 L/j . Kemudian untuk fluida dingin yaitu air yang mengalir didalam cangkang (shell) adalah 108 L/j, 180 L/j dan 300 L/j.

Tabel 4.2 data hasil percobaan

Data Percobaan Hasil Percobaan

1

Data hasil percobaan tersebut kemudia diolah untuk mendapatkan keefektifitasan hasil pengujian. Dimana rumus efektifitas yaitu,

E = , bila (ṁ.Cp)min = ṁh.Cph dan

E = , bila (ṁ.Cp)min = ṁc.Cpc

Nilai dari (ṁ.Cp)min dicari untuk menentukan rumus efektifitas yang akan digunakan.

Dikarenakan nilai dari Cc dari metanol yang jauh lebih rendah dari nilai Ch dari air maka nilai dari Cc selalu menjadi nilai Cmin

Gambar 4.5 grafik efektifitas percobaan (kapasitas fluida panas 510 L/j dengan suhu fluida panas 40˚C)

Gambar 4.7 grafik efektifitas percobaan (kapasitas fluida panas 510 L/j dengan suhu fluida panas 60˚C)

DATA TEORI Hasil Teori Hasil Praktek

Tabel 4.3 Perbandingan Data Teori dan Data Percobaan

4.3 Perbandingan Hasil Eksperimen Alat Penukar Kalor Tabung Shell and

Tube dan Alat Penukar Kalor Tabung Sepusat.

Adapun data hasil pengujian yang telah dilakukan pada tim sebelumnya tentang APK tabung sepusat (annulus) dapat dilihat dibawah ini , dimana variasi yang dibuat yaitu kapasitas aliran fluida panas yaitu yang mengalir di dalam tabung dalam adalah 180 L/j, 240 L/j, 300 L/j, dan 360 L/j. Kemudian untuk fluida dingin yaitu air yang mengalir didalam ruang annulus adalah 180 L/j, 240 L/j dan 360 L/j.

Tabel 4.4 Data hasil percobaan APK tabung sepusat (kapasitas fluida dingin 240 L/j)

DATA TEORI Hasil eksperimen

efektifitas

34.7700 12.83333333

3 300

39.1050

34.8630 14.38333333

4 360

39.0540

34.5320 8.866666667 5

37.6850 12.03571429

10 240

46.2130

37.6700 11.92857143

11 300

46.9270

37.3810 9.864285714

12 360

46.8500

13

36.2940 18.66956522

14 240

47.9600

36.4400 19.30434783

15 300

48.4300

36.9840 21.66956522

16 360

49.0130

36.2770 18.59565217

Tabel 4.5 Data hasil percobaan APK tabung sepusat (kapasitas fluida dingin 360 L/j)

DATA TEORI Hasil eksperimen

efektifitas

34.8230 7.481818182

6 240

42.1370

35.0740 9.763636364

7 300

42.2270

35.0940 9.945454545

8 360

41.5930

35.0480 9.527272727 9

37.5180 3.984615385

10 240

47.4490

37.6810 5.238461538

11 300

47.3350

38.1720 9.015384615

12 360

47.3230

15 300

Tabel 4.6 Data hasil percobaan APK tabung sepusat (kapasitas fluida dingin 180 L/j)

DATA TEORI Hasil eksperimen

efektifitas

35.1132 18.55333333

2 240

39.4511

35.2130 20.21666667

3 300

35.0123 16.87166667 5

35.0521 9.564545455

7 300

42.0134

35.7623 16.02090909

8 360

42.3421

35.3412 12.19272727 9

37.7710 18.47333333

10 240

46.7821

37.9120 19.41333333

11 300

46.9660

37.4310 16.20666667

12 360

35.9940 9.495238095

14 240

49.1960

36.9210 13.90952381

15 300

48.8210

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Pada penelitian kali ini didapatkan beberapa kesimpulan yaitu sebagai berikut:

1. Temperatur fluida panas dan fluida dingin efektif yang keluar dari alat penukar kalor shell and tube adalah untuk hasil eksperimen diperoleh pada debit aliran fluida dingin 108 l/j untuk suhu fluida panas 40ºC didapat sebesar 39.6 ºC (Th) dan 33.7 (Tc) , dan untuk hasil teori diperoleh pada debit aliran fluida dingin 108 l/j untuk suhu fluida panas 40ºC didapat sebesar 38.8037 % (Th) dan 29.1963 % (Tc) .

2. Diperloleh hasil keefektifan maksimum dari eksperimen sebesar 45.3965 % pada keadaan kapasitas aliran fluida panas 510 L/jam dengan suhu 40ºC dan aliran fluida dingin 108 L/jam dengan suhu 27.8ºC. dan hasil keefektifan alat penukar kalor maksimum dari hasil teori (Metode NTU) sebesar 97.396 % pada keadaan kapasitas aliran fluida panas 510 L/jam dengan suhu 40ºC dan aliran fluida dingin 108 L/jam dengan suhu 28ºC. 3. Pada alat penukar kalor shell and tube hasil efektivitas eksperimen

maksimum diperoleh sebesar 45.3965 % pada keadaan kapasitas aliran fluida panas 510 L/jam dengan suhu 40ºC dan aliran fluida dingin 108 L/jam dengan suhu 28ºC , sedangkan pada alat penukar kalor tabung sepusat diperloleh hasil efektivitas eksperimen maksimum sebesar 21.66956522% pada keadaan kapasitas aliran fluida panas 300 L/jam dengan suhu 55ºC dan aliran fluida dingin 240 L/jam dengan suhu 32ºC.

5.2 Saran

1. Perlu adanya modifikasi tambahan pada alat penukar kalor tabung shell and tube seperti dengan menggunakan baffle atau sekat.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Defenisi Kalor

Kalor 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, kalor dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu suatu zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan.

Proses terjadinya perpindahan kalor 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.

2.2 Teori Dasar Alat Penukar Kalor

Alat penukar kalor atau Heat Exchanger (HE) adalah alat yang digunakan untuk memindahkan kalor dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa dan dapat 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 kalor dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran kalor terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida yang terdapat dinding pemisahnya, 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. Salah satu contoh sederhana dari alat penukar panas adalah radiator mobil di mana cairan pendingin memindahkan panas mesin ke udara sekitar.

pemanasan dan sistem pengkondisian udara, proses-proses kimia dan proses pembangkitan tenaga. Alat penukar kalor berbeda dengan ruangan pencampuran yakni alat penukar kalor tidak memperbolehkan kedua fluida bercampur. Sebagai contoh, pada radiator mobil, panas dipindahkan dari air panas yang mengalir melalui pipa yang terdapat pada radiator yang ditambahkan plat pada jarak yang kecil dengan melewatkan udara diantaranya.

Perpindahan panas pada alat penukar kalor biasanya terdiri dari konveksi di setiap fluida dan konduksi pada dinding yang memisahkan kedua fluida. Pada saat menganalisa alat penukar kalor, sangat diperlukan untuk menggunakan koefisien perpindahan panas menyeluruh U yang memungkinkan untuk menghitung seluruh efek dari perpindahan panas. Laju perpindahan panas diantara kedua fluida terletak pada alat penukar kalor yang bergantung pada perbedaan temperatur pada suatu titik, yang bervariasi sepanjang alat penukar kalor. Pada saat menganalisis alat penukar kalor, biasanya bekerja dengan menggunakan

logarithmic mean temperature difference LMTD, yang sebanding dengan

perbedaan temperatur rata-rata diantara kedua fluida sepanjang alat penukar kalor. Ketika dua temperatur tidak diketahui kita dapat menganalisisnya dengan metode keefektifitasan-NTU.

2.3 Jenis Alat Penukar Kalor

Secara umum, alat penukar kalor dapat dibagi berdasarkan fungsinya yakni :

a. Chiller, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan fluida

Gambar 2.1 Chiller [14]

b. Kondensor, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan uap atau campuran uap, sehingga berubah fasa menjadi cairan. Media pendingin yang dipakai biasanya air atau udara. Uap atau campuran uap akan melepaskan panas atent kepada pendingin, misalnya pada pembangkit listrik tenaga uap yang mempergunakan condensing turbin, maka uap bekas dari turbin akan dimasukkan kedalam kondensor, lalu diembunkan menjadi kondensat.

Gambar 2.2 Kondensor [3]

Gambar 2.3 Cooler [9]

d. Evaporator, alat penukar kalor ini digunakan untuk penguapan cairan menjadi uap. Dimana pada alat ini menjadi proses evaporasi (penguapan) suatu zat dari fasa cair menjadi uap. Yang dimanfaatkan alat ini adalah panas latent dan zat yang digunakan adalah air atau refrigerant cair.

Gambar 2.4 Evaporator [2]

Gambar 2.5 Thermosiphon Reboiler [7]

f. Heat Exchanger, alat penukar kalor ini bertujuan untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi sekaligus, yaitu:

1. Memanaskan fluida

2. Mendinginkan fluida yang panas

g. Vaporizer, secara umum vaporizer digunakan untuk menguapkan cairan. Uap yang dihasilkan digunakan untuk proses kimia, bukan sebagai sumber panas seperti halnya steam dan menggunakan elemen pemanas listrik.

Jenis-Jenis Vaporizer :

1. Vaporizer dengan sirkulasi paksa Cairan diumpankan ke dalam

vaporizer dengan menggunakan pompa.

2.

Vaporizer dengan sirkulasi alamiah Cairan umpan dapat mengalir

sendiri dalam vaporizer dengan bantuan gaya gravitasi.

h. Heater, merupakan salah satu alat penukar kalor yang berfungsi memanaskan fluida proses, dan sebagai bahan pemanas a1at ini menggunakan steam.

Gambar 2.7 Heater [13]

2.4 Klasifikasi Alat Penukar Kalor

1. Klasifikasi berdasarkan proses perpindahan panas a. Tipe kontak tidak langsung

1. Tipe dari satu fase 2. Tipe dari banyak fase

3. Tipe yang ditimbun (storage type) 4. Tipe fluidized bed

2. Klasifikasi berdasarkan jumlah fluida yang mengalir a. Dua jenis fluida

b. Tiga jenis fluida

c. N – Jenis fluida (N lebih dari tiga)

3. Klasifikasi berdasarkan kompaknya permukaan

a. Tipe penukar kalor yang kompak, Density luas permukaan > 700 m b. Tipe penukar kalor yang tidak kompak, Density luas permukaan < 700 m 4. Klasifikasi berdasarkan mekanisme perpindahan panas

a. Dengan cara konveksi, satu fase pada kedua sisi alirannya

b. Dengan cara konveksi pada satu sisi aliran dan pada sisi yang lainnya terdapat cara konveksi 2 aliran

c. Dengan cara konveksi pada kedua sisi alirannya serta terdapat 2 pass aliran masingmasing

d. Kombinasi cara konveksi dan radiasi 5. Klasifikasi berdasarkan konstruksi

a. Konstruksi tubular (shell and tube) 1. Tube ganda (double tube)

2. Konstruksi shell and tube, Sekat plat (plate baffle), Sekat batang (rod

baffle)

3. Konstruksi tube spiral b. Konstruksi tipe pelat

1. Tipe pelat 2. Tipe lamella 3. Tipe spiral 4. Tipe pelat koil

c. Konstruksi dengan luas permukaan diperluas (extended surface) 1.Sirip pelat (plate fin)

2. Sirip tube (tube fin) 3.Heat pipe wall

2. Tipe disk (piringan) 3 Tipe drum

4. Tipe matrik tetap

6. Klasifikasi berdasarkan pengaturan aliran a. Aliran dengan satu pass

1. Aliran Berlawanan 2.Aliran Paralel 3.Aliran Melintang 4.Aliran Split

5.Aliran yang dibagi (divided) b. Aliran multipass

a. Permukaan yang diperbesar (extended surface) 1.Aliran counter menyilang

2.Aliran paralel menyilang 3.Aliran compound

b. Multipass plat

Perlu diketahui bahwa untuk alat-alat ini terdapat suatu terminologi yang telah distandarkan untuk menamai alat dan bagian-bagian alat tersebut yang dikeluarkan oleh Asosiasi pembuat Heat Exchanger yang dikenal dengan Tubular

Exchanger Manufacture’s Association (TEMA). Standarisasi tersebut bertujuan

untuk melindungi para pemakai dari bahaya kerusakan atau kegagalan alat, karena alat ini beroperasi pada temperatur dan tekanan yang tinggi.

Didalam standar mekanik TEMA, terdapat dua macam kelas Heat Exchanger, yaitu :

1. Kelas R, yaitu untuk peralatan yang bekerja dengan kondisi berat, misalnya untuk industri minyak dan kimia berat.

2. Kelas C, yaitu yang dibuat untuk general purpose, dengan didasarkan pada segi ekonomis dan ukuran kecil, digunakan untuk proses-proses umum industri.

Berikut ini akan dijelaskan beberapa alat penukar kalor yang umum digunakan dalam dunia industri :

Double pipe heat exchanger atau consentric tube heat exchanger yang

adalah alat penukar panas dimana fluida panas dan dingin dipisahkan oleh susunan tabung concentric (double pipe), fluida panas dan dingin tersebut mengalir dalam arah yang sama maupun berlawanan. Pada saat dimana fluida panas dan dingin mengalir dalam arah yang sama, maka alat penukar kalor tersebut disebut parallel flow heat exchanger, sedangkan jika fluida panas dan dingin mengalir dalam arah yang berlawanan alat penukar kalor tersebut disebut dengan counter flow heat exchanger. Alat pemanas ini dapat dibuat dari pipa yang panjang dan dihubungkan satu sama lain hingga membentuk U. Double pipe heat

exchanger merupakan alat yang cocok dikondisikan untuk aliran dengan laju

aliran yang kecil.

Gambar 2.8 Aliran double pipe heat exchanger [6]

Gambar 2.9 Hair pin heat exchanger [12]

Exchanger ini menyediakan true counter current flow dan cocok untuk extreme

- Single tube (double pipe) atau berbagai tabung dalam suatu hairpin shell (multitube),

- Bare tubes, finned tube, U-Tubes,

- Straight tubes,

- Fixed tube sheets

Double pipe heat exchanger sangatlah berguna karena ini bisa digunakan

dan dipasang pada pipe-fitting dari bagian standar dan menghasilkan luas permukaan panas yang besar. Ukuran standar dari tees dan return head diberikan pada tabel berikut :

Tabel 2.1 : Double Pipe Exchanger fittings [4]

Outer Pipe, IPS Inner Pipe, IPS

3 2½ 3 4

1¼ 1¼ 2 3

Double pipe exchangers biasanya dipasang dalam 12-, 15- atau 20-ft

Panjang efektif, panjang efektif dapat membuat jarak dalam each leg over di mana terjadi perpindahan panas dan mengeluarkan inner pipe yang menonjol melewati

the exchanger section.

Gambar 2.10 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan counter current [15]

Pada susunan cocurrent maka fluida di dalam tube sebelah dalam (inner

tubes) maupun yang di luar tube (dalam annulus), artinya satu lintasan tanpa

cabang. Sedangkan pada aliran counter current, di dalam tube sebelah dalam dan fluida di dalam annulus masing-masing mempunyai cabang seperti terlihat pada gambar 2.11 dan gambar 2.12.

Gambar 2.12 Double-pipe heat exchangers in series–parallel [6]

Keuntungan dan kerugian penggunaan double pipe heat exchanger : a) Keuntungan

1. Penggunaan longitudinal tinned tubes akan mengakibatkan suatu heat

exchanger untuk shell sides fluids yang mempunyai suatu low heat

transfer coefficient.

2. Counter current flow mengakibatkan penurunan kebutuhan surface

area permukaan untuk service yang mempunyai suatu temperature

cross.

3. Potensi kebutuhan untuk ekspansi joint adalah dihapuskan dalam kaitan dengan konstruksi pipa-U.

4. Konstruksi sederhana dalam penggantian tabung dan pembersihan. b) Kerugian

1. Bagian hairpin adalah desain khusus yang mana secara normal tidak dibangun untuk 16ndustry standar dimanapun selain ASME code.

2. Bagian multiple hairpin tidaklah selisih secara ekonomis bersaing dengan single shell dan tube heat exchanger.

2. Shell And Tube Heat Exchanger

Shell and tube heat exchanger biasanya digunakan dalam kondisi tekanan

relatif tinggi, yang terdiri dari sebuah selongsong yang di dalamnya disusun suatu

annulus dengan rangkaian tertentu (untuk mendapatkan luas permukaan yang

optimal). Fluida mengalir di selongsong maupun di annulus sehingga terjadi perpindahan panas antara fluida dengan dinding annulus misalnya triangular

pitch (Pola segitiga) dan square pitch (Pola segiempat).

Gambar 2.13 Bentuk susunan tabung [5]

Keuntungan square pitch adalah bagian dalam tube-nya mudah dibersihkan dan

pressure drop-nya rendah ketika mengalir di dalamnya (fluida)

Gambar 2.14 shell and tube heat exchanger [8] Keuntungan dari shell and tube:

1. Konfigurasi yang dibuat akan memberikan luas permukaan yang besar dengan bentuk atau volume yang kecil.

4. Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis material yang digunakan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasi. 5. Mudah membersihkannya.

6. Prosedur perencanaannya sudah mapan (well-astablished). 7. Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif kecil.

8. Pengoperasiannya tidak berbelit-belit, sangat mudah dimengerti (diketahui oleh para operator yang berlatar belakang pendidikan rendah).

9. Konstruksinya dapat dipisah-pisah satu sama lain, tidak merupakan satu kesatuan yang utuh, sehingga pengangkutannya relatif gampang

Kerugian penggunaan shell and tube heat exchanger adalah semakin besar jumlah lewatan maka semakin banyak panas yang diserap tetapi semakin sulit perawatannya.

3. Plate Type Heat Exchanger

Plate type heat exchanger terdiri dari bahan konduktif tinggi seperti stainless

steel atau tembaga. Plate dibuat dengan design khusus dimana tekstur permukaan

plate saling berpotongan satu sama lain dan membentuk ruang sempit antara dua

plate yang berdekatan. Jika menggabungkan plate-plate menjadi seperti

berlapis-lapis, susunan plate-plate tersebut tertekan dan bersama-sama membentuk saluran alir untuk fluida. Area total untuk perpindahan panas tergantung pada jumlah

plate yang dipasang bersama-sama seperti gambar dibawah

4. Jacketed Vessel With Coil and Stirrer

Unit ini terdiri dari bejana berselubung dengan coil dan pengaduk, tangki air panas, instrumen untuk pengukuran flowrate dan temperatur. Fluida dingin dalam

vessel dipanaskan dengan mengaliri selubung atau koil dengan fluida panas.

Pengaduk dan baffle disediakan untuk proses pencampuran isi vessel. Volume isi tangki dapat divariasikan dengan pengaturan tinggi pipa overflow. Temperatur diukur pada inlet dan outlet fluida panas, vessel inlet dan isi vessel

Gambar 2.16 Jacketed Vessel With Coil And Stirrer [3]

2.4.1 Konduksi

Sebuah batang silinder dengan material tertentu diisolasi pada sisi terluarnya dan pada kedua ujung permukaannya memiliki suhu yang berbeda yakni T1 > T2 . Perbedaan temperatur tersebut menyebabkan perpindahan

Jika ΔT dan Δx adalah konstan dan hanya memvariasikan A, maka

kita dapat melihat bahwa qx berbanding lurus dengan A. Dengan cara yang sama, jika ΔT dan A adalah konstan, kita dapat melihat bahwa qx berbanding terbalik dengan Δx. Apabila A dan Δx konstan, maka kita dapat melihat

bahwa qx berbanding lurus dengan ΔT. Sehingga kita dapat menyimpulkan

bahwa

qx ∞ A (2.1)

Berikut ini adalah gambar perpindahan panas secara konduksi melalui sebuah percobaan.

Gambar 2.17 Perpindahan Panas secara Konduksi [15]

Dengan memperhatikan material batang, sebagai contoh plastik, kita akan menemukan bahwa kesebandingan diatas adalah valid. Namun, kita juga menemukan bahwa untuk nilai A, Δx, dan ΔT yang sama, akan menghasilkan nilai qx yang lebih kecil untuk plastik daripada bermaterial logam. Sehingga kesebandingan diatas dapat ditulis dalam bentuk persamaan dengan memasukkan koefisien yang dipengaruhi oleh material. Sehingga diperoleh,

qx = kA (2.2)

k, adalah konduktivitas thermal (W/m.K), yang adalah merupakan sifat material

yang penting. Dengan menggunakan limit Δx 0 kita mendapatkan persamaan

untuk laju perpindahan panas,

atau persamaan flux panas menjadi,

= = - k

(2.4)

2.4.2 Konveksi

Mekanisme perpindahan panas dapat berupa konduksi, konveksi, dan radiasi. Konduksi dan konveksi adalah membutuhkan media perantara dalam proses perpindahan panasnya. Berbeda dengan konduksi, pada konveksi membutuhkan gerakan fluida untuk dapat memindahkan panas.

Penelitian menunjukkan bahwa perpindahan panas konveksi sangat bergantung pada sifat-sifat fluida seperti viskositas dinamis μ, konduktivitas termal k, massa jenis ρ, dan spesifik panas Cp, dan dipengaruhi oleh kecepatan fluida Ѵ. Konveksi juga bergantung pada bentuk dan kekasaran permukaan, dan bahkan juga dipengaruhi oleh tipe aliran seperti laminar atau turbulen. Sehingga kita dapat menyimpulkan bahwa perpindahan panas secara konveksi adalah kompleks karena bergantung pada banyak variabel. Oleh karena itu, konveksi adalah mekanisme perpindahan panas yang paling kompleks.

Gambar 2.18 Pendinginan sebuah balok yang panas dengan konveksi paksa [15]

Meskipun konveksi adalah kompleks, setelah diamati bahwa laju perpindahan panas secara konveksi berbanding lururs dengan perbedaan temperatur dan dapat ditulis dengan Hukum Newton tentang pendinginan.

h merupakan koefisien perpindahan panas konduksi, As merupakan area permukaan perpindahan panas, Ts merupakan temperatur permukaan benda, T∞ merupakan temperatur lingkungan sekitar benda.

2.4.3 Radiasi

Radiasi berbeda dengan mekanisme perpindahan panas secara konduksi dan secara konveksi. Perpindahan panas secara radiasi tidak membutuhkan kehadiran suatu material sebagai media perpindahan panas. Faktanya, energi yang ditransfer dengan radiasi adalah yang tercepat (secepat kecepatan cahaya) dan dapat terjadi pada ruangan vakum. Perpindahan panas secara konduksi dan konveksi terjadi dari temperatur yang tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Pada radiasi, perpindahan panas dapat terjadi pada 2 benda yang memiliki temperatur yang tinggi dan dipisahkan oleh benda yang memiliki temperatur yang lebih rendah.

Dengan menganggap permukaan benda yang kecil As, emisifitas ε, dan kemampuan untuk menyerap α pada temperatur T yang terdiri dari keisotermalan yang besar dalam bentuk yang tertutup pada benda blackbody.

Blackbody dapat didefenisikan sebagai pemancar dan penyerap radiasi yang

sempurna. Pada temperatur dan panjang gelombang tertentu, tidak ada permukaan yang dapat memancarkan energi yang lebih banyak daripada

blackbody. Blackbody menyerap semua radiasi tanpa memperhatikan panjang

Gambar 2.19 Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas [15]

Energi radisi yang dipancarkan oleh sebuah blackbody tiap satuan waktu dan tiap satuan luasan area ditetapkan secara eksperimental oleh Joseph Stefan pada tahun 1879 dan dapat dituliskan

Eb (T) = σT 4 (w/m2) (2.6)

σ = 5,67 x 10-8 W/m2.K4 adalah konstanta Stefan-Boltzmann dan T adalah temperatur absolut dari suatu permukaan (K). Persamaan ini diverifikasi secara teori pada tahun 1884 oleh Ludwig Boltzman. Eb merupakan kekuatan emisifitas

blackbody.

2.5 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh

Sebuah alat penukar kalor terdiri dari 2 fluida yang mengalir yang dipisahkan oleh sebuah dinding yang solid. Pertama sekali panas dipindahkan dari fluida panas ke dinding melalui konveksi, kemudian melewati dinding melalui konduksi, dan dari dinding ke fluida dingin lagi melalui konveksi. Efek radiasi apapun biasanya termasuk didalam koefisien perpindahan panas konveksi. Jaringan tahanan panas dihubungkan dengan proses perpindahan panas ini yang terdiri dari dua tahanan panas konveksi dan satu tahanan panas konduksi seperti yang ditunjukkan oleh gambar berikut

Huruf kecil i dan o adalah permukaan dalam dan permukaan luar tabung. Untuk alat penukar kalor tabung sepusat, Ai = DiL dan Ao = DoL, sehingga tahanan termal dinding tabung adalah

Rdinding =

(2.7)

Gambar 2.21 Dua luasan area alat penukar kalor untuk dinding tabung yang tipis [15]

Di ≈Do dan Ai ≈Ao (2.8)

k adalah konduktivitas termal dinding dan L adalah panjang tabung. Sehingga

tahanan termal total menjadi

R = Rtotal = Ri + Rdinding + Ro = + + (2.9)

Dalam menganalisis alat penukar kalor, sangat diperlukan untuk menggabungkan semua tahanan panas yang terjadi pada fluida panas sampai fluida dingin menjadi sebuah tahanan panas R, dan laju perpindahan panas diantara kedua fluida adalah

Q = = UA ΔT = UiAi ΔT = UoAo ΔT (2.10)

U adalah koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2°C).

Rumus diatas menjadi :

= = = R = + Rdinding + (2.11)

2.6 Faktor Kotoran (Fouling Factor)

Performansi alat penukar kalor biasanya semakin menurun dengan bertambahnya waktu pemakaian sebagai akibat terjadinya penumpukan kotoran pada permukaan alat penukar kalor. Lapisan kotoran tersebut menimbulkan hambatan tambahan pada proses perpindahan panas dan mengakibatkan penurunan laju perpindahan panas pada alat penukar kalor. Penumpukan kotoran pada alat penukar kalor disebut faktor kotoran Rf yang menjadi ukuran dalam

tahanan termal.

Faktor kotoran adalah nol untuk alat penukar kalor yang baru dan meningkat dengan meningkatnya lama pemakaian sehingga kotoran menempel pada permukaan alat penukar kalor. Faktor kotoran bergantung pada temperatur operasi dan kecepatan fluida, dan sebanding dengan panjang alat penukar kalor. Kotoran akan meningkat dengan meningkatnya temperatur dan menurunnya kecepatan.

Persamaan koefisien perpindahan menyeluruh telah diberikan sebelumnya yang berlaku untuk permukaan alat penukar kalor yang bersih. Persamaan sebelumnya perlu dimodifikasi sebagai efek dari kotoran pada permukaan dalam dan luar tabung. Untuk alat penukar kalor tabung cangkang yang tidak memiliki sirip, persamaan sebelumnya menjadi :

=

=

=

R = +

+ + + (2.12)

Ai = DiL dan Ao = DoL adalah luas area permukaan dalam dan luar alat

penukar kalor.

Rf,i dan Rf,o adalah faktor kotoran permukaan dalam dan luar alat penukar kalor. Tabel 2.2 : Faktor kotoran untuk berbagai fluida [15]

Above 50oC

Evaluasi performansi thermal sebuah alat penukar kalor pada keadaan

tunak (steady)

Persamaan perpindahan panas lokal melalui elemen ds dari sebuah apk.

Jika Th dan Tc adalah suhu kedua fluida yang berada di elemen da dari permukaan APK maka laju perpindahan panas diantara kedua fluida melalui elemen ds dituliskan dengan rumus

dq = U dA ( Th - Tc) (2.13) Dimana :

dq = Laju perpindahan panas kedua fluida (W)

U = Koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2°C) dA = luas penampang tabung (m2)

Th = Suhu fluida panas (°C) Tc = Suhu fluida dingin (°C)

2.7.1 Metode LMTD Aliran pararel (sejajar)

ataupun dari fluida dingin. Pernyataan tersebut secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut

dq = ṁh Cph (-dTh) = ṁc Cpc (dtc) (2.14) dimana : ṁh = laju aliran massa fluida panas (kg/s)

ṁc = laju aliran massa fluida dingin (kg/s) Cph = panas jenis fluida panas (J/kg K) Cpc = panas jenis fluida dingin (J/kg K)

Dari persamaan diatas dapat dilihat bahwa dTh < 0 dan dTc> 0 dan secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut :

dTh = - ; dTc = (2.15)

persamaan diatas diturunkan sebagai berikut :

dTh – dTc = d (Th – Tc) = - - (2.16) dimana :

= dan = (2.17)

Maka setelah disubstitusikan persamaan 2.17 ke 2.16, maka akan didapatkan:

d (Th – Tc) = -dq (2.18)

dan dengan mensubstitusikan persamaan 2.13 ke 2.18, maka didapat: d (Th – Tc) = -U dA ( Th - Tc) (2.19) selanjutnya persamaan 2.19 disederhanakan menjadi berikut:

= - U dA (2.20)

Dengan mengintegralkan persamaan 2.20 dan menganggap bahwa U dan adalah konstan dan batas integral ditunjukan pada gambar distribusi suhu maka didapatkan:

ln = - U A (2.23) Berdasarkan neraca entalpi bahwa laju pindahan panas q :

Q = ṁh Cph (Thi – Tho) = ṁc Cpc (Tco – Tci) (2.24) ṁhCph = ; ṁcCpc = (2.25) dengan mensubstitusikan persamaan 2.25 ke 2.23 maka didapatkan ln = - U A (2.26)

q = U A (2.27)

Dimana berdasarkan gambar dari distribusi suhu :

∆Ta = (2.28) ∆Tb= (2.29) Jadi : q = U A atau q = U A (2.30)

2.7.2 Metode LMTD untuk aliran berlawanan

Gambar 2.22 Distribusi suhu APK aliran berlawanan [Autocad]

Untuk temperatur masuk dan keluar fluida yang telah ditetapkan, harga dari LMTD untuk APK aliran berlawanan lebih besar dibandingkan dengan APK aliran sejajar dan untuk luasan pun APK aliran berlawanan lebih kecil dibandingkan dengan APK aliran sejajar. Hal tersebut dapat dibuktikan dengan terlebih dahulu kita menentukan persamaan LMTD untuk aliran berlawanan berikut.

dq = ṁh Cph (-dTh) = ṁc Cpc (-dtc) (2.31) pada persamaan 2.31 dapat dilihat bahwa nilai dari dTh dan dtc adalah negatif hal ini berbeda dengan APK aliran sejajar maka dengan perbedaan tersebut dapat kita lihat bahwa:

dTh = - ; dTc =- (2.32) persamaan 2.32 kemudian diturunkan menjadi:

dTh – dTc = d (Th – Tc) = - - (2.33) dimana berdasarkan persamaan 2.17 yang kemudian disubstitusikan ke persamaan 2.33, maka didapat:

d (Th – Tc) = -d q (2.34) dan dengan mensubstitusikan persamaan 2.13 ke 2.34, didapat:

= - U dA (2.36) Menurut neraca entalpi pada persamaan 2.23 dan 2.24 kemudian mengintegralkan persamaan 2.34 dengan menganggap U dan

adalah konstan serta batas atas dan bawah yang ditunjukan pada gambar distribusi suhu APK aliran berlawanan maka didapat:

= (2.37)

Maka hasil integral dari persamaan 2.37 didapat:

ln (Tho – Tci) – ln (Thi – Tco) = - U A (2.38)

ln = - U A (2.39)

kemudian persamaan 2.39 diturunkan sehingga didapat:

ln = -U A (2.40)

dengan mensubstitusikan persamaan 13 ke 28 maka didapat:

Q = U A (2.41)

Berdasarkan gambar distribusi suhu:

∆Ta = (2.42)

∆Tb = (2.43)

Jadi : q = U A atau q =U A (2.44) Berdasarkan penurunan rumus yang telah dibahas sebelumnya maka didapat:

LMTD = = = (2.45)

Untuk aliran sejajar : ∆Ta = ; ∆Tb = (2.46) Untuk aliran berlawanan : ∆Ta = ; ∆Tb = (2.47) Catatan:

1. Panas jenis fluida dianggap konstan saat melewati APK. Dalam perhitungan praktis dicari panas jenis fluida pada suhu rata-rata didalam APK. Hal ini tidak jauh beda dengan kondisi sebenarnya. 2. Koefisien perpindahan panas menyeluruh U dianggap konstan

untuk sepanjang permukaan APK.

3. Jika ∆Ta tidak berbeda lebih dari 50% dari ∆Tb, maka LMTD dapat ∆TRL dapat diganti dengan ∆Tr aritmetik. Kesalahannya hanya dibawah 1%.

4. ∆TRL atau LMTD dapat juga dihitung dengan menggunakan grafik sebgai fungsi ∆Ta dan ∆Tb

5. APK aliran berlawanan lebih efektif dibandingkan APK aliran sejajar.

Pada pembahasan sebelumnya telah disinggung mengenai luas APK aliran sejajar yang lebih kecil dibandingkan dengan APK aliran sejajar. Hal ini dapat dibuktikan dengan menganggap bahwa koefisien pindahan panas menyeluruh konstan nilai dari panas jenis fluida yang digunakan dan suhu masukkan dan keluaran kedua fluida baik fluida dingin maupun panas dianggap sama. Sebagai contoh temperatur fluida panas masuk dan keluaran berturut-turut adalah 180oC dan 100oC sedangkan temperatur fluida dingin masuk dan keluar berturut-turut adalah 40oC dan 80oC, maka dapat dilihat bahwa:

= =

Dengan menghitung dari nilai dari masing-masing pada setiap aliran maka didapat:

= 1 =

Dari perbandingan diatas dapat disimpulkan bahwa luas apk yang dibutuhkan untuk kondisi yang sama namun konfigurasi yang berbeda maka harga luas yang didapat pun berbeda. Dari perhitungan diatas didapat harga luas APK aliran berlawan jauh lebih kecil dibandingkan dengan APK aliran sejajar.

Untuk beberapa aliran, LMTD atau perlu dikoreksi dengan mengalikannya dengan faktor koreksi F. aliran menyilang dalam hal ini yang perlu dikalikan dengan factor koreksi f. sehingga untuk rumus perpindahan panas yang terjadi di dalam APK menjadi:

Q = U A F (2.48)

Dimana harga F didapat melalui grafik fungsi P dan R:

P = ; R = (2.49)

Dimana:

Ti = suhu fluida masuk cangkang To= suhu fluida keluar cangkang ti = suhu fluida masuk tabung to= suhu fluida keluar tabung

2.8 Metode NTU

Metode perhitungan dengan LMTD dapat digunakan bila keempat suhu dari 2 fluida diketahui, yaitu fluida masuk (fluida panas dan dingin), suhu fluida keluar (fluida panas dan dingin). Tetapi sering dalam persoalan APK yang diketahui suhu fluida panas dan dingin yang masuk. Maka dari itu digunakan metode NTU yang diperkenalkan oleh Nusselt.

Dalam hal ini diperkenalkan notasi dari keefektifan APK yang didefinisikan sebagai berikut:

Perpindahan laju pindahan panas real dengan perpindahan panas maksimum secara teori dapat terjadi dengan kondisi fluida masuk sama ke dalam APL (fluida, kapasitas, suhu sama)

Atau secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut:

Dalam APK aliran sejajar, ∆Tmax tidak pernah tercapai. ∆Tmax tercapai untuk aliran berlawanan, dimana pada gambar B Tco mendekati Thi dan untuk gambar C Tho mendekati Tci. Kemudian perkalian antara laju aliran massa dengan panas jenis disebut kapasitas panas yang dinotasikan dengan C.

C = ṁ.Cp (2.51)

Untuk kapasitas fluida panas dituliskan:

ṁh . Cph = Ch (2.52) dan untuk kapasitas fluida dingin dituliskan:

ṁc . Cpc = Cc (2.53) perpindahan panas maksimum yang terjadi berdasarkan teori dihitung dengan menggunakan rumus

qmax = (ṁ.Cp) min (Thi-Tci) (2.54) Maka berdasarkan persamaan yang telah kita tuliskan keefektifan APK menjadi:

E = dan E = (2.55)

Bila (ṁ.Cp)min = ṁh.Cph , maka keefektifan E menjadi,

E = (2.56)

Bila (ṁ.Cp)min = ṁc.Cpc , maka keefektifan E menjadi,

E = (2.57)

Sehingga dengan mengetahui keefektifan E dari APK, maka kita dapatkan laju pindahan panas Q,

q = E Cmin (Thi-Tci) dimana Cmin = (ṁ Cp)min (2.58)

Pada saat kita membahas metode perhitungan APK dengan metode LMTD, kita mendapatkan persamaan yaitu:

ln = - U a (2.59)

ln = - U a (2.60)

= (2.61)

Sebelumnya telah diketahui bahwa,

dq = U dA ( Th - Tc) (2.62)

berdasarkan neraca entalpi bahwa dq adalah:

dTh = - ; dTc = (2.63)

q = ṁh Cph (Thi – Tho) = ṁc Cpc (Tco – Tci) (2.64) Dengan mensubstitusikan Ch dan Cc maka didapatkan,

Ch(Thi – Tho) = Cc (Tco – Tci) (2.65)

Tco = Tci + (Thi – Tho) (2.66)

Persamaan diatas diselesaikan dengan manipulasi matematika, dimana pada ruas kiri dan kanan masing-masing ditambahkan Tho-Tho dan Thi-Thi. maka didapatkan,

Tco + Tho - Tho = Tci + Thi –Thi + (Thi – Tho) (2.67) Dengan menyusun kembali persamaan diatas maka didapatkan, -(Tho – Tco) + Tho = -( Thi – Tci)+ Thi + (Thi – Tho) (2.68) -(Tho – Tco) = -( Thi – Tci) + Thi –Tho + (Thi – Tho) (2.69) Dengan membagi persamaan diatas dengan -(Thi – Tci) maka didapatkan,

= 1 – (2.70)

Dimana E bila Ch = Cmin =

Exp = 1 – E - (E) (2.71)

Exp = 1 – E (1 + (2.72)

Maka nilai E didapatkan,

Sedangkan untuk Cc = Cmin, nilai dari E dengan cara yang sama seperti penurunan sebelumnya maka didapatkan,

E = (2.74)

Maka dapat disimpulkan untuk nilai E dari aliran sejajar yaitu :

E = (2.75)

Keefektifan dari sebuah alat penukar kalor memiliki hubungan dengan bilangan tanpa dimensi yaitu Ua/Cmin dimana bilangan tanpa dimensi itu disebut dengan NTU atau Number of Tranfer Unit, bilangan ini dituliskan sebagai berikut,

NTU = = (2.76)

Perbandingan dari kapasitas panas atau Cmin/Cmax juga memiliki hubungan dalam penentuan nilai efektifitas dari ebuah alat penukar kalor. Perbandingan kapasitas panas dapat dituliskan sebagai berikut,

c = (2.77)

Dapat dituliskan juga bahwa efetifitas dari sebuah alat penukar kalor merupakan fungsi dari NTU dan c dari sebuah alat penukar kalor atau dapat juga dituliskan sebagai berikut,

E = fungsi = fungsi (NTU,c) (2.78)

Tabel 2.3 hubungan efektifitas dengan NTU dan c [15]

Dengan melihat hubungan antara efektifitas sebagai fungsi dari NTU dan c, nilai dari efektifitas dapat ditentukan melalui grafik yang menunjukan hubungan tersebut. Adapun beberapa grafik efektifitas dari beberapa alat penukar kalor dpat dilihat dibawah ini.

Gambar 2.24 grafik efektifitas untuk aliran berlawanan [15]

2.9Metanol

Metanol, juga dikenal sebagai metil alkohol, wood alcohol atau spiritus, adalah senyawa kimia dengan rumus kimia CH3OH. Metanol merupakan bentuk alkohol paling sederhana. Pada "keadaan atmosfer" metanol berbentuk cairan yang ringan, mudah menguap, tidak berwarna, mudah terbakar, dan beracun dengan bau yang khas (berbau lebih ringan daripada etanol). metanol digunakan sebagai bahan pendingin anti beku, pelarut, bahan bakar dan sebagai bahan additif bagi etanol industri.

Metanol diproduksi secara alami oleh metabolisme anaerobik oleh bakteri. Hasil proses tersebut adalah uap metanol (dalam jumlah kecil) di udara. Setelah beberapa hari, uap metanol tersebut akan teroksidasi oleh oksigen dengan bantuan sinar matahari menjadi karbon dioksida dan air.

Reaksi kimia metanol yang terbakar di udara dan membentuk karbon dioksida dan air adalah sebagai berikut:

2 CH3OH + 3 O2→ 2 CO2 + 4 H2O

sifatnya yang beracun, metanol sering digunakan sebagai bahan additif bagi pembuatan alkohol untuk penggunaan industri; Penambahan "racun" ini akan menghindarkan industri dari pajak yang dapat dikenakan karena etanol merupakan bahan utama untuk minuman keras (minuman beralkohol). Metanol kadang juga disebut sebagai wood alcohol karena ia dahulu merupakan produk samping dari distilasi kayu. Saat ini metanol dihasilkan melului proses multi tahap. Secara singkat, gas alam dan uap air dibakar dalam tungku untuk membentuk gas hidrogen dan karbon monoksida; kemudian, gas hidrogen dan karbon monoksida ini bereaksi dalam tekanan tinggi dengan bantuan katalis untuk menghasilkan metanol. Tahap pembentukannya adalah endotermik dan tahap sintesisnya adalah eksotermik.

2.10 Persamaan Yang Digunakan Dalam Perhitungan

Sebelum menggunakan persamaan – persamaan di bawah, dimisalkan terlebih dahulu Tho dan Tco . Setelah itu, sifat – sifat termofisik kedua fluida pada suhu – suhu tersebut dicari untuk dapat melengkapi penggunaan persamaan – persamaan di bawah.

Aliran pada laluan pipa dalam

Q = A.V

Aliran pada pipa cangkang (luar)

Rec= ṁc = ρ Q

Nu =

ho =

Rf,i= 0,0002 m2°C/W

Rf,o= 0,0001 m2°C/W

Ai =  Di L

Ao =  Do L

kpipa = 410 W/m.K (Pipa Tembaga)

= + +

Ch= ṁh cp,h

Cc= ṁc cp,c

- Jika Ch < Cc maka Ch menjadi Cmin dan jika - Jika Cc < Ch maka Cc menjadi Cmin

= = C

NTU = NTU1 =

ε= 2 x

ε =

Ch(Th,i – Th,o)= Cc (Tc,o – Tc,i)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1Latarbelakang

Perkembangan teknologi yang diciptakan pada masa kini merupakan upaya dalam mempermudah manusia untuk melakukan berbagai kegiatan. Teknologi diciptakan tidak hanya untuk mempermudah pekerjaan manusia, tetapi untuk meningkatkan nilai ekonomis juga yang berdampak kepada tingkat kesejahteraan manusia itu juga. Misalnya alat penukar kalor yang merupakan salah satu alat yang digunakan untuk memindahkan kalor dari suatu fluida ke fluida yang lain atau dengan kata lain panas yang dipindahkan dari fluida panas akan sama dengan panas yang diterima oleh fluida dingin

Dalam kehidupan sehari-hari banyak dijumpai peralatan rumah tangga yang prinsip kerjanya menggunakan konsep perpindahan kalor, misalnya panci tekan (pressure cooker), setrika, alat penyulingan, dan alat pendingin. Semua benda – benda tersebut merupakan contoh dari beberapa alat yang menggunakan prinsip perpindahan panas. Salah satu konsep dari perpindahan panas yang banyak digunakan yaitu sebuah alat yang dikenal dengan sebutan Alat Penukaran Kalor (Heat Exchanger). Dari tahun ke tahun maupun dari zaman ke zaman, alat ini terus mengalami perkembangan dari berbagai segi.

Seiring dengan berjalannya waktu, sebuah alat akan mengalami penurunan prestasi atau performansi. Penurunan prestasi ini akan menyebabkan alat yang digunakan tidak lagi efektif dalam melakukan kerjanya. Hal ini dapat mengakibatkan terjadinya kesalahan dalam memperbandingkan hasil teori dengan hasil percobaan yang dilakukan dengan alat tersebut.

Alat penukar kalor merupakan salah satu alat yang digunakan untuk memindahkan kalor dari suatu fluida ke fluida yang lain atau dengan kata lain panas yang dipindahkan dari fluida panas akan sama dengan panas yang diterima oleh fluida dingin.

didesain tersebut yang bertujuan untuk menganalisa sejauh mana keefektifan dari alat penukar kalor tersebut. Pemilihan pemakaian alat penukar kalor shell and tube dalam penelitian ini karena alat penukar kalor shell and tube merupakan alat penukar kalor yang sering digunakan dalam pabrik – pabrik . Dalam penelitian ini , fluida panas yang digunakan adalah air dan fluida dingin yang digunakan dalam penelitian ini adalah methanol . Pemakain metanol dalam penelitian ini dikarenakan metanol merupakan salah satu bahan pada pembuatan pupuk. Pada proses pembuatan pupuk , metanol pada suhu tinggi digunakan sebagai pelarut untuk mencampurkan dengan bahan - bahan lain.

1.2Tujuan Penelitian

1. Untuk mengetahui keefektifan alat penukar kalor pemanas metanol dengan variasi suhu fluida panas 40oC, 50oC, dan 60oC.

2. Untuk mengetahui keefektifan alat penukar kalor pemanas metanol dengan variasi kapasitas aliran fluida dingin 108 l/j, 180 l/j, 300 l/j.

3. Untuk membandingkan keefektifan alat penukar kalor shell and tube dengan alat penukar kalor tabung sepusat .

1.3 Batasan Masalah Penelitian

1. Tidak ada kehilangan panas yang terjadi pada APK karena permukaan luarnya telah diisolasi.

2. Kapasitas aliran yang terjadi di lapangan dianggap konstan. 3. Perhitungan dilakukan pada tekanan yang konstan.

4. Metode perhitungan keefektifitasan dilakukan dengan metode NTU.

1.4Manfaat Penelitian

1. Diperoleh perbedaan efektifitas yang terjadi di lapangan dan perhitungan teori

1.5Metodologi Penulisan

Metodologi penulisan yang digunakan pada penulisan skripsi ini adalah sebagai berikut :

a. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku dan tulisan-tulisan yang terkait.

b. Browsing internet, berupa studi artikel-artikel, gambar-gambar dan buku elektronik (e-book) serta data-data lain yang berhubungan.

c. Metode studi lapangan, yaitu dengan mengambil data dari alat penukar kalor yang dirancang oleh saudara 1 tim.

d. Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing yang ditunjuk oleh Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

1.6 Sistematika Penulisan

Skripsi ini dibagi dalam beberapa bab dengan garis besar tiap bab adalah sebagai berikut :

• Bab I : Pendahuluan

Bab ini berisikan latar belakang, tujuan, manfaat, dan ruang lingkup penelitian.

• Bab II : Tinjauan Pustaka

Bab ini berisikan landasan teori yang digunakan yaitu mengenai neraca energi, jenis-jenis alat penukar kalor, metode LMTD, metode NTU.

• Bab III : Metodologi Penelitian

Bab ini memberikan informasi mengenai tempat pelaksanaan pengambilan data, alat-alat yang digunakan, dan cara melakukan penelitian.

• Bab IV : Hasil dan Analisa Penelitian

Bab ini membahas tentang hasil data yang diperoleh dari lapangan dan dibandingkan dengan hasil perhitungan secara teoritis dengan menggunakan metode NTU.

• Bab V : Kesimpulan dan Saran

Bab ini sebagai penutup berisikan kesimpulan dan saran yang diperoleh.

Daftar pustaka berisikan literatur yang digunakan untuk menyusun laporan.

• Lampiran

ABSTRAK

Pada zaman sekarang ini , alat penukar kalor sangat banyak dijumpai dalam kehidupan manusia. Alat penukar kalor merupakan suatu alat untuk memindahkan panas dari suatu fluida ke fluida yang lain. Salah satu alat penukar kalor yang paling banyak dipakai adalah alat penukar kalor shell and tube. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui efektivitas alat penukar kalor shell and tube.

Dari penelitian ini diperoleh efektivitas APK dengan perhitungan metode NTU dan data di lapangan. Untuk perhitungan metode NTU diperoleh efektivitas APK maksimum sebesar 97.396 % pada keadaan kapasitas aliran masuk fluida panas 510 L/jam dengan suhu (Th,i) 40ºC dan kapasitas aliran masuk fluida dingin 108 L/jam dengan suhu (Tc,i) 28ºC. Untuk perolehan data di lapangan diperoleh efektivitas APK maksimum sebesar 45.3965 % pada keadaan kapasitas aliran masuk fluida panas 510 L/jam dengan suhu (Th,i) 40ºC dan kapasitas aliran masuk fluida dingin 108 L/jam dengan suhu (Tc,i) 28ºC.

ABSTRACT

Nowadays, heat exchangers are often found in people's daily life. Heat exchanger is a device used for transferring heat from one fluid to another fluid. One of the most highly used heat exchangers is shell and tube heat exchangers. The purpose of this study is to understand better about the effectiveness of the shell and tube heat exchanger.

The result of this research is acquired by using NTU method and calculating effectiveness from site. By using NTU method, the maximum effectiveness is obtained 97.396 % on hot fluid inlet (Th,i) 40ºC at 510 l/h flow rate and cold fluid inlet (Tc,i) 28ºC at 108 l/h flow rate. By calculating effectiveness from site, the maximum effectiveness is obtained 45.3965 % on hot fluid inlet (Th,i) 40ºC at 510 l/h flow rate and cold fluid inlet (Tc,i) 28ºC at 108 l/h flow rate.

PANAS DAN METHANOL SEBAGAI FLUIDA DINGIN

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi

Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Oleh :

KEVIN BASRI CIWIRA (110401070)

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

M E D A N

ABSTRAK

Pada zaman sekarang ini , alat penukar kalor sangat banyak dijumpai dalam kehidupan manusia. Alat penukar kalor merupakan suatu alat untuk memindahkan panas dari suatu fluida ke fluida yang lain. Salah satu alat penukar kalor yang paling banyak dipakai adalah alat penukar kalor shell and tube. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui efektivitas alat penukar kalor shell and tube.

Dari penelitian ini diperoleh efektivitas APK dengan perhitungan metode NTU dan data di lapangan. Untuk perhitungan metode NTU diperoleh efektivitas APK maksimum sebesar 97.396 % pada keadaan kapasitas aliran masuk fluida panas 510 L/jam dengan suhu (Th,i) 40ºC dan kapasitas aliran masuk fluida dingin 108 L/jam dengan suhu (Tc,i) 28ºC. Untuk perolehan data di lapangan diperoleh efektivitas APK maksimum sebesar 45.3965 % pada keadaan kapasitas aliran masuk fluida panas 510 L/jam dengan suhu (Th,i) 40ºC dan kapasitas aliran masuk fluida dingin 108 L/jam dengan suhu (Tc,i) 28ºC.