PENGARUH PERBANDINGAN TANPA SIRIP DENGAN SIRIP INNER TUBE DENGAN ALIRAN AIR BERLAWANAN TERHADAP EFISIENSI PERPINDAHAN PANAS PADA HEAT EXCHANGER

PENGARUH PERBANDINGAN TANPA SIRIP DENGAN SIRIP INNER TUBE DENGAN ALIRAN AIR BERLAWANAN TERHADAP EFISIENSI PERPINDAHAN PANAS PADA HEAT

EXCHANGER

Triyono kaloka¹, Nova Risdiyanto Ismail², Agus suyatno³ ABSTRAK

Bagian terpenting dari Heat excanger adalah inner tube. Salah satu contoh inner tube berbentuk ring dan normal, model demikian menyebabkan aliran air pendingin membentuk lintasan lurus atau laminer, sehingga pembuangan panas air didalam Heat excanger kurang optimal. Untuk meningkatkan pembuangan panas Heat excanger tersebut diperlukan aliran yang mampu menyerap panas dan membuangnya dengan optimal, yaitu dengan cara mengubah/memodifikasi inner tube berbentuk ring.Dengan demikian perlu dilakukan penelitian tentang pengaruh perbandingan tanpa sirip dengan sirip inner tube dengan aliran air berlawanan terhadap efisiensi perpindahan panas pada heat exchanger.

Penelitian ini membandingkan antara inner tube normal dengan inner tube ring pada kinerja perpindahan panas dengan aliran air berlawanan.Variabel bebasnya adalah : Membandingkan inner tube normal dengan inner tube ring. Variabel terikatnya adalah: Temperatur panas masuk (Th_in), Temperatur panas keluar (Th_out), Temperatur dingin masuk (Tc_in), Temperatur dingin keluar (Tc_out), debit aliran air panas (Qh) dan debit aliran air dingin (Qc).

Laju pembuangan panas pada inner tube ring lebih tinggi dibandingkan dengan inner tube standart. Kinerja mesin pada penggunaan inner tube ring lebih optimal

Kata kunci: Heat excanger, inner tube, Temperatur In, Temperatur Out.

PENDAHULUAN

Alat penukar panas atau Heat Exchanger (HE) adalah alat yang digunakan untuk memindahkan panas dari satu sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin.Biasanya, medium pemanas dipakai adalah air yang dipanaskan sebagai fluida panas dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water).Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien.

Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak,baik antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung (direct contact). Bagian terpenting dari heat exchanger adalah tube sebagai peralatan untuk mengalirkan fluida.Berbagai jenis material, variasi, dan arah aliran yang ada pada tube akan sangat mempengaruhi perpindahan panas yang terjadi.Pada heat exchanger yang banyak berada kita jumpai adalah tipe tube biasa.Maka dalam hal ini tube akan divariasi dengan memberikan jarak sirip pada inner tube.Oleh

karena itu perlu dilakukan penelitian dan penulis akan mengambil judul Pengaruh perbandingan tanpa sirip dengan sirip lurus dengan aliran air berlawanan terhadap efisiensi perpindahan panas pada heat exchanger.

TINJAUAN PUSTAKA

1. Teori Dasar Heat Exchanger

Alat penukar panas atau Heat Exchanger (HE) adalah alat yang digunakan untuk memindahkan panas dari sistem satu ke sistem lain tanpa terjadi perpindahan massa dan biasa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin.Biasanya,medium pemanas yang dipakai adalah air yang dipanaskan sebagai fluida panas dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water).Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien.Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak,baik antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung (direct contact).

2. Prinsip Kerja Heat Exchanger

Pada dasarnya prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari dua fluida pada temperatur berbeda,dimana transfer panas dapat dilakukan secara langsung ataupun tidak langsung.

a. Secara kontak langsung

Panas yang dipindahkan antara fluida panas dan dingin melalui permukaan kontak langsung berarti tidak ada dinding antara kedua fluida.Transfer panas yang terjadi yaitu melalui interfase/penghubung antara kedua fluida.

b. Secara kontak tak langsung

Perpindahan panas terjadi antara fluida panas dan dingin melalui dinding pemisah.Dalam sistem ini,kedua fluida akan mengalir dan dibatasi dengan dinding pemisah dan keduanya tidak bercampur.

3. Teori perpindahan panas

Perpindahan panas adalah proses berpindahnya energi kalor dari suatu tempat ketempat yang lain dikarenakan adanya proses perlakuan yang berbeda antara tempat yang satu dan tempat yang lain.Proses perlakuan yang dimaksud adalah proses melepas dan menyerap kalor.

Pada proses perpindahan ini ada dua reaksi,yaitu reaksi menyerap kalor dan reaksi melepas kalor,dimana tempat yang temperaturenya dingin akan cenderung untuk menyerap kalor dan sebaliknya tempat temperaturenya panas akan cenderung untuk melepas kalor.

Proses perpindahan panas ini dapat berlangsung dengan beberapa cara seperti :

1. Konduksi

Jika pada suatu terdapat suatu gradient suhu (temperature gradient) ,maka menurut pengalaman akan terjadi perpindahan panas dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah.Dapat dikatakan bahwa energy akan berpindah secara konduksi (conduction) atau hantaran.Laju perpindahan kalor dinyatakan sebagai berikut :

Q = k. A dx dT Keterangan :

Q = laju perpindahan kalor

2

K = Konduktivitas termal bahan (W/m °C) dx

dT = Gradien Temperature dalam arah aliran panas (°C/m)

2. Konveksi

Gambar 1. Perpindahan kalor konveksi dari suatu plat

Pada gambar 1 diatas, Tw adalah suatu plat T∞ adalah suhu fluida. Apabila kecepatan di atas plat adalah nol, maka kalor hanya dapat perpindah dengan cara konduksi.Akan tetapi apabila fluida diatas plat bergerak dengan kecepatan tertentu,maka kalor perpindah dengan cara konveksi,yang mana gradient suhu bergantung dari laju fluida membawa kalor.Sedangkan laju perpindahan kalor dipengaruhi oleh luas permukaan perpindahan kalor ( A ) dan beda suhu menyeluruh antara permukaan bidang dengan fluida yang dapat dirumuskan sebagai berikut :

q = h. A (TW – T) keterangan :

q = Perpindahan panas ( Watt ) h = Koefisien konveksi ( Watt/m² K ) A = Luas permukaan ( m² )

TW = Temperatur dinding ( K ) T = Temperatur fluida ( K )

Untuk keadaan yang sederhana,koefisien perpindahan panas konveksi ( h ) dapat diperhitungkan secara analisis,sedangkan untuk keadan yang rumit, harus diperhitungkan dengan cara eksperimen atau percobaan.

Perpindahan panas konveksi tergantung pada viskositas fluida,disamping ketergantunganya terhadap sifat-sifat termal fluida,seperti:konduktivitas termal,kalor spesifik,dan idensitas.Hal ini disebabkan karena viskositas mempengaruhi laju perpindahan energy di daerah dinding.

3. Radiasi

Merupakan proses perpindahan panas dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah

bila benda-benda itu terpisah didalam suatu ruangan bahkan bila terdapat diruang hampa diantara benda-benda tersebut.

Untuk radiasi diantara dua benda dapat dirumuskan :

q =

σσ σ σ

A (T₁⁴ – T₂⁴) Keterangan :

σ = konstanta Stefan-Boltzmann ( 5,67 x 10^–8 Watt / m². K⁴ )

A = luas bidang permukaan ( m²) T = temperature ( °K )

4. Beda Suhu Rata-rata Log (LMTD)

Perpindahan panas pipa ganda,aliran dapat terjadi sejajar atau berlawanan arah.Untuk menghitung perpindahan panas pipa ganda sebagai berikut :

T

m

UA

q = ∆

Keterangan :

U = Koefisien perpindahan panas menyeluruh

A = Luas permukaan perpindahan panas yang sesuai dengan U

Tm

∆ = Beda suhu rata-rata yang tepat untuk digunakan dalam alat penukar panas.

Untuk menghitung perpindahan panas yang melalui unsur luas dA dapat dituliskan :

c c c h

cchdT m cdT

m dq

•

• =−

−

=

Dimana,subkrip h untuk fluida panas dan c untuk fluida dingin.Persamaan perpindahan panas dapat dinyatakan sebagai :

(

T T

)

dA U

dq = _h − _c Untuk :

c c c

h h h

c m dT dq

c m dT dq

•

•

=

= −

fluida spesifik

kalor c

masa aliran

m

. .

.

=

• = Jadi,

( )















 +

−

=

−

=

− _{• •}

c c h h c h c h

c m c m dq T T d dT

dT 1 1

Jika, _{( )}

dA c m c m T U

T T T d

c c h h c

h c h















 +

−

− =

−

•

•

1 1

Persamaan deferensial ini dapat diinterasikan antara kondisi 1 dan 2 seperti pada gambar dibawah dan hasilnya :

( )















 +

−

− =

−

•

• c c h h c

h c h

c m c m T UA

T T

T 1 1

ln

1 1

2 2

Dari sini,maka kita harus mencari perbedaan suhu untuk pipa ganda sejajar, sebagai berikut :

1 2

2 1

c c c c

h h h h

T T c q m

T T c q m

= −

= −

•

•

Kemudian kita subtitusikan menjadi :

( )( )

( ) ( )

[ 2 2 1 1]

1 1 2 2

ln _{h c h c}

c h c h

T T T T

T T T UA T

q − −

−

= −

Sehingga beda suhu menjadi:

( )( )

( ) ( )

[ 2 2 1 1]

1 1 2 2

ln _{h c h c}

c h c h

m T T T T

T T T T T

−

−

−

= −

∆

Jika penukar panas bukan pipa ganda,maka diperlukan faktor koreksi terhadap LMTD.Untuk susunan pipa ganda aliran lawan arah dengan suhu fluida panas dan suhu fluida dingin yang sama.Sehingga bentuk persamaan perpindahan panasnya menjadi :

T

m

UAF q = ∆

Untuk kondisi pendidihan dan kondensasi F = 1,0 ( factor koreksi )

METODE PENELITIAN

a. Variabel Bebas : tanpa sirip dan siriplurus dengan variasi debit aliran.

b. Variabel Terikat : Temperatur panas masuk (T_inh), Temperatur panas keluar (Touth), Temperatur dingin masuk (Tinc), Temperatur dingin keluar (Toutc), Debit aliran air panas (Qh), Debit aliran air dingin (Q_c) dan LMTD.

Model Peralatan

Alat yang digunakan adalah heat exchanger (dapat dilihat pada gambar di bawah ini),dimana penelitian ini hanya memonitor ( meneliti ) temperature/panas fluida di pipa dengan tanpa sirip ( katup 1 ) dan sirip pelat memanjang/sirip lurus (katup 4),dengan tujuan untuk mendapatkan perbandingan efisiensi antara sirip lurus dan tanpa sirip dengan arah aliran fluida yang berlawanan arah antara panas dan dinginnya.Untuk model peralatan yang dipakai sebagai berikut:

Gambar 2 skema Heat Exchanger

Gambar 3 Heat Exchanger Pompa dihidupkan untuk memompa air dari tandon bawah ke tandon atas melalui pipa penyalur,pipa penyalur dilengkapi dengan tiga buah katup yang berfungsi sebagai pengontrol aliran air yang masuk ke tandon panas dan dingin, sehingga debit air pada tandon selalu stabil.Kemudian air yang terisi di tandon air dingin disalurkan sebagai media pendingin dan tandon air panas akan dipanaskan terlebih dahulu dipanaskan dan selanjutnya dialirkan ke inner tube pada heat exchenger.Pada proses pemanasan air ini menggunakan 2 macam heater,yaitu heater electric dan heater manual yang menggunakan gas LPG sebagai pemanasnya.Pertukaran panas dan dingin akan terjadi didalam heat exchenger. Kemudian air akan menuju tandon air bawah melalui saluran pipa keluar.

Prosedur Pengujian

Pengujian dilakukan pada bulan Agustus 2013 Di Laboratorium Fenomena Dasar Mesin Jurusan Teknik Mesin

dilakukan dengan pengulangan sebanyak 5 kali.Adapun prosedur dan lingkup pengujian sebagai berikut:

1. Pengujian di pipa tanpa sirip.

2. Pengujian di pipa sirip inner tube.

3. Arah aliran fluida adalah berlawanan arah (fluida panas dan fluida dingin).

4. Pengujian dilakukan dengan 5 kali proses pengulangan dengan periode 1 menit untuk setiap proses pengujian.

5. Proses pengujian dengan 5 jenis debit air yang berbeda-beda,dengan 5 kali pengulangan untuk setiap debit airnya.Untuk debit airnya adalah :

- 0,1 ltr/menit - 0,2 ltr/menit - 0,3 ltr/menit - 0,4 ltr/menit - 0,5 ltr/menit Metode Pengambilan Data.

Adapun pengambilan data dan peralatannya sebagai berikut:

1. Data debit diukur menggunakan gelas ukur dan stop watch.

2. Data temperatur menggunakan thermokopel.

3. Pengukuran temperature dilakukan sebanyak 5 kali dengan waktu 1 menit untuk satu kali pengambilan data.

Rencana Analisis Data

Melalui variabel bebas yang merupakan variasi dalam penelitian, kemudian diambil data temperatur dan kapasitas aliran,dari data yang diperoleh kemudian dilakukan uji data menggunakan uji statistik dan pengolahan data untuk mendapatkan LMTD.Dari hasil pengolahan data dapat dibuat grafik,dianalisis dan kemudian disimpulkan tingkat efisiensinya terhadap proses perpindahan panas tersebut.Grafik yang akan dibuat dan dianalisa sebagai berikut:

1. Grafik hubungan kecepatan aliran terhadap temperatur pada pengujian tanpa sirip dan dengan sirip lurus.

2. Grafik hubungan kecepatan aliran terhadap LMTD pada pengujian sirip

Diagram Alir Penelitian

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hubungan Perpindahan panas terhadap Debit Aliran 0,1 (liter/menit) inner tube standart

Gambar 4 Hubungan Perpindahan Panas terhadap Debit Aliran 0,1 (liter/menit)

Setelah mengamati grafik diatas dapat disimpulkan semakin tinggi debit aliran semakin meningkat juga perpindahan panasnya. Laju perpindahan panas paling besar terjadi pada aliran 0,5 liter/menit yaitu 242,84 J/s dan laju perpindahan panas paling rendah terjadi pada aliran 0,1 liter/menit yaitu 185,67 J/s.

Hubungan Perpindahan panas terhadap Debit Aliran 0,1 (liter/menit) inner tube ring

Gambar 5 hubungan perpindahan panas terhadap debit aliran 0.1 liter/menit inner tube

ring

Setelah mengamati grafik diatas dapat disimpulkan semakin tinggi debit aliran semakin meningkat juga perpindahan panasnya. Laju perpindahan panas paling besar terjadi pada aliran 0,5 liter/menit yaitu 277,11 J/s dan laju perpindahan panas paling rendah terjadi pada aliran 0,1 liter/menit yaitu 248,9 J/s.

Hubungan kecepatan aliran terhadap LMTD aliran 0.1 liter / menit

Gambar 6 hubungan kecepatan aliran terhadap LMTD aliran 0.1 liter /menit

Dari grafik gambar diatas menunjukan bahwa nilai LMTD mengalami peningkatan seiring dengan peningkatan debit aliran. Yaitu mengalami nilai LMTD tertinggi pada debit aliran 0,5 liter per menit dengan nilai LMTD 12,94, pada inner tube standart dan 17,53 pada inner tube ring. Nilai LMTD inner tube ring rata-rata selalu diatas dari nilai LMTD pada inner tube standart.

Kesimpulan

1. Laju perpindahan panas pada inner tube ring lebih tinggi dibandingkan dengan inner tube standart, hal ini dipengaruhi oleh perbedaan suhu masuk dan suhu keluar pada tube. Laju perpindahan tertinggi terjadi pada debit 0,5 liter permenit yaitu 277,11 J/s

2. Inner tube ring mempunyai laju pembuangan panas yang lebih besar, sehingga mengalami penurunan/proses pendinginan yang lebih baik, dan dapat dikatakan bekerja secara optimal.

3. LMTD pada inner tube ring paling tinngi adalah 17,53,dibandingkan dengan inner tube standart hanya 17,83.LMTD pada inner tube ring lebih besar dari LMTD inner tube standart.

6.DAFTAR PUSTAKA

Artono Koestoer, Raldi .”Perpindahan Kalor”.

Salemba Teknika. Jakarta 2002

Buku Ajar Diktat Perpindahan Panas Oleh Nova R Ismail, ST, MT.

Holman, JP. Alih bahasa E.Jasifi.

“Perpindahan Kalor”. Penerbit Erlangga.Jakarta.1995

http://repository.usu.ac.id/bitstream/12345678 9/18379/3/Chapter%20I

http://tutorialkuliah.blogspot.com/2009/10/alir an-fluida-pada-heat exchanger.html http://vedcadiklatki.blogspot.com/2010/08/pen

ukar-panas-heat-exchanger.html http://www.beck-fk.blogspot.com/2012/05/

alat-heat-exchanger.html

http://www.brighthub.com/engineering/mecha nical/articles/64548.aspx

http://www.scribd.com/doc/72839539/5/Jenis-

%E2%80%93-jenis-Heat-Exchanger http://www.usu.ac.id/id/files/artikel/shell_Tub

e

Kays,W.M. and London, A.L, “Compact Heat Exchanger”, 2 nd Edition McGraw-Hill, New York, 1964

Kern, DQ, “Process Heat Transfer”, Mc.Graw- Hill, New York, 1965

MC. Cabe, W.L, Smith, JC, Harriot, P, “ Unit Operation of Chemical Enginering”, 4th ed, Mc.Graw-Hill, New York, 1985, Chapter 11, 12, 15