BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Siklus Absorpsi
Siklus absorpsi adalah siklus termodinamika yang dapat digunakan sebagai siklus refrijerasi dan digerakkan oleh energi dalam bentuk panas. Ferdinand Carre,seorang perancis, menemukan sistem absorpsi dan memperoleh hak paten dari pemerintah Amerika Serikat pada tahun 1860. Kira-kira 100 tahun lalu setelah ditemukanya sistem refrijerasi mekanik. Penggunaan pertama sistem absorpsi di Amerika kemungkinan dilakukan oleh Negara-negara konfederasi selama perang sipil setelah suplai es alam dari utara dihentikan. Kepopuleran sistem refrijerasi absorpsi ini terhadap sistem refrijerasi mekanik dalam hal penggunaan energi dan biaya telah terasa sejak pertengahan abad ini (yaitu saat terjadinya krisi energi duniapada tahun 1970-an), hal ini sejalan dengan telah dilakukannya perbaikan perbaikan sistem absorpsi terutama oleh negara-negara asia timur jauh seperti jepang, korea, cina dan india.
Salah satu keistimewaan siklus ini adalah panas yang digunakan untuk menjalankan siklus dapat berupa sumber panas yang temperaturnya kurang dari 200 o
• Pembakaran dengan bahan bakar (direct-fired), dimana bahan bakar yang digunakan dapat berupa minyak bumi (solar) dan gas. Pada sistem pembakaran langsung diperlukan peralatan burner untuk pembakaran bahan bakarnya.
C. Sumber panas seperti ini adalah mudah untuk didapatkan secara gratis di sekitar kita seperti, panas buang dari knalpot dan bahkan energi matahari. Mesin siklus absorpsi terdiri dari tiga macam yaitu:
• Uap (steam-fired), tenaga yang dihasilkan berasal dari uap panas (steam) yang biasanya dihasilkan oleh stem boiler.
2.1.1 Teori Umum Siklus Absorpsi
Pada dasarnya siklus absorpsi memanfaatkan ikatan kimia antara dua zat yaitu zat penyerap dan zat yang diserap. Proses pengikatan ini dapat terjadi secara alami atau tanpa energi luar. Tetapi untuk proses pelepasan ikatannya, akan diperlukan panas. Setelah terpisah oleh panas , kedua pasangan zat ini akan dapat dicampur kembali. Proses ini dapat diulang menjadi sebuah siklus. Dan siklus inilah yang dimanfaatkan untuk dijadikan siklus refrigerasi dan menjadi dasar siklus absorpsi. Zat yang dapat diserap (diikat) oleh zat lain akan disebut absorbate, sementara zat yang bertugas menyerap (mengikat) akan dinamakan
absorben. Zat yang diikat bertindak sebagai fluida kerja yang melakukan pendinginan, sehingga absorbate sebagai refrijeran dan disebut juga fluida utama (primer), sedangkan fluida sekunder adalah absorben. Pasangan yang sering digunakan adalah Amonia dengan Air dan pasangan Litium Bromida dengan Air. Pasangan ini dapat dijumpai di pasaran pada mesin-mesin pendingin siklus absorpsi. Pada penelitian ini pasangan absorbent-absorbate yang digunakan adalah larutan ammonia-air. Air bertindak sebagai absorben (penyerap) dan amonia bertindak sebagai absorbate (yang diserap). Air akan menyerap amonia dan bersatu menjadi larutan. Dan larutan ini akan berpisah, jika diberikan panas tertentu. Siklus absorpsi menggunakan energi mekanik yang sangat kecil yaitu penggunaan pompa untuk mensirkulasikan fluida kerjanya, persentasinya hanya sekitar 1% dibandingkan dengan energi panas yang digunakan.
Siklus absorpsi sederhana terdiri atas beberapa komponen utama yaitu evaporator, kondensor, generator, absorber, katup ekspansi,dan pompa. Siklus
Gambar 2.1 Komponen utama siklus absorpsi sederhana
(Sumber : Miller, 2006; Moran, 1998; Shan, 1991)
Untuk mengetahui prinsip kerja siklus absorbsi sederhana ini maka pertama siklusnya dibagi menjadi dua bagian siklus, yaitu siklus pertama merupakan siklus ketika refrijeran terpisah dari absorben, ditunjukkan dengan titik 1-2-3-4. Siklus kedua adalah siklus dimana absorben dan refrijeran terlarut atau terikat. Pada gambar ditunjukkan pada titik 5-6-7-8. Penjelasan prinsip kerja siklus absorpsi sederhana ini dimulai dari titik 1-2-3-4.
Pada siklus pertama atau titik 1-2-3-4, yaitu :
1. Refrijeran menguap dari evaporator di titik 1. Kemudian uap ini akan masuk ke siklus kedua dan keluar di titik 2 pada kondisi uap kering (super heat) dan tekanan tinggi.
2. Dari titik 2, uap refrijeran masuk menuju kondensor. Di kondensor panas dilepaskan ke lingkungan. Proses pelepasan panas ini terjadi secara isobarik, dan akhirnya refrijeran berubah menjadi cair di titik 3. 3. Kemudian refrijeran mengalir dari titik 3 menuju titik 4. Pada proses
ini terjadi penurunan tekanan secara adiabatik oleh katub ekspansi. Pada saat tekanan turun temperatur juga akan turun dan sebagian cairan akan berubah menjadi uap di titik 4.
Pada siklus kedua atau titik 5-6-7-8, yaitu :
1. Setelah selesai dari siklus pertama uap refrijeran keluar dari titik 1 masuk ke absorber dan keluar melalui titik 6. Di absorber terjadi proses pengikatan uap oleh larutan yang datang dari titik 5 yaitu larutan konsentrasi lemah. Proses ikatan kimia ini akan melepas sejumlah panas ke lingkungan.
2. Kemudian larutan dari titik 6 menjadi larutan konsentrasi kuat akan dipompakan ke titik 7 menuju generator oleh pompa.
3. Larutan dari titik 7 masuk ke generator, disini larutan akan dipanaskan sehingga terjadi proses pelepasan refrijeran dan absorben. Refrijeran akan keluar dari titik 2 sedangkan absorben atau larutan konsentrasi lemah keluar dari titik 8.
4. Dari titik 8 larutan konsentrasi lemah akan diturunkan tekanannya oleh katub ekspansi dan keluar menuju titik 5. Sebagai catatan, untuk membuat siklus absorpsi dapat terjadi rasio tekanan pada generator atau kondensor dan absorber atau evaporator harus diatur cukup tinggi. Diagram p-h dari siklua absorpsi sederhana dengan komponen siklus kedua ditampilkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Diagram p-h siklus kompresi uap dan siklus absorpsi
2.1.2. Komponen Siklus Absorpsi
Mesin pendingin absorpsi bekerja secara siklus dimana terdapat beberapa komponen yang saling berhubungan satu sama lain diantaranya sebgai berikut :
• Generator
Pada sikus absorpsi generator berperan untuk menaikkan tekanan serta memberikan kalor terhadap larutan amonia-air sehingga uap amonia terpisah dari absorben. Generator akan menghasilkan uap amonia bertekanan tinggi yang selanjutnya masuk ke kondensor (Cengel, 1989) .
• Absorber
Absorber merupakan wadah untuk proses pelarutan uap amonia dengan absorben sekaligus sebagai alat penukar kalor untuk membuang panas yang dihasilkan selama proses absorpsi. Absorber memiliki dua sumber masukan yaitu uap amonia dari evaporator dan larutan konsentrasi lemah dari generator, larutan yang dihasilkan dari absorber adalah larutan amonia konsentrasi tinggi yang akan dipompakan ke generator (Miller, 2006)
• Kondensor
Tugas kondensor pada siklus absorpsi sama halnya pada siklus kompresi uap yaitu membuang panas ke lingkungan dengan media pendingin udara yang dialirkan oleh kipas ke sisi pipa kondensor. Pada kondensor terjadi perubahan fasa yaitu dari fasa uap menjadi fasa cair, refrijeran cair dengan tekanan tinggi selanjutnya masuk menuju katup ekspansi (Miller, 2006) .
• Evaporator
• Katup ekspansi
Katup ekspansi adalah komponen siklus absorpsi yang berfungsi untuk menurunkan tekanan dari refrijeran setelah keluar dari kondensor akibat dari penurunan tekan ini temperatur dari refrijeran juga akan menurun sesuai dengan penurunan tekanan (Miller, 2006) .
2.1.3. Perbedaan Sistem Absorpsi dengan Sistem Kompresi Uap
Siklus absorpsi hampir sama dalam beberapa hal dengan siklus kompresi uap. Siklus refrijerasi beroperasi dengan peralatan seperti kondensor,katup ekspansi, dan evaporator. Perbedaan yang mendasar hanyalah pada cara menaikkan uap tekanan rendah dari evaporator menjadi uap tekanan tinggi dan dialirkan ke kondensor. Sistem kompresi uap menggunakan kompresor untuk keperluan tersebut. Sedangkan pada sistem refrijerasi absorpsi menggunakan absorber-generator untuk mengganti peran kompresor pada sistem SKU.
Prinsip sederhana sistem absorpsi yaitu: pertama- tama, sistem absorpsi menyerap uap tekanan rendah ke dalam suatu zat cair penyerap (absorben) yang cocok dan merupakan pasangan biner dari refrijeran yang digunakan. Proses ini terjadinya sepenuhnya di absorber. Yang terkandung di dalam proses absorpsi yaitu konversi (perubahan) dari uap menjadi cair, Karena proses ini sama dengan kondensasi maka selama proses berjalan,kalor dilepaskan. Tahap berikutnya yaitu menaikkan tekanan zat cair dengan pompa ke generator. Dan tahap akhir adalah memanaskan zat cair penyerap dengan cara pemberian kalor sehingga uap tersebut memiliki tekanan yang tinggi dan siap untuk dialirkan ke kondensor.
2.2 Absorben
• Memiliki daya melarutkan bahan yang akan diabsorpsi yang sebesar mungkin (kebuthan akan cairan lebih sedikit,volume alat lebih kecil)
• Sedapat mungkin sangat reaktif • Memiliki tekanan uap yang tinggi • Mempunyai viskositas yang rendah • Stabil secara termis dan murah
2.3 Refrijeran
Refrijeran adalah zat yang mengalir dalam mesin pendingin (refrijerasi) atau mesin pengkondisian udara. Zat ini berfungsi untuk menyerap panas dari benda atau udara yang didinginkan dan membawanya kemudian membuangnya ke udara sekeliling di luar benda.
Berdasarkan jenis senyawanya, refrijeran dapat dikelompokkan menjadi 7 kelompok yaitu sebagai berikut :
1. Kelompok refrijeran senyawa halocarbon.
Kelompok refrijeran senyawa halocarbon diturunkan dari hidrokarbon (HC) yaitu metana (CH4), etana (C2H6), atau dari propane (C3H8
2. Kelompok refrijeran senyawa organic cyclic.
) dengan mengganti atom-atom hydrogen dengan unsur-unsur halogen seperti khlor (Cl), fluor (F), atau brom (Br). Jika seluruh atom hydrogen tergantikan oleh atom Cl dan F maka refrijeran yang dihasilkan akan terdiri dari atom khlor, fluor, dan karbon. Refrijeran ini disebut refrijeran chlorofluorocarbon(CFC). Jika hanya sebagian saja atom hydrogen yang digantikan oleh Cl dan atau F maka refrijeran yang terbentuk disebut hydrochlorofluorocarbon(HCFC). Refrijeran halocarbon yang tidak mengandung atom khlor disebut hydrofluorocarbon (HFC).
1) R-C316 C4Cl2F6
3. Kelompok refrijeran campuran zeotropik.
Kelompok refrijeran ini merupakan refrijeran campuran yang bias terdiri dari campuran refrijeran CFC, HCFC, HFC, dan HC. Refrijeran yang terbentuk merupakan campuran tak bereaksi yang masih dapat dipisahkan dengan cara destilasi.
4. Kelompok refrijeran campuran Azeotropik.
Kelompok refrijeran ini adalah refrijeran campuran tak bereaksi yang tidak dapat dipisahkan dengan destilasi. Refrijeran ini pada konsentrasi, tekanan dan temperature tertentu bersifat azeotropik, yaitu mengembun dan menguap pada temperature yang sama, sehingga mirip dengan refrijeran tunggal. Namun demikian pada kondisi (konsentrasi, temperature atau tekanan) yang lain refrijeran ini bisa saja menjadi bersifat zeotropik.
5. Kelompok refrijeran senyawa organic biasa.
Kelompok refrijeran ini sebenarnya terdiri dari unsur C, H dan lainnya. Namun demikian cara penulisan nomornya tidak dapat mengikuti cara penomoran refrijeran halocarbon karena jumlah atom H nya jika ditambah dengan 1 lebih dari 10 sehingga angka kedua pada nomor refrijeran menjadi dua digit. Sebagai contoh butane (C4H10
6. Kelompok refrijeran senyawa anorganik.
), jika dipaksakan dituliskan sesuai dengan cara penomoran refrijeran halocarbon, maka refrijeran ini akan bernomor R-3110, sehingga akan menimbulkan kerancuan.
Kelompok refrijeran ini diberi nomor yang dimulai dengan angka 7 dan digit selanjutnya menyatakan berat molekul dari senyawanya. Contoh dari refrijeran ini adalah:
2) R-704 : helium 3) R-717 : ammonia 4) R-718 : air 5) R-744 : oksigen
7. Kelompok refrijeran senyawa organik tak jenuh
Kelompok refrijeran ini mempunyai nomor 4 digit, dengan menambahkan angka keempat yang menunjukkan jumlah ikatan rangkap di depan ketiga angka yang sudah dibahas dalam sistem penomoran refrijeran halocarbon.
2.3.1 Amonia
Amonia adalah senyawa kimia dengan rumus NH3
Tabel 2.1 Sifat Amonia
. Biasanya senyawa ini didapati berupa gas dengan bau tajam yang khas I(disebut bau ammonia). Sifat ammonia dapat dilihat seperti tabel di bawah ini.
(Su
mbe
r : Chang, 2003)
Walaupun ammonia memberi sumbangan penting bagi keberadaan nutrisi di bumi, ammonia sendiri adalah senyawa kaustik dan dapat merusak kesehatan. Kontak dengan gas ammonia berkonsentrasi tinggi dapat menyebabkan kerusakan paru-paru dan bahkan kematian. Sekalipun ammonia diatur sebagai gas tak mudah terbakar, ammonia masih digolongkan sebagai bahan beracun jika terhirup.
Sifat Amonia Massa jenis Titik lebur Titik didih Klasifikasi EU
Panas Laten Penguapan (Le)
2.4 Evaporator
Evaporator mempunyai fungsi sebagai penukar kalor pada siklus refrijerasi atau pendinginan. Tekanan cairan refrigran yang diturunkan pada pipa kapiler, didistribusikan secara merata ke dalam pipa evaporator. Dalam hal ini refrigran akan menguap dan menyerap kalor udara luar yang dialirkan mengenai permukaan pipa bagian luar evaporator.
Kemampuan evaporator ditentukan oleh kemampuan laju perpindahan kalor yang dapat terjadi dalam evaporator itu sendiri. Artinya semakin besar koefisien perpindahan kalor , maka luas bidang pendingin yang diperlukan akan semakin kecil. Selain itu, semakin banyak benda yang akan didinginkan.
Dari pemakaiannya evaporator dibagi menjadi dua : 1. Ekspansi langsung (direct expansion)
2. Ekspansi tidak langsung (indirect expansion)
Evaporator dibagi menjadi dua dari cara kerjanya : 1. Evaporator kering (dry evaporator)
2. Evaporator banjir (flooded evaporator)
Dari konstruksinya terbagi menjadi tiga tipe : 1. Pipa saja (bare tube)
2. Pipa dengan rusuk-rusuk (finned) 3. Permukaan pelat (plate surface)
1. Bare Tube Evaporator
Gambar 2.3 Bare Tube Evaporator 2. Finned Evaporator
Rusuk-rusuk digunakan sebagai permukaan pengikat panas kedua, karena pada dasarnya hamper sama dengan bare tube evaporator. Mempunyai pengaruh untuk memperluas permukaan luar dari area evaporator, sehingga dapat meningkatkan efisiensi untuk pendinginan udara.
Dengan menggunakan bare tube evaporator kebanyakan dari udara yangdisirkulasikan di atas koil melewati ruang terbuka di antara pipa ,dan tidak bersentuhan langsung dengan permukaan koil. Ketika ditambahkan rusuk-rusuk koil, fins dapat memperluas ruang terbuka di antara pipa dan berfungsi sebagai pengumpul panas. Ukuran fin tergantung dari aplikasi yang diinginkan oleh desainer. Ukuran ppipa menentukan ukuran dari fin, ukuran pipa yang kecil membutuhkan fin yang kecil pula.
3. Plate Surface Evaporators
Beberapa disusun dari dua lembar pelat dari logam yang ditimbulkan dan di las bersama untuk menyediakan jalan bagi refrijeran mengalir di antara dua lembar pelat tersebut. Biasanya digunakan untuk refrijerasi rumah tangga dan lemari es, karena mudah dibersihkann, murah, serta tersedia dalam berbagai variasi bentuk.
Gambar 2.5 Plate Surface Evaporator
2.5 Perpindahan panas
baja sebagai fungsi waktu. Jenis-jenis perpindahan panas yang terjadi pada siklus absorpsi yaitu :
• Konduksi (hantaran) • Konveksi (aliran)
2.5.1 Perpindahan panas konduksi
Perpindahan kalor secara konduksi adalah proses perpindahan kalor dimana kalor mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah dalam suatu medium (padat,cair,gas) atau medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung. Secara umum laju aliran kalor secara konduksi dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut :
�
=
−��
��Tanda minus diselipkan agar memenuhi hokum ke 2 termodinamika yaitu kalor mengalir ke temperature yang lebih rendah. Perpindahan kalor secara hantaran/ konduksi merupakan satu proses pendalaman karena proses perpindahan kalor ini hanyan terjadi di dalam bahan. Arah aliran energy kalor, adalah dari titik bersuhu tinggi ke titik bersuhu rendah.
)
seorang pandai tempa harus memegang benda yang akan ditempa dengan sebuah tang. Bahan yang dapat menghantar kalor dengan baik dinamakan konduktor. Penghantar yang buruk disebut isolator. Sifat bahan yanag digunakan untuk menyatakn bahwa bahan tersebut merupakan suatu isolator atau konduktor ialah koefisien konduksi termal. Apabila nilai koefisien ini tinggi, maka bahan mempunyai kemampuan mengalirkan kalor dengan cepat. Untuk bahan isolator,koefisien ini bernilai kecil.
Pada umumnya, bahan yang dapat menghantar arus listrik dengan sempurna (logam) merupakan penghantar yang baik juga untuk kalor dan sebaliknya. Selanjutnya bila diandaikan sebatang besi atau sembarang jenis logam dan salah satu ujungnya diulurkan ke dalam nyala api. Dapat diperhatikan bagaimana kalor dipindahkan dari ujung ynag panas ke ujung yang dingin. Apabila ujung batang logam tadi menerima energy kalor dari api, energy ini akan memindahkan sebagian energy kepada molekul dan electron yang membangun bahan tersebut. Molekul dan electron merupakan alat pengankut kalor di dalam bahan menurut proses perpindahan panas konduksi. Dengan demikian dalam prosespengankutan kalor di dalam bahan, aliran electron akan memainkan peranan penting. Persoalan yang patut diajukan pada pengamatan ini ialah mengapa kadar alir energy kalor adalah berbeda. Hal ini disebabkan susunan molekul dan juga atom di dalm setiap bahan adalah berbeda. Unutuk satu bahan berfasa padat molekulnya tersusun rapat, berbeda dengan satu bahan berfasa gas seperti udara. Molekul udara adalah renggang sekali. Tetapi dibandingkan dengan bahan padat seperti kayu, dan besi, maka molekul besi adalah lebih rapat susunannya daripada molekul kayu.
Gambar 2.6 Tahanan termal pada permukaan silinder ( Sumber : Heat and mass transfer seventh edition, Incropera )
Dimana persamaan yang berlaku adalah : ��ℎ = ��
������
2��� ………(2.2)
Dimana : Rth = tahanan termal (0 ro = Jari jari luar (m)
C/W)
ri = Jari jari dalam (m)
L = Panjang pipa/silinder (m)
K = Konduktivitas dari benda (W/m0C)
2.5.2 Perpindahan Panas Konveksi
a) Sisi udara (Aliran Luar)
Gambar 2.7 Konveksi paksa aliran menyilang
( Sumber : Heat and mass transfer seventh edition, Incropera ) Pada persoalan aliran luar tersebut lapisan batas aliran berkembang secara bebas, tanpa batasan yang disebabkan oleh permukaan yang berada di dekatnya. Sehubungan dengan itu akan selalu ada daerah lapisan batas yang berada di sisi luar aliran dimana gradien kecepatan temperature dapat di abaikan. Sebagai contoh meliputi pergerakan fluida diatas plat datar dimana laju perpindahan panasnya :
�
=
ℎ
.
�
�. (
�
�− �
∞)………(2.3)
Dimana :
h = Koefisien perpindahan pans konveksi As = Luas permukaan perpindahan kalor Ts = Suhu pada plat
b) Sisi amonia (Aliran Dalam)
Gambar 2.8 Konveksi paksa aliran dalam
( Sumber : Heat and mass transfer seventh edition, Incropera )
Berbeda dengan aliran luar yang tanpa ada batasan luar,pada aliran dalam seperti halnya yang terjadi didalam pipa adalah sesuatu dimana fluida dibatasi oleh permukaan sehingga lapisan batas tidak dapat berkembang secara bebas seperti halnya pada luar.
Laju perpindahan panas aliran dalam :
�
=
ℎ
.
�
�. (
�
�− �
∞)
……….…………(2.4)h = Koefisien perpindahan pans konveksi As = Luas permukaan perpindahan kalor Ts = Suhu pada plat
T∞ = Suhu fluida
q = Laju perpindahan panas
c) Perpindahan panas secara keseluruhan
Pada banyak kasus perpindahan panas yang melibatkan proses konveksi dan konduksi, dimana laju perpindahan panas total :
�
=
�
.
�
�.
∆�
1� ……….……..(2.5)1
Panas dari generator di alirkan ke larutan ammonia yang besarnya dapat di tentukan dari persamaan :
�
=
�
.
�
�. (
�
��− �
��)……….………(2.7)
Dimana:
��0 = Suhu gas buang masuk generator ��� = Suhu gas buang keluar generator
2.6 Parameter dalam Perhitungan nilai Perpindahan Panas Evaporator Dalam alat penukar kalor diterapkan susunan tabung bersirip (finned tube) untuk membuang kalor dari fluida panas. Namun dalam pembahasan nilai nilai parameter penting untuk perhitungan laju perpindahan panas, laporan ini tidak di bahas mengenai efektifitas sirip atau fin melainkan hanya membahas mengenai perpindahan panas pasa tabung atau tube-nya saja, sehingga persamaan yang di bahas adalah tentang tube dengan perhitungan menggunakan persamaan konveksi yang secara umum digunakan pada penukar kalor pipa ganda (double pipe) ataupun tabung pipa (shell and tube). Seringkali salah satu fluida dalam penukar panas mengalir dalam pipa, sedang fluida yang lain mengalir dalam ruang annulus sebuah pipa yang lebih besar atau dalam ruang sebuah shell yang memuat banyak pipa, perpindahan panas berlangsung secara radial terhadap pipa. Antara lain fluida di dalam pipa dan permukaan dinding pipa sebelah dalam, panas dipertukarkan secara konveksi, kemudian panas menjalar secara konduksi melalui logam dinding pipa sedangkan diluar pipa terjadi lagi konveksi.
daripada untuk konveksi luar pipa. Banyak buku yang memuat keterangan tentang koefisien perpindahan panas baik dalam bentuk persamaan maupun dalam bentuk lain. Dalam mencari persamaan empiris ituharus diperhatikan sifat fluida,sifat aliran,jenis perpindahan panas (pemanasan atau pendinginan), letak pipa dan lain sebagainya.
2.6.1 Sifat sifat termodinamika fluida a) Temperatur rata-rata fluida
�
���=
���+2���………...………(2.8)Dimana : Temperatur inlet (Tci) Temperatur outlet (Tco)
b) Mencari Temperatur rata-rata udara
�
�����=
�ℎ�+2�ℎ�……….….(2.9)
Dimana : Temperatur inlet (Thi) Temperatur outlet (Tho)
2.6.2 Sifat aliran fluida
kecepatan yang berlainan dan tidak seragam sehingga setiap partikelnya mempunyai kesempatan yang sama untuk menyentuh permukaan atau dinding saluran, dengan demikian kesempatan fluida mengambil atau mentransfer panas pada dinding saluran menjadi lebih besar. Dalam heat exchanger selalu diinginkan agar alirannya turbulen sehingga kapasitas perpindahan panasnya meningkat. Aliran turbulen dapat diperoleh dengan pemasangan baffle atau dengan membuat permukaan dinding saluarn kasar. Jenis aliran turbulen atau laminar dapat ditentukan perhitungan bilangan reynold. Bilangan reynold untuk aliran dalam pipa dapat didefinisikan dengan menggunakan rumus :
�
�=
� .�µ .� ……….…………..(2.10)Keterangan : ρ = kerapatan fluida (kg/m3) V = kecepatan aliran (m/s) D = diameter pipa (m)
µ = viskositas dinamik (kg/m.s)
Bilangan Reynolds digunakan sebagai criteria untuk menunjukkan sifat aliran fluida, apakah aliran termasuk aliran laminar, transisi atau turbulen. Untuk Re < 2000 biasanya termasuk jenis aliran laminar sedangkan untuk 2000 < Re <4000 adalah jenis aliran transisi dan untuk Re> 4000 adalah jenis aliran turbulen.
Sedangkan bilangan nusselt untuk aliran turbulen yang sudah jadi atau berkembang penuh (fully developed turbulent flow) di dalam tabung licin dapat di tuliskan dengan persamaan :
��= 0,023 (��)0,8 (���)………(2.11)
Pada bagian pintu masuk dimana aliran belum berkembang atau bersifat aliran transisi, bilangan nusselt dapat dituliskan dalam persamaan :
��= 0,023 (��)0,8 (��)0,3 (�/�)0,055………..………(2.12)
��= 1,86 (��.��)0,8 (�/�)0,3 (µ/µ�)0,14……..………..(2.13)
Keterangan : n = 0,3 untuk pendingin n = 0,4 untuk pemanasan Re = Bilangan Reynolds Pr = Bilangan Prandtl d = diameter tabung L = Panjang tabung
2.6.3 Laju perpindahan kalor pada alat penukar kalor
Pada dasarnya laju perpindahan kalor pada alat penukar kalor dipengaruhi oleh adanya tiga (3) hal, yaitu:
1. Koefisien perpindahan kalor menyeluruh (U)
Nilai koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat didasarkan atas luas dalam atau luar tabung, menurut selera perancang sehingga cara menghitungnya bias dengan 2 cara yaitu:
• Koefisien perpindahan panas menyeluruh berdasarkan pipa dalam (Ui)
Ai = Luas permukaan dalam total (m2 ho = Koefisien perpindahan kalor konveksi
)
pada pipa bagian luar (W/m2
hi = Koefisien perpindahan kalor konveksi K)
pada pipa bagian dalam (W/m2 L = Panjang pipa
K)
K
material = Konduktivitas panas material (W/m0Koefisien perpindahan kalor pada masing masing proses perpindahan kalor dapat dijabarkan sebagai berikut :
K)
• Menghitung nilai koefisien perpindahan panas konveksi bagian dalam (hi)
��= ℎ�.��
� ………(2.16)
Keterangan :
hi = koefisien perpindahan panas konveksi bagian dalam (W/m2
• Menghitung nilai koefisien perpindahan panas konveksi bagian luar (ho)
��= ℎ�.��
� ……….(2.17)
Keterangan :
Nu = Bilangan nusselt
k = Kondukt ifitas thermal (W/m20 Do = Diameter luar (m)
C)
2. Luas perpindahan panas (A)
• Menghitung luas perpindahan panas (A)
Luas permukaan perpindahan panas permukaan dalam pipa (Ai) �� = � . �� .� ……….(2.18)
Luas permukaan perpindahan panas permukaan luar pipa (Ao) �� = � . �� .�
……….(2.19)
Luas permukaan penukar kalor total dapat juga dihitung berdasarkan persamaan :
• Luas permukaan penukar panas (Atotal)
�= �� . ������ . � .������ ……….…………(2.20)
�
�����=
��� . � . ������ ……….………….(2.21)
` Keterangan :
Ao = Luas permukaan total,dalam (m2 Ai = Luas permukaan total,luar (m
)
2
Do = Diameter pipa bagian luar total (m) )
Di = Diameter pipa bagian dalam (m) L = Panjang pipa (m)
F = Faktor koreksi
ΔT
LMTD = Beda suhu rata-rata log3. Beda suhu rata-rata log atau Logarithmic Mean Temperature Difference
(ΔLMTD)
��1 = �ℎ�− ��� ………..(2.22) ��2= �ℎ�− ��� ………..(2.23)
�
����=
����2−����21 ��1………..…………..(2.24)
Keterangan : Tci = Temperatur air masuk (C) Tco = Temperatur air keluar (C) Thi = Temperatur udara masuk (C) Tho = Temperatur udara keluar (C)
Dimana LMTD ini disebut beda suhu rata-rata log atau beda suhu pada satu ujung kalor dikurangi beda suhu pada ujung lainnya dibagi dengan logaritma alamiah daripada perbandingan kedua beda suhu pada ujung lainnya. Konfigurasi aliran alternative adalah alat penukar panas diman fluida bergerak dalam arah aliran melintang (cross flow) atau dengan sudut tegak lurus satu sama lainya melalui alat penukar panas tersebut, jika suatu penukar kalor yang bukan jenis pipa ganda digunakan, perpindahan kalor dihitung dengan menerapkan factor koreksi terhadap LMTD untuk pipa susunan ganda aliran lawan arah dengan suhu fluida panas dan dingin yang sama, maka persamaan perpindahan panas menjadi
2.6.4 Penukar panas dalam aliran paralel
Dari gambar di bawah ini,maka persamaan kekekalan energy dapat di tulis : ��= −�̇ .��ℎ .��ℎ ………..………..(2.25)
�� = �̇ .��� .��� ………..………(2.26)
��ℎ = −�̇�� ℎ .��ℎ
Dan
��� = −�̇�� � .���
Karena �(∆�) = ��ℎ− ���
Maka �(∆�) = −��( 1
��ℎ+
1
���) ……….………(2.27)
Perpindahan kalor dinyatakan dengan : ��= � . (�ℎ− ��).���
………...………(2.28)
Bila persamaan 2.28 di substitusikan ke persamaan 2.27 kemudian di integralkan :
∫�(∆�∆�)= −�(1
Apabila di substitusikan dengan persamaan 2.25 dan persamaan 2.26 maka :
ln�∆�2
2.6.5 Penukar panas dengan arah yang berlawanan
Laju perpindahan panas dapat ditulis seperti laju perpindahan panas aliran parallel namun untuk,
∆�1 = �ℎ� − �ℎ� ∆�2 = �ℎ�− �ℎ�
Gambar 2.10 Grafik penukar panas dengan aliran fluida berlawanan ( Sumber : Heat and mass transfer Cengel )
2.7 Faktor Pengotoran Evaporator
Faktor pengotoran 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 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 :
� = 1 0,0002 +(1
ℎ)
………..(2.27)
Tabel 2.2 Faktor pengotoran beberapa fluida
Fluida �� , �2 ,⁰�/�
Air laut, air sungai, air mendidih,
air suling
Bahan bakar 0,0009
Uap air (bebas minyak) 0,0001
Refrijeran (cair) 0,0002
Refrijeran (gas) 0,0004
Alcohol (gas) 0,0001
Udara 0,0004
