RANCANG BANGUN ALAT PENUKAR KALOR TIGA LAPIS TABUNG KONSENTRIS ALIRAN BERLAWANAN
SKRIPSI
Skripsi yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
OLEH:
M.RINKANTO NIM: 130401098
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
KATA PENGANTAR
Dengan memanjatkan puji syukur kehadirat ALLAH SWT, yang mana telah memberikan kesempatan kepada penulis sehingga bisa menyelesaikan skripsi ini sebagai syarat kelulusan tingkat Strata Satu di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Skripsi ini berjudul “Rancang Bangun Alat Penukar Kalor Tiga Lapis Tabung Konsentris Aliran Berlawanan”. Dalam penulisan skripsi ini, banyak tantangan dan hambatan yang penulis hadapi, baik secara teknis maupun non teknis. Penulis telah berupaya keras dengan segala kemampuan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh, serta bimbingan dan arahan dari dosen pembimbing.
Selama penulisan skripsi ini, penulis juga mendapatkan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis tidak lupa mengucapkan terimakasih kepada:
1. Kedua Orangtua penulis Dahliana Hasibuan dan Amirullah yang tidak henti memberikan kasih tanpa mengharap balas melalui doa, dana, dan restu sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
2. Bapak Dr. Ir. M. Sabri, M.T., selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
3. Bapak Terang Ukur Hidayat Solihin Ginting Manik, ST., M.T., selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin.
4. Bapak Drs A. Zulkifli Lubis,M.Sc, selaku dosen pembimbing dan Bapak Terang Ukur Hidayat Solihin Ginting Manik, ST., M.T. yang sudah membimbing dan memberikan solusi dalam berbagai permasalahan yang penulis hadapi dalam proses penyelesaian skripsi ini.
5. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU.
6. Rinaldy Valendry, Liyun Arun selaku rekan skripsi yang senantiasa memberi semangat dan dukungan dalam menghadapi setiap masalah.
7. Saudara-saudara penulis atas perhatian dan dukungan yang telah diberikan kepada penulis
8. Keluarga Besar Teknik Mesin USU Stambuk 2013, juga rekan-rekan yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah memberi bantuan dan doa.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi penyempurnaan dimasa mendatang.
Akhirnya penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Terima kasih.
Medan, Maret 2018 Penulis,
M.Rinkanto
NIM. 130401098
ABSTRAK
Alat penukar kalor (heat exchanger) merupakan alat yang menghasilkan perpindahan panas dari suatu fluida ke fluida lainnya. Penelitian ini bertujuan untuk merancang dan membangun alat penukar kalor tiga tabung konsentris dengan aliran berlawanan yang digunakan untuk menurunkan temperatur fluida panas. Fluida panas mengalir dibagian annulus pada tabung tembaga kedua, kemudian fluida dingin masing-masing mengalir didalam tabung tembaga pertama serta dibagian annulus pada tabung tembaga ketiga. Fluida panas yang digunakan adalah air dengan suhu 60ºC, untuk memanaskan air digunakan water heater dengan daya 1000 watt sedangkan fluida dingin yang digunakan adalah air dengan suhu 25ºC. Alat penukar kalor tiga tabung konsentris ini berukuran dengan panjang total tabung tembaga pertama 2,57 m dengan diameter ½ inch. Tabung tembaga kedua 2,22 m dengan diameter 1 inch. Tabung tembaga ketiga 1,74 m dengan diameter 1¾ inch. Alat pengukur temperatur fluida masuk dan keluar pada alat penukar kalor adalah termokopel yang kemudian diolah oleh software instacall dan tracerdag dikomputer melalui data acquisition module.
Kata kunci: alat penukar kalor, tabung tembaga, annulus, water heater
ABSTRACT
Heat exchangers is a device that produces heat transfer from one fluid to another fluid. This study was conducted to design and build triple concentric tube heat exchangers with counter flow which is used to reduce the temperature of the hot fluid. The hot fluid flows in the annulus section on the second copper tube, then the cold fluid each flows the first copper tube and annulus portion to the third copper tube. Hot fluid which is water with temperature 60ºC, to heat fluid used water heater with power 1000 watt while cold fluid which is air with temperature 25ºC. These four concentric tube heat exchangers with a total length of the first 2.57 m copper tube with an ½ inch diameter. The second copper tube is 2.22 m in diameter of 1 inch. The copper tube is 1.74 m long with a diameter of 1 ¾ inch.
The fluid in and out fluid temperature gauges on the heat exchanger can be measured are thermocouple which are then processed by software instacall and tracerdag from computer through the data acquisition module.
Keywords: heat exchanger, copper tube, annulus, water heater
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
ABSTRAK ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR TABEL... vii
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR NOTASI ... x
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Perancangan ... 2
1.3 Manfaat Penelitian ... 2
1.4 Batasan Masalah... 2
1.5 Metodologi Penulisan... 3
1.6 Sistematika Penulisan... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Perpindahan Kalor ... 5
2.1.1 Perpindahan Panas Konduksi (Hantaran)... 5
2.1.2 Perpindahan Panas Konveksi (aliran) ... 8
2.1.3 Perpindahan Panas Pancaran (Radiasi) ... 9
2.2 Heat Exchanger ... 10
2.2.1 Pengertian Heat Exchanger... 10
2.2.2 Prinsip Kerja Heat Exchanger ... 11
2.2.3 Aliran Fluida Heat Exchanger ... 12
2.3 Kegunaan Beberapa Jenis Alat Penukar Kalor ... 17
2.4 Jenis-jenis Heat Exchanger ... 20
2.5 Aliran didalam Alat Penukar Kalor... 23
2.5.1 Aliran didalam Pipa... 24
2.5.2 Aliran didalam Annulus Pipa ... 26
2.6 Koefisien Perpindahan Panas Rata-rata ... 28 2.7 Analisa Alat Penukar Kalor Dengan
Metode Log mean Temperature Difference (LMTD) ... 29
2.7.1 Alat Penukar Kalor Aliran Sejajar ... 29
2.7.2 Alat Penukar Kalor Aliran Berlawanan ... 31
2.8 Isolasi Panas ... 32
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 33
3.1 Tempat dan Waktu Pembuatan ... 33
3.1.1 Tempat Pembuatan ... 33
3.1.2 Waktu Pembuatan ... 33
3.2 Membuat Desain Alat Penukar Kalor Triple Concentric Tube... 33
3.3 Menggambar Desain Dengan Software... 33
3.4 Penyiapan Alat dan Bahan ... 34
3.4.1 Alat ... 34
3.4.2 Bahan ... 35
3.5 Skema Alat Penukar Kalor ... 37
3.5.1 Skema Pengujian Aliran Alat Penukar Kalor ... 37
3.6 Diagram Alir Pembuatan Alat... 38
BAB IV PERANCANGAN ALAT PENUKAR KALOR ... 39
4.1 Perancangan Dimensi Alat Penukar Kalor... 39
4.2 Isolasi dan Heat Loss Alat Penukar Kalor ... 49
4.3 Perancangan Rangka Alat Penukar Kalor ... 51
4.4 Perancangan Katup ... 51
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 53
5.1 Kesimpulan ... 53
5.2 Saran ... 53
REFERENSI ... xii
LAMPIRAN ... xiii
DAFTAR TABEL
TABEL 2.1 Bilangan Nusselt Untuk Aliran Laminar ... 27
TABEL 2.2 Konduktivitas Termal Bahan Isolasi ... 32
TABEL 4.1 Konduktivitas Material ... 40
TABEL 4.2 Asumsi Parameter Dalam Perhitungan ... 41
TABEL 4.3 Interpolasi Sifat Fluida Dingin (air) Tabung I ... 42
TABEL 4.4 Interpolasi Sifat Fluida Panas (air) Tabung II ... 43
TABEL 4.5 Interpolasi Sifat Fluida Dingin (air) Tabung III ... 44
TABEL 4.6 Tabel Dimensi Rangka ... 51
TABEL 4.7 Jenis Katup dan Koefisien Kehilangan Minor ... 52
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Gambar tabel konduktivitas termal beberapa bahan logam ... 6
Gambar 2.2 Skematik perpindahan panas pada batang ... 6
Gambar 2.3 Perpindahan panas secara konduksi ... 7
Gambar 2.4 Perpindahan panas secara konveksi ... 9
Gambar 2.5 Perpindahan panas secara radiasi (a) pada permukaan, (b) diantara sebuah permukaan dan lingkungan sekeliling ... 10
Gambar 2.6 Heat Exchanger ... 11
Gambar 2.7 Parallel flow ... 12
Gambar 2.8 Aliran temperatur dengan aliran searah ... 12
Gambar 2.9 Counter flow ... 13
Gambar 2.10 Aliran temperatur pada aliran berlawanan arah ... 13
Gambar 2.11 Tidak bersirip dengan satu fluida bercampur ... 14
Gambar 2.12 Bersirip dengan kedua fluidanya tidak campur ... 14
Gambar 2.13 Alat penukar kalor 1-1 pass ... 15
Gambar 2.14 Alat penukar kalor 1-2 pass ... 15
Gambar 2.15 Mesin refrigrasi pendingin air (water cooled chiller) ... 17
Gambar 2.16 Kondensor ... 18
Gambar 2.17 Mesin Pendingin ... 18
Gambar 2.18 Alat penukar kalor dengan tabung tipe U... 18
Gambar 2.19 Alat pemanas ulang ... 19
Gambar 2.20 Evaporator ... 19
Gambar 2.21 Alat pemanas air pengisi ketel ... 20
Gambar 2.22 Shell and tube heat exchanger ... 20
Gambar 2.23 Aliran double pipe heat exchanger ... 21
Gambar 2.24 Double pipe heat exchanger ... 21
Gambar 2.25 Double pipe heat exchanger aliran Prallel dan counter flow ... 22
Gambar 2.26 Double-pipe heat exchangers in series ... 22
Gambar 2.27 Coiled Tube Heat Exchanger ... 22
Gambar 2.28 Spiral Heat Exchanger ... 23
Gambar 2.29 Gasket plate exchanger ... 23
Gambar 2.30 Eksperimen untuk menentukan aliran ... 24
Gambar 2.31 Alat penukar kalor double pipe ... 26
Gambar 2.32 Jaringan resistansi termal pada APK double pipe ... 28
Gambar 2.33 Distribusi suhu pada alat penukar kalor aliran searah ... 30
Gambar 2.34 Distribusi suhu pada alat penukar kalor aliran berlawanan... 31
Gambar 3.1 Water Heater ... 34
Gambar 3.2 Data acquisition module ... 34
Gambar 3.3 Flow meter... 35
Gambar 3.4 Pompa ... 35
Gambar 3.5 Pipa Tembaga ... 36
Gambar 3.6 Ball Valve ... 36
Gambar 3.7 Skema Alat Penukar Kalor ... 37
Gambar 3.8 Skema alat penukar kalor Counter flow ... 37
Gambar 3.9 Diagram Alir Pembuatan Alat ... 38
Gambar 4.1 Pipa tembaga pada alat penukar kalor ... 39
Gambar 4.2 Rancangan Alat Penukar Kalor ... 48
Gambar 4.3 Alat Penukar Kalor ... 49
Gambar 4.4 Alat Penukar Kalor Dengan Isolasi ... 49
Gambar 4.5 Rancangan Rangka ... 51
DAFTAR NOTASI
SIMBOL KETERANGAN SATUAN
A Luas Penampang m²
∆T Perbedaan Temperatur ºC
Fluks Panas W/m² Viskositas Dinamis N.s/m²
ρ Massa Jenis kg/m³
Panas Jenis Fluida J/kg.K
V Kecepatan Fluida m/s
h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi W/m².K
Area Permukaan Perpindahan Panas m² Temperatur Permukaan Benda ºC
` Temperatur Lingkungan Sekitar Benda ºC
Konstanta Stefan-Boltzmann W/m².
ṁ Laju Aliran Massa Fluida kg/s
Re Bilangan Reynold
Di Diameter Pipa m
Diameter Hidrolik m
P Keliling Penampang pipa m
Nu Bilangan Nusselt
Pr Bilangan Prandlt
Diameter Luar Tabung m
Diameter Dalam Tabung m
ui Bilangan Nusselt Tabung Bagian Dalam u Bilangan Nusselt Tabung Bagian Luar
L Panjang Tabung m
R Tahanan Termal m². ºC/W
Luas Area Permukaan Dalam APK m²
Luas Area Permukaan Luar APK m²
U Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh W/m² ºC
Q Laju Perpindahan Panas W
ṁ Laju Aliran Massa Fluida Dingin kg/s
ṁ Laju Aliran Massa Fluida Panas kg/s
Panas Jenis Fluida Dingin J/kg.K
Panas Jenis Fluida Panas J/kg.K
Suhu Fluida Panas ºC
Suhu Fluida Dingin ºC
Temperatur Fluida Panas Masuk ºC
Temperatur Fluida Panas Keluar ºC
Temperatur Fluida Dingin Masuk ºC
Temperatur Fluida Dingin Keluar ºC
Beda Suhu Rata-rata Logaritma ºC
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Teknologi diciptakan untuk mempermudah manusia melakukan berbagai kegiatan atau pekerjaan. Diera globalisasi ini, teknologi tidak hanya digunakan untuk mempermudah pekerjaan manusia, tetapi untuk meningkatkan nilai ekonomis yang juga berdampak kepada tingkat kesejahteraan manusia itu juga.
Pada masa sekarang ini juga manusia dituntut untuk menciptakan teknologi yang efesien dan efektif tanpa mengurangi performa dari teknologi tersebut. Misalnya alat penukar kalor yang merupakan salah satu alat yang digunakan untuk memindahkan kalor dari satu 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 dunia industri alat yang disebut heat exchanger (alat penukar kalor) ini sangat banyak digunakan. Berbagai jenis alat penukar kalor digunakan untuk mencapai tujuan yang diinginkan, seperti untuk memanaskan produk ataupun untuk mendinginkan produk. Untuk mengembangkan teknologi khususnya alat penukar kalor maka dari pada itu dalam hal ini perlu dilakukan rekayasa teknologi alat penukar kalor, dalam hal ini juga dilakukan pengembangan alat penukar kalor dengan tipe tiga lapis tabung kosentris (triple concentric tube heat exchanger), tipe ini memiliki keunggulan dalam hal efektivitas dan efesiensi kinerja dari jenis alat penukar kalor double tube heat exchanger, maka dari pada itu tipe alat penukar kalor ini perlu dikembangkan dan diteliti lebih lanjut. Pada perancangan alat penukar kalor triple concentric tube yang dikembangkan oleh zuritz bahwa pembuatan ruang annular pada tabung dibagian dalam dapat meningkatkan efisiensi perpindahan panas secara keseluruhan dan mengurangi panjang dari alat penukar kalor hampir 25% [1]. Dalam perkembangannya heat exchanger mengalami transformasi bentuk yang bertujuan untuk meningkatkan efesiensi sesuai dengan fungsi kerjanya [2]. Heat exchanger merupakan media viral didalam dunia industri, Untuk itu dalam tugas akhir ini direncanakan sebuah heat
exchanger model triple concentric tube yang berfungsi sebagai pemanas dan pendingin air namun tetap mengacu pada kaidah desain yang ada [3]. Sehingga didapat keuntungan sebagai metode pembelajaran mengenai proses desain, mekanisme kerja, hingga unjuk kerja heat exchanger.
1.2 Tujuan Perancangan
Tujuan dari pengujian ini adalah :
1. Merancang dan membangun alat penukar kalor tiga lapis tabung konsentris sebagai pendingin air, serta memakai material tembaga pada alat penukar kalor karena mempunyai koduktifitas termal yang tinggi.
2. Merancang dan membangun rangka untuk alat penukar kalor sebagai pendingin air.
3. Menghitung koefisien perpindahan panas pada tiap-tiap tabung dan menghitung panjang keseluruhan dari alat penukar kalor.
1.3 Manfaat penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah :
1. Pembuatan heat exchanger ini digunakan sebagai sarana latihan untuk mendesain, membuat, serta menganalisa peralatan dan bahan yang dipakai pada alat penukar kalor.
2. Rancangan heat exchanger ini dapat digunakan untuk menurunkan temperatur air panas atau sebagai pendingin.
3. Heat exchanger yang dibuat dapat digunakan sebagai sarana praktikum konversi energi, khususnya mengenai perpindahan kalor.
1.4 Batasan Masalah
Batasan masalah penelitian ini adalah:
1. Kehilangan panas yang tejadi pada APK sangat kecil, untuk itu panas yang keluar dari isolator dianggap diabaikan.
2. Kehilangan panas yang terjadi pada sambungan pipa PVC dianggap diabaikan karena konduktifitas termal sangat kecil.
3. Laju aliran yang terjadi dialat APK dianggap konstan.
4. Rugi daya pada pompa sangatlah kecil.
5. Pengotor pada alat penukar kalor diabaikan karena fluida yang digunakan pada pengujian alat penukar kalor ini air PDAM.
1.5 Metodologi Penulisan
Metodologi penulisan yang digunakan pada penulisan skripsi ini adalah sebagai berikut:
1. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku dan jurnal-jurnal yang terkait.
2. Mempersiapkan alat penelitian yang akan digunakan dalam penelitian.
3. Metode studi lapangan, yaitu dengan mengambil data dari hasil pengujian yang dilakukan dilaboratorium prestasi mesin.
4. Pengolahan data yang dihasilkan dan analisa.
5. 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:
1. Bab I : Pendahuluan
Bab ini berisikan latar belakang, tujuan, manfaat, dan batasan masalah penelitian, dan metodologi penulisan.
2. Bab II : Tinjauan Pustaka
Bab ini menjelaskan tentang dasar teori perpindahan kalor dan pengertian serta prinsip kerja heat exchanger.
3. Bab III : Metode Penelitian
Bab ini menjelaskan memberikan informasi mengenai tempat dan waktu pembuatan alat penukar kalor, menjelaskan alat dan bahan yang digunakan.
4. Bab IV : Hasil Pengujian dan Pembahasan
Bab ini memaparkan tentang perhitungan untuk mendapatkan dimensi dari alat penukar kalor.
5. Bab V : Kesimpulan dan Saran
Bab ini sebagai penutup berisikan kesimpulan dan saran yang diperoleh.
6. Daftar Pustaka
Daftar pustaka berisikan literatur yang digunakan untuk menyusun laporan.
7. Lampiran
Pada Lampiran dapat dilihat hasil data yang diperoleh dari pengujian dalam bentuk tabel dan gambar.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Perpindahan Kalor
Perpindahan kalor dari suatu zat ke zat yang lain seringkali terjadi dalam kehidupan sehari-hari, baik penyerapan atau pelepasan kalor untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Kalor sendiri adalah bentuk energi yang dapat berpindah atau mengalir dari benda yang memiliki kelebihan kalor menuju benda yang kekurangan kalor.
Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energy tidak dapat musnah, contohnya hukum kekekalan massa dan momentum, ini artinya kalor tidak hilang.
Energi hanya berubah bentuk dari bentuk yang pertama kebentuk yang kedua.
Kalor dapat berpindah dengan tiga macam, yaitu : 1. Hantaran, atau sering disebut konduksi.
2. Aliran atau sering disebut dengan konveksi.
3. Pancaran, atau sering disebut dengan radiasi.
2.1.1 Perpindahan panas konduksi (hantaran)
Yang dimaksud dengan konduksi (hantaran) adalah perpindahan kalor melalui satu jenis zat. Sehingga perpindahan kalor secara konduksi merupakan suatu proses dalam, karena proses perpindahan kalor ini hanya terjadi di dalam bahan. Arah aliran energi panas adalah titik bersuhu tinggi ke titik bersuhu rendah.
Bahan yang dapat menghantarkan kalor yang baik disebut konduktor, dan penghantar panas yang buruk disebut isolator. Sifat bahan yang digunakan untuk menyatakan bahwa bahan tersebut merupakan suatu isolator atau konduktor adalah koefisien konduksi termal (k). Apabila nilai koefisien tinggi, maka bahan mempunyai kemampuan mengalirkan kalor dengan cepat. Untuk bahan isolator, koefesien ini bernilai kecil. Pada umumnya, bahan yang dapat menghantar arus listrik dengan sempurna (logam) merupakan penghantar yang baik, juga untuk
kalor dan sebaliknya. Pada gambar 2.1 dibawah ini dapat diketahui sifat-sifat suatu material.
Gambar 2.1 Gambar tabel konduktivitas termal beberapa bahan logam [4]
Contohnya sebuah batang silinder dengan material tertentu dimana tidak ada isolasi pada sisi terluarnya dan salah satu ujungnya dipanaskan dengan api sehingga kedua ujung permukaannya memiliki suhu yang berbeda yakni T₁ >T₂ Seperti yang terlihat pada gambar 2.2 dibawah ini :
Gambar 2.2 Skematik perpindahan panas pada batang [2]
Kita dapat mengukur laju perpindahan panas qₓ, dan kita dapat menentukan qₓ bergantung pada variable-variabel berikut : ∆T, yakni perbedaan temperatur ; ∆x, yakni panjang batang ; dan A, yakni luas penampang tegak lurus
bidang. Jika ∆T dan ∆x adalah konstan dan hanya memvariasikan A, maka kita dapat melihat bahwa qx berbanding lurus dengan A. Dengan cara yang sama, jika
∆T dan A adalah konstan, kita dapat melihat bahwa qₓ berbanding lurus dengan
∆T. Sehingga kita dapat menyimpulkan bahwa [9]
qₓ = A
………..(2.1)
Dimana:
qₓ = Laju Perpidahan Panas (W)
A = Luas Penampang Tegak Lurus Bidang (m²)
∆T = Perbedaan Temperatur (ºC)
∆x = Panjang Batang (m)
Gambar 2.3 berikut ini adalah perpindahan panas secara konduksi melalui dinding dengan ketebalan ∆x.
Gambar 2.3 Perpindahan panas secara konduksi [2]
Dengan memperhatikan material batang, sebagai contoh plastik, kita akan menemukan bahwa kesebandingan diatas adalah valid. Namun, kita juga menemukan bahwa untuk nilai A, ∆x, dan ∆T yang sama, akan menghasilkan nilai qx yang lebih kecil untuk material plastik dibandingkan 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 merupakan sifat material yang penting. Dengan menggunakan limit ∆x → 0 kita mendapatkan persamaan laju perpindahan panas,
qₓ = -kA
...(2.3) Dimana:
qₓ = Laju Perpidahan Panas (W) k = Konduktifitas Thermal (W/m.K)
A = Luas Penampang Tegak Lurus Bidang (m²) dT/dx = Gradien Temperatur (K/m)
atau persamaan flux panas menjadi:
q” ₓ = = -k
...(2.4) 2.1.2 Perpindahan Panas Konveksi (aliran)
Yang dimaksud dengan konveksi adalah perpindahan kalor oleh gerak dari zat yang dipanaskan. Konduksi dan konveksi membutuhkan media perantara dalam proses perpindahan panasnya. Berbeda dengan konduksi, konveksi membutuhkan gerakan fluida untuk dapat memindahkan panas. Penelitian menunjukkan bahwa perpindahan panas konveksi sangat bergantung pada sifat- sifat fluida seperti viskositas dinamis , konduktivitas termal k, massa jenis , dan spesifik panas , dan dipengaruhi oleh kecepatan fluida V. Konveksi juga bergantung pada bentuk dan kekerasan permukaan, dan bahkan juga dipengaruhi oleh tipe aliran seperti laminar atau turbulen. Perpindahan panas secara konveksi dapat dikelompokkan menurut gerakan alirannya, yaitu konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced convection). Apabila gerakan fluida tersebut terjadi sebagai akibat dari perbedaan densitas (kerapatan massa) yang disebabkan oleh gradien suhu maka disebut konveksi bebas atau konveksi alamiah (natural convection). Bila gerakan fluida tersebut disebabkan oleh penggunaan alat dari luar, seperti pompa atau kipas (fan) maka prosesnya disebut konveksi paksa. Sehingga kita dapat menyimpulkan bahwa perpindahan panas secara konveksi adalah kompleks karena bergantung pada banyak variable. Oleh karena itu, konveksi adalah mekanisme perpindahan panas yang paling kompleks.
Meskipun konveksi adalah kompleks, setelah diamati bahwa laju perpindahan panas secara konveksi berbanding lurus dengan perbedaan temperatur dan dapat ditulis dengan Hukum Newton tentang perbandingan. Berikut pada gambar 2.4
Gambar 2.4 Perpindahan panas secara konveksi [4]
qkonveksi = h - ...(2.5) Dimana:
h = Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (W/m².K) q = perpindahan panas secara konveksi (W)
= Luas Permukaan Perpindahan Panas (m²) = Temperatur Permukaan Benda (ºC)
= Temperatur Lingkungan Sekitar Benda (ºC)
2.1.3 Perpindahan Panas Pancaran (Radiasi)
Yang dimaksud dengan pancaran (radiasi) ialah perpindahan kalor melalui gelombang dari suatu zat ke zat yang lain. Semua benda memancarkan kalor, keadaan ini baru terbukti setelah suhu meningkat. Pada hakekatnya, proses perpindahan kalor radiasi terjadi dengan perantaraan foton dan juga gelombang electromagnet. Apabila sejumlah energi kalor menimpa suatu permukaan, sebagian akan dipantulkan, sebagian akan diserap kedalam bahan, dan sebagian akan menembus bahan dan terus ke luar. Jadi dalam mempelajari perpindahan kalor secara radiasi, maka akan dilibatkan suatu fisik permukaan. Ciri-ciri radiasi yaitu :
1. Kalor radiasi merambat lurus
2. Untuk perambatan kalor tidak membutuhkan medium (misalnya zat cair atau gas).
Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan berasal energy panas materi yang dibatasi oleh permukaan, dan tingkat dimana energi yang dilepaskan persatuan luas disebut emissive power (E). Rumus dari Stefan-Boltzmann law untuk menghitung emissive power adalah :
= ……….(2.6)
Rumus ini berlaku pada benda hitam atau radiasi ideal, dan :
= ɛ ………..(2.7)
Rumus ini berlaku pada benda real. Dimana : = Daya radiasi
ɛ = Emisivitas
= Konstanta Stefan-Boltzman (5,67 x W/m².K⁴) Ts = Temperatur (K)
Rumus ini berlaku pada benda hitam atau radiasi ideal. Pada gambar 2.5 dibawah ini dapat dilihat perpindahan panas secara radiasi.
Gambar 2.5 Perpindahan panas secara radiasi (a) pada permukaan, (b) diantara sebuah permukaan dan lingkungan sekeliling [4]
Dengan menganggap permukaan benda yang kecil As, emisivitas ɛ, 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 yang sempurna. Pada temperature dan panjang gelombang yang tertentu, tidak ada permukaan yang dapat memancarkan energi yang lebih banyak dari pada blackbody. Blackbody menyerap semua radiasi tanpa memperhatikan panjang gelombang dan arahnya.
2.2 Heat Exchanger
2.2.1 Pengertian Heat Exchanger
Secara umum pengertian alat penukar panas atau heat exchanger (HE), adalah suatu alat yang digunakan sebagai media memindahkan panas dan bisa
berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium pemanas dipakai uap panas (super heated steam) dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water). Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antara fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung begitu saja. Penukar panas sangat luas dipakai dalam industri seperti kilang minyak, pabrik kimia maupun petrokimia, industry gas alam, refrijerasi dan pembangkit listrik.
Gambar 2.6 Heat Exchanger [6]
2.2.2 Perinsip Kerja Heat Exchanger
Prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari dua fluida atau lebih 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. Biasanya pada kontak langsung terjadi juga perubahan fasa pada fluida tersebut. Contoh: aliran steam pada kontak langsung yaitu 2 zat cair yang immiscible (tidak bercampur), gas liquid, dan partikel padat-kombinasi fluida.
b. Secara kontak tidak langsung
Perpindahan panas terjadi antara fluida panas dan dingin melalui dinding pemisah. Dalam sistem ini, kedua fluida akan mengalir dan fluida panas tidak berhubungan langsung (indirect contact) dengan fluida dingin. Jadi proses perpindahan panasnya itu mempunyai media perantara, seperti pipa, plat, atau
peralatan jenis lainnya. Untuk meningkatkan efektivitas pertukaran energi, biasanya bahan permukaan pemisah dipilih dari bahan-bahan yang memiliki konduktifitas termal yang tinggi seperti tembaga dan aluminium. Dengan bahan pemisah yang memiliki konduktifitas termal yang tinggi diharapkan tahanan termal bahan tersebut akan rendah sehingga seolah-olah antara kedua zat saling dipertukarkan energinya seperti kontak langsung.
2.2.3 Aliran Fluida Heat Exchanger
Alat penukar kalor (heat exchanger) secara tipikal diklasifikasikan berdasarkan susunan aliran (flow arrangement) dan tipe konstruksi.
a. Berdasarkan arah aliran fluida, heat exchanger dapat dibedakan menjadi:
1. Heat exchanger dengan aliran searah (co-current/parallel flow)
Pertukaran panas jenis ini, kedua fluida (dingin dan panas) masuk pada sisi heat exchanger yang sama, mengalir dengan arah yang sama, dan keluar pada sisi yang sama. Karakter heat exchanger jenis ini, temperatur fluida dingin yang keluar dari heat exchanger (Tco) tidak dapat melebihi temperature fluida panas yang keluar (Tho), sehingga diperlukan media pendingin atau media pemanas yang banyak. Berikut merupakan gambar aliran searah :
Gambar 2.7 Parallel flow [4]
Gambar 2.8 Aliran temperatur dengan aliran searah [2]
2. Heat exchanger dengan aliran berlawanan arah (counter-current flow) Heat exchanger jenis ini memiliki karakteristik; kedua fluida (panas dan dingin) masuk ke heat exchanger dengan arah berlawanan, mengalir dengan arah berlawanan dan keluar heat exchanger pada sisi yang berlawanan. Berikut merupakan gambaran aliran berlawanan arah.
Gambar 2.9 Counter flow [4]
Gambar 2.10 Aliran temperatur pada aliran berlawanan arah [2]
3. Heat Exchanger dengan aliran silang (cross flow)
Heat exchanger jenis ini, kedua fluida (panas dan dingin) masuk kedalam heat exchanger dengan arah bersilangan. Aliran cross flow ini terbagi menjadi 2 (dua) yaitu:
a) Aliran menyilang satu fluida bercampur (mixed) dan satu fluida tidak bercampur (unmixed)
Fluida yang mengalir didalam tabung digunakan untuk memanaskan, sedangkan fluida yang dipanaskan dialirkan menyilang berkas tabung. Aliran yang menyilang berkas tabung disebut arus campuran karena dapat bergerak dengan bebas selama proses perpindahan panas.
Gambar 2.11 Tidak bersirip dengan satu fluida bercampur [4]
Dalam aliran campuran terdapat beberapa tipe yaitu : Immiscible fluids, Gas liquid, Liquid vapor.
b) Aliran menyilang kedua fluida tidak bercampur (unmixed)
Untuk penukaran kalor ini, fluida pemanas dan fluida yang akan dipanaskan terkurung didalam saluran-saluran sehingga fluida tidak dapat bergerak bebas selama proses perpindahan kalor. Fluida disebut fluida tak campur karena sirip-sirip menghalangi gerakan fluida dalam satu arah y gerak tersebut melintang kearah aliran utama x.
Gambar 2.12 Bersirip dengan kedua fluidanya tidak campur [4]
b. Berdasarkan jumlah laluan fluida, heat exchanger dapat dibedakan menjadi:
1. Shell pass atau lintasan shell
Yang dimaksud dengan pass shell adalah laluan yang dilakukan fluida melalui dari saluran masuk, melewati bahagian dalam shell dan mengelilingi tabung dan keluar dari tabung. Apabila laluan ini dilakukan satu kali maka disebut 1pass shell.
2. Tube Pass atau lintasan tube
Yang dimaksud tube pass atau lintasan tube adalah laluan yang dilakukan
Apabila fluida itu membelok lagi kedalam tube sehingga terjadi dua kali laluan fluida dalam tube maka disebut 2 pass tube.
Biasanya laluan shell pass itu lebih sedikit bila dibandingkan dengan tube pass, beberapa contoh dari jumlah laluan heat exchanger dapat dilihat dibawah ini:
a. Laluan 1-1
Yang dimaksud laluan 1-1 adalah aliran fluida panas dalam kondisi 1 pass shell tube dalam kondisi 1 pass tube. Secara sederhana konstruksinya dapat dilihat pada gambar dibawah ini :
Gambar 2.13 Alat penukar kalor 1-1 pass [6]
Aliran fluida sebelah shell akan berbelok-belok mengikuti sekat-sekat yang ada, jumlah sekat yang dipasang akan mempengaruhi perpindahan panas yang terjadi.
b. Laluan 1-2
Yang dimaksud laluan 1-2 adalah aliran didalam shell 1 pass, dan aliran fluida pada sisi tube 2 pass. Untuk memperoleh laluan 2 pass pada sisi tube dipergunakan floating heat seperti gambar dibawah ini :
Gambar 2.14 Alat penukar kalor 1-2 pass [6]
Selain laluan 1-1, 1-2 masih ada juga laluan 1-4 pass, 1-6 pass dan 1-8 pass. Pada dasarnya, prinsip yang digunakan sama dengan laluan 1-1, 1-2 pass dan semua jenis ini hampir sering dipakai oleh pabrik-pabrik.
c. Berdasarkan jumlah laluan fluida, heat exchanger dapat dibedakan menjadi:
1. Dua jenis fluida
2. Tiga jenis fluida atau lebih
d. Berdasarkan Konstruksi, heat exchanger dapat dibedakan menjadi : 1. Konstruksi tabung (tubular):
a. Tube ganda (double tube)
b. Konstruksi shell and tube, sekat plat (plat baffle), sekat batang (rod baffle) c. Konstruksi tube spiral
2. Konstruksi tipe pelat a. Tipe lamella
b. Tipe spiral c. Tipe plat koil
3. Konstruksi dengan luas permukaan diperluas (extended surface) a. Sirip pelat (plate fin)
b. Sirip tube (tube fin) c. Heat pipe wall
d. Ordinary separating wall
4. Konstruksi regenerative a. Tipe rotary
b. Tipe disk (piringan) c. Tipe drum
d. Tipe matrik tetap
Untuk semua jenis alat penukar kalor diatas 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 Ex ang r Manufa tur ’s Ass iati n (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 tiga 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.
2.3 Kegunaan Beberapa Jenis Alat Penukar Kalor
Begitu luas peralatan-peralatan yang mempergunakan tabung (tubular equipment) dalam alat penukar kalor, maka untuk mencegah timbulnya kesimpangsiuran pengertian, perlu diberikan pengelompokan peralatan itu berdasarkan fungsinya. Adapun pengelompokan itu adalah sebagai berikut :
a. Mesin Refrigrasi (Chiller)
Alat penukar kalor ini dipergunakan untuk pendinginan fluida sampai pada temperatur sangat rendah. Temperatur pendingin di dalam mesin refrigrasi jauh lebih rendah bila dibandingkan dengan pendingin yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk mesin refrigrasi ini media pendingin yang dipergunakan adalah amoniak atau Freon.
Gambar 2.15. Mesin refrigrasi pendingin air (water cooled chiller) [6]
b. Kondensor
Alat penukar kalor ini di gunakan untuk mendinginkan atau mengembunkan uap atau campuran uap sehingga berubah fase menjadi cairan
media pendingin biasanya dipakai air atau uap. Uap atau campuran uap akan melepaskan panas latent kepada pendingin. Misalnya pada pembangkit listrik tenaga uap yang mempergunakan condensing turbin, maka uap bekas dari turbin akan dimasukkan kedalam condenser, lalu diembunkan menjadi kondensat.
Adapun gambar dari kondensor, sebagai berikut :
Gambar 2.16 Kondensor [6]
c. Mesin Pendingin (Cooler)
Mesin pendingin (cooler) digunakan untuk mendinginkan (menurunkan suhu) cairan atau gas dengan mempergunakan air sebagai media pendingin. Disini tidak dipermasalahkan perubahan fase seperti pada kondensor dengan perkembangan teknologi dewasa ini maka mesin pendingin dipergunakan udara, dengan bantuan fan (kipas).
Gambar 2.17 Mesin Pendingin [6]
d. Alat Penukar Kalor Tabung Tipe U
Alat penukar kalor ini berfungsi untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida untuk pemanasan fluida yang lain maka terjadi dua fungsi sekaligus yaitu memanaskan fluida yang dingin dan mendinginkan fluida yang panas.
e. Pemanas Ulang (ReHeater)
Alat penukar kalor ini bertujuan untuk mendidihkan fluida kembali serta mempergunakan sebagian cairan yang diproses. Proses yang terjadi pada pemanas ulang ini adalah sama seperti halnya proses yang terjadi pada alat pemindah kalor jenis lainnya. Adapun media pemanas yang sering dipergunakan adalah uap atau zat panas yang sedang diproses itu sendiri
Gambar 2.19 Alat pemanas ulang [5]
f. Evaporator
Evaporator dipergunakan untuk menguapkan cairan yang ada pada larutan sehingga dari suatu larutan diperoleh yang lebih pekat. Media pemanas yang dipergunakan adalah uap dengan tekanan rendah, sebab yang dimanfaatkan adalah panas latent, yaitu mengubah fase uap menjadi fase air.
Gambar 2.20 Evaporator [6]
g. Alat Pemanas Air Pengisi ketel
Alat pemanas air pengisi ketel bertujuan untuk menaikkan suhu air pengisi ketel sebelum air masuk ke dalam drum uap. Maksud pemanas itu adalah untuk meringankan beban ketel. Konstruksinya terdiri dari pipa-pipa yang disusun sedemikian rupa, airnya berada di dalam pipa dan pemanasnya di luar pipa.
Perpindahan panas terjadi secara konveksi dan konduksi media pamanas adalah pembakaran gas asap hasil pembakaran bahan bakar dalam dapur ketel.
Gambar 2.21 Alat pemanas air pengisi ketel [5]
2.4 Jenis-jenis Heat Exchanger
Jenis-jenis heat exchanger dapat dibedakan atas : a. Jenis Shell and Tube
Jenis ini merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam industri perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell (tabung/silinder besar) dimana didalamnya terdapat suatu bundle (berkas) pipa dengan diameter yang relatif kecil. Satu jenis fluida mengalir didalam pipa-pipa sedangkan fluida lainnya mengalir dibagian luar pipa tetapi masih didalam shell.
Shell and tube heat exchanger biasanya digunakan dalam kondisi tekanan relatif tinggi, yang terdiri dari sebuah selongsong yang ada didalamnya disusun suatu annulus dengan rangkaian tertentu (untuk mendapatkan luas permukaan yang optimal) fluida mengalir diselongsong maupun di annulus sehingga terjadi perpindahan panas antara fluida dengan dinding annulus misalnya triangular pitch (pola segitiga) dan square pitch (pola segiempat).
Gambar 2.22 Shell and tube heat exchanger [6]
b. Concentric Tube Heat Exchanger (Double Pipe)
Double pipe heat exchanger atau consentric tube heat exchanger yang
gambar 1 mengalir dari titik A ke titik B, dengan space berbentuk U yang mengalir di dalam pipa. Cairan yang mengalir dapat berupa aliran concurrent atau counter current. Alat pemanas ini dapat dibuat dari pipa yang panjang dan dihubungkan satu sama lain sehingga membentuk U. Double pipe heat exchanger merupakan alat yang cocok dikondisikan untuk aliran dengan laju aliran yang kecil.
Gambar 2.23 Aliran double pipe heat exchanger [5]
Gambar 2.24 Double pipe heat exchanger [6]
Exchanger ini menyediakan counter current flow dan cocok untuk temperatur berbeda, tekanan tinggi dan rendah untuk kebutuhan yang moderat (range surface area 1-6000ft²). heat exchanger tersedia dalam :
1. Single tube (double pipe) atau berbagai tabung dalam suatu hairpin shell (multi tube).
2. Bare tubes, finned tube, U-Tubes.
3. Straight tubes.
4. Fixed tube sheets.
Double pipe heat exchanger sangatlah berguna karena ini biasa digunakan dan dipasangkan pada pipe-fitting dari bagian standar dan menghasilkan luas permukaan panas yang besar. Double pipe exchanger biasanya dipasang dalam
12-,15-, atau 20-ft panjang efektif, panjang efektif dapat membuat jarak dalam each leg over dimana terjadi perpindahan panas dan mengeluarkan inner pipe yang menonjol melewati the exchanger section. Susunan dari concentric tube ditunjukkan pada gambar dibawah ini :
a) parallel b) counter flow
Gambar 2.25 Double pipe heat exchanger aliran Parallel dan counter flow [2]
Pada susunan concurrent maka fluida didalam tube sebelah dalam (inner tubes) maupun yang diluar tube (dalam annulus), artinya satu lintasan tanpa cabang.
Sedangkan pada aliran countercurrent, di dalam tube sebelah dalam dan fluida didalam annulus masing-masing mempunyai cabang seperti terlihat pada gambar berikut :
Gambar 2.26 Double-pipe heat exchangers in series [3]
c. Koil pipa (coiled tube)
Heat exchanger ini mempunyai pipa berbentuk koil yang dibenamkan di dalam sebuah box berisi air dingin yang mengalir atau yang disemprotkan untuk mendinginkan fluida panas yang mengalir didalam pipa.
d. Jenis Spiral
Jenis ini mempunyai bidang perpindahan panas yang melingkar. Karena alirannya yang melingkar maka sistem ini dapat melakukan Self Cleanning dan mempunyai efisiensi perpindahan panas yang baik, akan tetapi konstruksi seperti ini tidak dapat dioperasikan pada tekanan tinggi.
Gambar 2.28 Spiral Heat Exchanger [6]
e. Gasket Plate Exchanger
Mempunyai bidang perpindahan panas yang terbentuk dari lembaran plat yang dibuat beralur. Laluan fluida (biasanya untuk cairan) terdapat diantara lembaran pelat yang dipisahkan gasket yang dirancang khusus sehingga dapat memisahkan aliran dari kedua cairan. Perawatannya mudah dan mempunyai efesiensi perpindahan panas yang baik. Berikut gambar alat penukar kalor tipe gasket plate exchanger :
Gambar 2.29 Gasket plate exchanger [6]
2.5 Aliran di dalam alat penukar kalor (Internal Flow)
Cairan atau fluida yang melewati tabung atau tube biasanya digunakan dalam proses pemanasan ataupun pendinginan. Fluida yang digunakan dalam banyak aplikasi tersebut dipaksa untuk mengalir dengan menggunakan kipas ataupun pompa melalui sebuah pipa yang panjang yang diharapkan terjadi perpindahan panas. Aliran di dalam alat penukar kalor dibagi menjadi 2 (dua) yaitu:
2.5.1 Aliran di dalam pipa
Aliran dalam pipa dapat dibedakan menjadi 3 jenis, yaitu: laminar, transisi dan turbulen. Aliran didalam pipa dapat berupa aliran laminar ataupun turbulen, bergantung pada kondisi aliran. Aliran fluida digambarkan dengan menggunakan garis arus dan pada kecepatan yang rendah terjadi aliran laminar, tetapi berubah menjadi aliran turbulen ketika kecepatannya meningkat melalui nilai kritis. Transisi dari aliran laminar ke aliran turbulen tidak terjadi dalam waktu yang singkat, namun itu terjadi melalui rentang kecepatan yang fluktuatif diantara laminar dan turbulen sebelum aliran tersebut menjadi aliran yang turbulen. Kebanyakan aliran yang masuk kedalam pipa adalah turbulen.
Aliran laminar terjadi ketika fluida yang mengalir memiliki viskositas yang tinggi seperti minyak yang mengalir didalam pipa yang memiliki diameter yang kecil, ataupun pada jarak yang dekat.
Osborne Reynolds (1841-1912), ilmuwan dan ahli matematika inggris, adalah orang yang pertama kali membedakan dua kasifikasi aliran ini dengan menggunakan sebuah peralatan sederhana seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.30 dibawah ini
Gambar 2.30 Eksperimen untuk menentukan aliran [10]
Gambar 2.34 menunjukkan jenis aliran tersebut tergantung pada kecepatan fluida yang melalui pipa dan dapat ditentukan dengan bilangan Reynolds (Re), yaitu perbandingan antara efek inersia dan viskos dalam aliran. Dari percobaan tersebut Osborne Reynolds menentukan rumus empiris untuk menenukan besarnya nilai bilangan Reynold dalam sebuah pipa. Untuk aliran didalam pipa yang memiliki penampang lingkaran, bilangan Reynolds didefenisikan sebagai berikut:
Re =
...(2.8) Dimana:
Re = Bilangan Reynolds = Massa Jenis (kg/m³)
u = Kecepatan rata-rata fluida (m/s) D = Diameter Pipa (m)
G = Kecepatan Massa (kg/m² s) = Viskositas Dinamis (N.s/m²) = Laju Aliran Massa Fluida (kg/s)
Untuk aliran pipa yang tidak berpenampang lingkaran, bilangan reynold bergantung pada diameter hidrolik .
...(2.9) Dimana:
= Diameter Hidrolik (m) = Luas Penampang (m²) P = Keliling penampang (m)
Setelah menghitung bilangan reynolds, dapat ditentukan jenis aliran dengan:
Re 2300 aliran laminar 2300 Re 10000 aliran transisi
Re 10000 aliran turbulen
Bilangan Nusselt rata-rata untuk aliran laminar yang berkembang pada sebuah pipa berpenampang lingkaran dapat ditentukan dengan persamaan sieder dan tate (1936) yakni:
Nu = 1,86 ( ) (
) ...(2.10) Dimana:
Nu = Bilangan Nusselt Re = Bilangan Reynolds
Pr = Bilangan prandtl D = Diameter Pipa (m) L = Panjang Pipa (m)
Semua sifat fluida dihitung pada temperatur rata-rata fluida, kecuali dihitung pada temperatur permukaan pipa.
Untuk aliran turbulen berkembang penuh didalam pipa yang halus, sebuah persamaan sederhana untuk menghitung bilangan nusselt dapat diperoleh yaitu:
...(2.11) Dengan syarat bahwa: 0,7 Pr 160
Re > 10000
Persamaan diatas disebut persamaan Colburn. Keakurasian persamaan diatas dapat ditingkatkan dengan memodifikasinya menjadi:
...(2.12) Untuk proses pemanasan digunakan n = 0,4 dan untuk proses pendinginan digunakan n = 0,3. Persamaan ini disebut persamaan Dittus Boelter (1930) dan persamaan ini lebih baik dari pada persamaan Colburn.
2.5.2 Aliran di dalam annulus pipa
Beberapa peralatan pemindah panas sederhana, terdiri dari dua konsentrik tabung yang biasa disebut dengan alat penukar kalor pipa ganda. Pada alat tersebut, satu fluida mengalir melalui pipa dan satu fluida lain melalui annulus.
Dengan menganggap diameter dalam Di dan diameter luar Do, maka diameter hidraulik annulus adalah
………(2.13)
Dimana:
= Diameter Hidrolik (m) = Diameter Luar Tabung (m) = Diameter Dalam Tabung (m)
Pada alat penukar kalor sepusat, terdapat dua bilangan nusselt yaitu pada bagian dalam pipa dan pada bagian luar pipa .Bilangan Nusselt untuk aliran laminar berkembang penuh dengan permukaan suhu konstan dan adiabatic dapat dilihat pada tabel berikut [13].
Tabel 2.1 Bilangan Nusselt untuk aliran laminar
0 - 3,66
0,05 17,46 4,06
0,10 11,56 4,11
0,25 7,37 4,23
0,50 5,74 4,43
1,00 4,86 4,86
Ketika bilangan nusselt sudah diketahui, maka koefesien perpindahan panas konveksi bagian dalam dan luar pipa dapat dicari dengan:
...(2.14) Dimana:
= Bilangan Nusselt Tabung Bagian Dalam
= Koefisien perpindahan panas konveksi bagian dalam pipa (W/m² K) = Diameter Hidrolik (m)
k = Konduktifitas termal (W/m.K)
...(2.15) Dimana:
= Bilangan Nusselt Tabung Bagian Luar
= Koefisien Perpindahan Panas Konveksi bagian luar pipa (W/m² K) = Diameter Hodrolik (m)
k = Konduktifitas termal (W/m.K)
2.6 Koefisien Perpindahan Panas Rata-rata
Alat penukar kalor yang khususnya melibatkan 2 fluida terpisahkan oleh dinding padatan. Pertama, panas dari fluida panas berpindah kedinding melalui konveksi, kemudian melalui dinding dengan konduksi, dan dari dinding ke fluida dingin melalui konveksi lagi.
Gambar 2.32 jaringan resistansi termal pada APK double pipe [2]
Ketika tebal dinding tipis dan konduktifias dari material tabung tinggi maka Rwall dapat diabaikan serta Ai dan Ao sama, koefesien perpindahan rata-rata dapat ditulis sebagai berikut:
...(2.16) Dimana:
U = Koefisien Perpindahan Panas Rata-rata (W/m².K)
= Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Bagian Dalam Pipa (W/m².K) = Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Bagian Luar Pipa (W/m².K) T = Tebal Tabung (m)
2.7 Analisa Alat Penukar Kalor dengan Metode Log Mean Temperature Difference ( LMTD )
Dalam merancang ataupun memprediksi performansi alat penukar kalor, sangatlah perlu untuk menghubungkan antara laju perpindahan panas total terhadap temperatur fluida yang masuk dan keluar, koefisien perpindahan panas rata-rata, dan total luas permukaan. Jika Q adalah total laju perpindahan panas antara fluida panas dengan fluida dingin dan dengan mengabaikan perpindahan panas yang terjadi pada alat penukar kalor dengan lingkungan, mengabaikan perubahan energi potensial dan energi kinetik, dan dengan mengaplikasikan persamaan energi steady, diperoleh persamaan:
Menghitung laju perpindahan panas pada fluida panas:
Q = ( ...(2.17) Dimana:
Q = Laju Perpindahan Panas (W) = Laju Aliran Massa Fluida (kg/s)
= Panas Jenis Fluida Panas (J/kg.K)
= Temperatur Fluida Panas Masuk (ºC)
= Temperatur Fluida Panas Keluar (ºC)
Menghitung laju perpindahan panas pada fluida dingin:
Q = ( ...(2.18) Dimana:
Q = Laju Perpindahan Panas (W) = Laju Aliran Massa Fluida (kg/s)
= Panas Jenis Fluida Dingin (J/kg.K)
= Temperatur Fluida Dingin Masuk (ºC)
= Temperatur Fluida Dingin Keluar (ºC)
2.7.1 Alat penukar kalor aliran searah
Distribusi suhu rata-rata fluida panas dan dingin dapat dilhat pada gambar dibawah ini. Pada alat penukar kalor aliran searah, suhu keluar fluida dingin tidak pernah melebihi suhu fluida panas.
Analisis kesetimbangan energi berdasarkan pada asumsi:
1. Alat penukar kalor di isolasi dari lingkungan 2. Konduksi secara aksial sepanjang tabung diabaikan 3. Panas spesifik fluida konstan
4. Koefesien perpindahan panas menyeluruh konstan
Gambar 2.33 Distribusi suhu pada alat penukar kalor aliran searah [4]
Persamaan yang digunakan pada aliran searah adalah:
...(2.19) Dimana:
Q = Laju Perpindahan Panas (W)
U = Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh (W/m² ºC) A = Luas Penampang Tegak Lurus (m²)
= Beda Suhu Rata-rata Logaritma (ºC)
Dengan:
...(2.20) Dimana:
= Beda Suhu Rata-rata Logaritma (ºC)
= Temperatur Fluida Panas Masuk (ºC)
= Temperatur Fluida Panas Keluar (ºC)
= Temperatur Fluida Dingin Masuk (ºC)
= Temperatur Fluida Dingin Keluar (ºC)
2.7.2 Alat penukar kalor aliran berlawanan
Distribusi suhu rata-rata fluida panas dan dingin pada alat penukar kalor aliran berlawanan dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Pada alat penukar kalor aliran berlawanan ini, suhu fluida dingin yang keluar dapat melebihi suhu fluida panas yang keluar.
Gambar 2.34 Distribusi suhu pada alat penukar kalor aliran berlawanan [4]
Persamaan yang digunakan pada aliran Berlawanan adalah:
...(2.19) Dimana:
Q = Laju Perpindahan Panas (W)
U = Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh (W/m² ºC) A = Luas Penampang Tegak Lurus (m²)
= Beda Suhu Rata-rata Logaritma (ºC)
Persamaan yang digunakan pada aliran berlawanan ini sama dengan aliran searah hanya terdapat perbedaan pada:
...(2.21) Dimana:
= Beda Suhu Rata-rata Logaritma (ºC)
= Temperatur Fluida Panas Masuk (ºC)
= Temperatur Fluida Panas Keluar (ºC)
= Temperatur Fluida Dingin Masuk (ºC)
= Temperatur Fluida Dingin Keluar (ºC)
2.8 Isolasi Panas
Isolasi berfungsi untuk mencegah kehilangan panas alat penukar kalor, pipa- pipa steam/gas yang bersuhu tinggi ke sekeliling yang suhunya lebih rendah atau sebaliknya.
Untuk alat penukar kalor dengan suhu rendah, isolasi berfungsi untuk mencegah masuknya panas karena suhu sekitarnya yang lebih tinggi. Isolasi juga berfungsi mencegah bahaya yang dapat timbul bila orang menyentuh permukaan benda yang sangat panas. Makin tebal isolasi, maka makin sedikit panas yang hilang. Bahan isolasi yang baik memiliki ciri-ciri sebagai berikut:
1. Daya hantar panas rendah 2. Dapat menahan arus konveksi 3. Disesuaikan dengan suhu
Material di bawah ini adalah beberapa jenis material non logam yang biasa digunakan sebagai bahan isolasi beserta konduktivitas termalnya [4]:
Tabel 2.2 Konduktivitas Termal Bahan Isolasi
Bahan Konduktivitas termal (W/m K)
Magnesit 4.15
Marmar 2.08-2.94
Batu Pasir 1.83
Kaca, Jendela 0.78
Kayu Maple atau ek 0.17
Serbuk gergaji 0.059
Wol kaca 0.038
Aluminium foil kraft paper 0.037
Dari table diatas dapat dilihat konduktivitas termal material yang digunakan sebagai bahan isolasi adalah material yang memiliki konduktivitas termal yang rendah. Ini dilakukan untuk meminimalisir kalor yang keluar ataupun masuk ke dalam alat penukar kalor.
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Pembuatan 3.1.1 Tempat Pembuatan
Tempat Pembuatan alat dilakukan di Jalan Sutomo Ujung, Medan Sumatera Utara.
3.1.2 Waktu Pembuatan
Waktu pembuatan yang dibutuhkan adalah 30 hari, yaitu pada 14 Desember 2017 – 13 Januari 2018
3.2 Membuat Desain Alat Penukar Kalor Triple Tube Concentric
Pada pembuatan alat penukar kalor triple concentric tube, terlebih dahulu menentukan jenis material pipa yang akan digunakan kemudian membuat desain dan dimensi dari tabung alat penukar kalor. Pada tabung APK digunakan jenis pipa ganda (annulus) dan materialnya terbuat dari tembaga dikarenakan keefektifan penghantar panasnya yang baik, untuk menjaga Panas pada APK tetap konstan maka permukaan APK dilapisi menggunakan glass woll dan diisolasi dengan aluminiumfoil.
Dalam mendesain alat penukar kalor ini, terlebih dahulu ditentukan kemampuan dan tujuan dari APK yang dirancang, APK yang didesain ditujukan untuk pendingin dengan asumsi, tabung I dan tabung III aliran air pendingin kemudian tabung II merupakan aliran air panas yang akan didinginkan, setelah menentukan kegunaan alat APK kemudian membuat atau mendesain sesuai dengan aliran yang akan diuji apakah aliran parallel atau counter flow.
3.3 Menggambar Desain Dengan Software
Software yang digunakan adalah Autocad untuk menggambar teknik, misalnya untuk perancangan suatu bangunan atau konstruksi (denah, tampak,
potongan, dll). Software ini memiliki kemampuan dalam pengolahan gambar berbentuk dua atau tiga dimensi. Hasil gambar dan desain alat penukar kalor ini dapat dilihat pada lampiran.
3.4 Penyiapan Alat dan Bahan
Pada tahap ini dilakukan pencarian dan pengumpulan bahan-bahan yang diperlukan dalam pengkonstruksian alat penukar kalor ini. Berikut ini merupakan alat dan bahan-bahan yang diperlukan dalam pengkonstruksian alat penukar kalor.
3.4.1 Alat
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Water Heater
Water Heater yang digunakan memiliki daya 1000 Watt. untuk memanaskan fluida yang akan digunakan sebagai fluida panas. Gambar 3.1 dibawah ini adalah gambar heater yang digunakan untuk memanaskan fluida panas
Gambar 3.1 Water Heater
2. Termokopel dan Data Acquisition
Untuk mengetahui besar temperatur masuk dan keluar pada fluida panas dan fluida dingin yang terjadi dalam alat penukar kalor maka digunakan alat pengukur temperatur yaitu termokopel, yang kemudian diolah oleh software Instacall dan tracerdaq di computer melalui Data Acquisition module, Adapun gambar 3.2 Data Acquisition module yaitu.
3. Flow meter
Alat ukur ini berfungsi untuk mengukur besar kapasitas aliran yang terjadi pada tabung, dengan kapasitas aliran 1-7 L/menit, material plastik (Transparan) berikut adalah gambar 3.3 flow meter yang digunakan.
Gambar 3.3 Flow meter
4. Pompa
Pompa digunakan untuk mendorong fluida agar mengalir dalam pengujian alat penukar kalor. Pada pengujian, pompa yang digunakan adalah pompa aquarium. Dengan laju aliran maksimal 2000 Liter/jam, dengan daya 40W.
Berikut adalah gambar 3.4 pompa fluida yang digunakan.
Gambar 3.4 Pompa
3.4.2 Bahan
Berikut ini adalah bahan-bahan yang diperlukan dalam pengerjaan alat penukar kalor:
1. Pipa Tembaga
Pipa tembaga digunakan sebagai tempat mengalirnya fluida dingin maupun panas. Dipilih pipa tembaga I berdiameter 12,7mm dengan ketebalan 1mm, Pipa II berdiameter 25,4mm, dengan ketebalan 1 mm dan Pipa III berdiameter 44,45mm dengan ketebalan 1,25mm. Dipilihnya pipa tembaga karena memiliki konduktifitas termal sebesar 401 W/m.K dan tahan terhadap korosi.
Gambar 3.5 Berikut adalah pipa tembaga yang digunakan sebagai tabung dari alat penukar kalor.
Gambar 3.5 Pipa Tembaga
2. Stop keran (Ball Valve)
Digunakan untuk membuka dan menutup aliran fluida. Pada perancangan alat penukar kalor ini dipilih stop keran jenis ball valve karena kemudahan mengatur debit fluida yang mengalir dibandingkan dengan jenis yang lain dan ball valve memiliki nilai koefesien kehilangan minor yang paling rendah. Berikut gambar 3.6 ball valve yang digunakan dan Tabel 3.2 jenis katup.
Gambar 3.6 Ball Valve
3. Air
Untuk Temperatur air dingin yang digunakan yaitu 25ºC, air panas yaitu:
60ºC disesuaikan dengan laju aliran yang digunakan, sedangkan untuk sifat-sifat fisik air didapatkan dari tabel properties air dapat dilihat pada lampiran.
3.5 Skema Alat Penukar Kalor
Berikut adalah Skema alat penukar kalor:
Gambar 3.7 Skema Alat Penukar Kalor
3.5.1 Skema Pengujian Aliran Alat Penukar Kalor
Berikut ini skema aliran yang digunakan pada saat pengujian alat penukar kalor triple tube exchanger.
Gambar 3.8 Skema alat penukar kalor counter flow
3.6 Diagram Alir Pembuatan Alat
Dalam rancang bangun sebuah alat penukar kalor diperlukan tahapan- tahapan dalam proses pembuatannya, sehingga menghasilkan sebuah model alat jadi yang sesuai dengan yang diinginkan.
Gambar 3.9 Diagram Alir Pembuatan Alat Mulai
Studi Literatur
Identifikasi Masalah
Perhitungan Dimensi Alat Penukar Kalor
Menggambar Desain Dengan Software
Perakitan Alat Penukar Kalor
Apakah Alat Berfungsi
Dengan
Selesai
Tidak
Ya
BAB IV
PERANCANGAN DIMENSI ALAT PENUKAR KALOR
4.1 Perancangan Dimensi Alat Penukar Kalor
Sebelum melakukan perancangan alat penukar kalor, terlebih dahulu haruslah mengetahui spesifikasi serta kemampuan yang dapat dicapai alat penukar kalor dan diameter pipa yang akan dibangun.
Hal pertama yang harus dilakukan yaitu mengetahui dan menghitung dimensi dari alat penukar kalor :
1. Perancangan Dimensi Pipa Alat Penukar Kalor
Dimensi pipa pada perancangan alat penukar kalor ini dibedakan menjadi tiga jenis pipa dimana penggolongan pipa ini berdasarkan fungsinya yaitu pipa Tembaga ½ inch untuk jalur aliran fluida dingin, pipa tembaga 1 inch sebagai jalur aliran fluida panas dan juga sebagai penukar kalor dalam tiga lapis tabung konsentris dan pipa tembaga 1¾ inch untuk jalur aliran dingin dan juga sebagai annular. Berikut gambar dan Tabel Konduktivitas termal pada Tembaga dan besi.
Gambar 4.1. Pipa Tembaga Pada Alat Penukar Kalor
Adapun alasan digunakan pipa tembaga pada alat penukar kalor tiga tabung konsentris dan penggunaan pipa PVC untuk sambungan aliran ke alat penukar kalor yaitu:
a) Bahan Tembaga memiliki konduktivitas panas lebih tinggi dibanding dengan bahan yang lain.
b) Untuk Sambungan Pipa ke alat penukar kalor digunakan pipa PVC dikarenakan konduktivitas termalnya kecil, berikut tabel konduktivitas material [4].
Tabel 4.1 Konduktivitas Material
No Nama Material Konduktivitas Ketika Temperatur (300 K) W/m .K
1 Aluminium 237
2 Berryllium 200
3 Boron 27
4 Cadmium 96.8
5 Kromium 93.7
6 Kobalt 99.2
7 Tembaga 401
8 Germanium 59.9
9 Emas 317
10 Iridium 147
11 Besi 80.2
12 Magnesium 156
13 Molybdenum 138
14 Nikel 90.7
15 Platinum 71.6
16 Perak 429
17 Silicon 148
18 Titanium 21.9
19 Tungsten 174
20 Vanadium 30.7
21 PVC 0.19
Dalam perancangan dimensi alat penukar kalor, terlebih dahulu tentukan data-data fluida yang akan dimasukkan kedalam alat penukar kalor dan kemudian
dilakukan analisa perhitungan untuk menghitung dimensi alat penukar kalor yang dirancang. Berikut data parameter yang digunakan dalam rancang bangun triple tube exchanger.
Tabel 4.2 Data Parameter Perhitungan
No Parameter Simbol Nilai Satuan
1
Temperatur Fluida Panas yang masuk 60 ºC
2
Temperatur Fluida Panas yang keluar 43 ºC
3
Temperatur Fuida dingin yang masuk Pipa 1
25 ºC
4
Temperatur Fluida dingin yang masuk pipa 2
25 ºC
5
Laju aliran fluida panas ṁ 0.041 Kg/s
6
Laju aliran fluida dingin 1 ṁ 0.025 Kg/s
7
Laju aliran fluida dingin 2 ṁ 0.025 Kg/s
8
Diameter pipa 1 0.0127 m
9
Diameter pipa 2 0.0254 m
10
Diameter Pipa 3 0.04 m
11
Konduktivitas termal dari Tembaga 401 W/m K
Untuk menghitung suhu rata-rata fluida dingin digunakan dengan cara iterasi, dan diperlukan asumsi: = 30.9 ºC, Maka suhu rata-rata fluida dingin dapat dihitung.
1. Koefesien perpindahan panas pada tabung I + 273
+ 273 300.95 K
