RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN MODEL KONDENSOR TIPE CONCENTRIC TUBE COUNTER CURRENT GANDA DENGAN PENAMBAHAN SIRIP.

109 

Teks penuh

(1)

i

RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN

MODEL KONDENSOR TIPE CONCENTRIC TUBE

COUNTER CURRENT GANDA

DENGAN PENAMBAHAN SIRIP

Diajukan Untuk Memenuhi Tugas dan Syarat-Syarat Guna Memperoleh

Gelar Sarjana Teknik Jurusan Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta

Disusun Oleh:

DENI YUNI ARIFIANTO

NIM : D 200 020 233

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

(2)

ii

Tugas Akhir ini berjudul:

Rancang Bangun dan Pengujian Model Kondensor Tipe

Concentric Tube Counter Current Ganda Dipasang Secara Horizontal Dengan

Penambahan Sirip.

Disusun Oleh :

Nama

: DENI YUNI ARIFIANTO

NIM

: D 200 020 233

Telah disetujui oleh Pembimbing Tugas Akhir untuk dipertahankan di depan

Dewan Penguji sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana S-1 Teknik

Mesin Fakultas Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta, pada :

Hari :...

Tanggal :...

Surakarta, Maret 2009

Pembimbing Utama

(Ir. Subroto, MT)

Pembimbing Pendamping

(3)

iii

Tugas akhir ini telah disyahkan oleh dewan penguji sebagai salah satu syarat

untuk memperoleh gelar sarjana S-I Teknik Mesin di Jurusan Teknik Mesin Fakultas

Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta, pada :

Nama

: DENI YUNI ARIFIANTO

NIM

: D 200 020 233

Judul :

Rancang Bangun Dan Pengujian Model Kondensor Tipe

Concentric Tube Counter Current Ganda Dipasang Secara

Horizontal Dengan Penambahan Sirip

Hari :...

Tanggal :...

Dewan Penguji:

1. Ir. Subroto, MT

(

)

2. Ir. Sartono Putro, MT

(

)

3. Ir. Sunardi Wiyono, MT

(

)

Mengetahui,

Dekan

(Ir. H. Sri Widodo, MT)

Ketua Jurusan

(4)

iv

Berusahalah dengan sungguh-sungguh, jangan panik. Orang panik mudah putus

asa tapi bila terpaksa kamu putus asa tetaplah berusaha dalam keterputusasaan.

Mantapkan hati, luruskan niat dan berjalanlah walau hanya satu langkah untuk

pijakan langkah selanjutnya dikemudian hari

Berpikir tapi tidak berusaha dan berusaha tapi tidak berpikir adalah penyebab

gagalnya dalam mewujudkan mimpi-mimpi.

(5)

v

Karya ini merupakan suatu wujud akhirku

dalam mencapai gelar sarjana sebagai tanggung

jawab kepada: :

1.

Ayahanda dan Ibunda serta kakakku tercinta

atas do’a jerih payah dan kasih sayangnya

2.

Inspirasiku Yanni yang selalu menemani dan

memberikan support

3.

Teman-temanku semua yang menyayangiku

4.

Almamater yang kubanggakan

(6)

vi

Puji syukur alhamdulillah, penulis sampaikan kehadirat Allah SWT, yang telah

melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulisan laporan tugas akhir ini

yang berjudul : ”

Rancang Bangun dan Pengujian model kondensor Tipe

Concentric Tube Counter Current ganda Dipasang Secara Horizontal Dengan

Penambahan Sirip

” dapat terselesaikan dengan baik, guna melengkapi tugas dan

memenuhi syarat-syarat untuk mencapai gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin

pada Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Berbagai hambatan dan kesulitan menyertai dalam penulisan ini, namun

demikian dengan bantuan dan doa dari berbagai pihak segala kesulitan tersebut dapat

teratasi. Untuk itu dengan segala kerendahan hati, penulis sampaikan ucapan terima

kasih yang sedalam-dalamnya kepada:

1.

Ir. Sri Widodo, MT; selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah

Surakarta.

2.

Marwan Effendy, ST, MT; selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta.

(7)

vii

5.

Marwan Effendy,ST, MT; selaku Pembimbing Akademik.

6.

Ayah dan Ibunda, serta Kakakku tercinta, atas perhatian, kasih sayang,

pengorbanan, dorongan, dan doa-doanya.

7.

Kristanto, Agus Purwanta, Tamami, Mifta, Adi setyawan selaku teman

seperjuangan dalam menyelesaikan penelitian.

8.

Eko Prihartono, Setyanto, Abdul Rahman, Hari‘97, Eeng’97. Dan teman-teman

angkatan 2002, terima kasih atas dukungannya.

9.

Boretz Comp dan teman-teman kos Arjuna, terima kasih atas kebersamaannya.

10.

Pihak-pihak yang secara langsung maupun tidak langsung terlibat dalam

mensukseskan penyusunan Tugas Akhir ini.

Besar harapan penulis semoga Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat

bagi semua pihak yang memerlukan walaupun penulis menyadari bahwa Tugas Akhir

ini masih jauh dari sempurna. Amien.

Surakarta, Maret 2009

(8)
(9)

ix

HALAMAN JUDUL ...

i

HALAMAN PERSETUJUAN ...

ii

HALAMAN PENGESAHAN ...

iii

HALAMAN MOTTO ...

iv

HALAMAN PERSANTUNAN ...

v

KATA PENGANTAR ...

vi

HALAMAN SOAL ...

viii

DAFTAR ISI ...

ix

DAFTAR GAMBAR ...

xii

DAFTAR TABEL ... xv

DAFTAR SIMBOL ... xvi

ABSTRAKSI ...

xviii

BAB I

PENDAHULUAN ... 1

1.1

Latar Belakang Masalah ...

1

1.2

Perumusan Masalah ...

3

1.3

Batasan Masalah ...

3

1.4

Tujuan Penelitian ...

4

1.5

Sistematika Penulisan ...

4

1.6

Metode Pelaksanaan ...

5

(10)

x

BAB III DASAR TEORI ...

10

3.1

Alat Penukar Kalor

Shell and Tube

...

10

3.2

Klasifikasi Penukar Kalor ...

11

3.3

Mekanisme Fisik Perindahan Panas ...

13

1.

Perpindahan Panas Konduksi ...

13

2.

Perpindahan Panas Konveksi ...

16

3.4

Sirip ...

22

3.5

Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ...

26

3.6

Bilangan

Reynolds

...

30

3.7

Kesetimbangan Kalor ...

32

3.8

Daya Pompa ...

34

BAB IV METODOLOGI PENELITIAN ...

35

4.1

Diagram Alir Penelitian ...

35

4.2

Bahan Yang Digunakan Dalam Penelitian ...

36

4.3

Alat-alat Yang Digunakan Dalam Penelitian ...

36

4.4

Tempat Pengujian dan Pengambilan Data ...

44

4.5

Tahapan Penelitian ...

45

BAB V

HASIL DAN PEMBAHASAN ...

46

5.1

Data Dimensi Alat Penukar Kalor ...

46

5.2

Data Hasil Pengujian ...

47

(11)

xi

kapasitas aliran fluida panas ...

63

2.

Pengaruh bilangan

Reynolds

fluida dingin terhadap

pelepasan kalor ke lingkungan ...

59

3.

Pengaruh bilangan

Reynolds

fluida dingin terhadap

koefisien perpindahan panas menyeluruh ...

61

4.

Pengaruh bilangan

Reynolds

fluida dingin terhadap

daya pompa. ...

62

5.

Pengaruh temperatur masukan fluida dingin terhadap

kapasitas aliran fluida panas pada bilangan

Reynolds

fluida dingin 2.760, 4.755, 6.833, 9.018 dan 11.051 ...

63

6.

Pengaruh temperatur masukan fluida dingin terhadap

daya pompa pada bilangan

Reynolds

2.760, 4.755,

6.833, 9.018 dan 11.051 ...

70

7.

Pengaruh daya pompa terhadap kapasitas aliran fluida

panas ...

67

8.

Pengaruh bilangan

Reynolds

terhadap kapasitas aliran

fluida panas dan daya pompa ...

68

BAB VI PENUTUP ...

70

6.1

Kesimpulan ...

70

6.2

Saran ...

71

DAFTAR PUSTAKA

(12)

xii

Gambar 1. Pola Aliran Searah (

Paralel Flow

) ...

11

Gambar 2. Pola Aliran Berlawanan (

Counter Flow

) ...

11

Gambar 3. Klasifikasi penukar kalor berdasarkan aliran fluidanya ...

12

Gambar 4. Perpindahan Kalor secara Konduksi pada Plat Datar. ...

15

Gambar 5. Perpindahan Kalor secara Konduksi pada Plat Silindris. ...

15

Gambar 6. Perpindahan Kalor secara Konveksi. ...

16

Gambar 7. Lapis Batas Thermal ...

21

Gambar 8. Kombinasi Lapis Batas Temperatur Hidrodinamik pada

Fluks Kalor Konstan dan Temperatur Dinding Konstan ...

21

Gambar 9. Berbagai jenis Muka Sirip ...

22

Gambar 10. Kombinasi dimensi analisis Sirip Tranversal dengan Alur

Helic ...

23

Gambar 11. Pendekatan Sirip Tranversal Penampang Segi-empat ...

23

Gambar 12. Diagram Teoritis Efisensi Sirip Tranfersal dengan Penampang

Segi-empat ...

25

Gambar 13. Perpindahan Panas Menyeluruh pada Permukaan Datar ...

27

Gambar 14. Aliran Panas Satu Dimensi melalui Silinder Berlubang ...

29

Gambar 15. Kesetimbangan Kalor antara Dua Fluida Kerja dan Distribusi

Temperatur dalam Kondensor Lintas Tunggal. ...

33

(13)

xiii

Gambar 19. Bejana ...

38

Gambar 20. Tabung

bahan bakar Apollo kapasitas 8 L ...

38

Gambar 21. Multimeter digital dan selektor tipe Omega 405 A ...

39

Gambar 22.

Electric Pump

model D 9126 Merk Shimizu ...

39

Gambar 23. Pipa PVC. ...

40

Gambar 24.

Flowmeter

air. ...

40

Gambar 25. Termokopel tipe K seri 66 K 24. ...

41

Gambar 26. Kompor . ...

41

Gambar 27. Skema Penelitian ...

42

Gambar 28. Skema penempatan termokopel ...

44

Gambar 29. Pengaruh bilangan

Reynolds

fluida dingin terhadap kapasitas

aliran fluida panas…. ...

58

Gambar 30. Pengaruh bilangan

Reynolds

fluida dingin terhadap pelepasan

kalor ke lingkungan…. ...

59

Gambar 31. Pengaruh bilangan

Reynolds

fluida dingin terhadap koefisien

perpindahan panas menyeluruh…. ...

61

Gambar 32. Pengaruh bilangan

Reynolds

fluida dingin terhadap daya

pompa…. ...

62

(14)

xiv

pompa pada bilangan

Reynolds

fluida dingin 2.760, 4.755,

6.833, 9.018 dan 11.051…. ...

65

Gambar 35. Pengaruh daya pompa terhadap kapasitas aliran fluida panas….

67

Gambar 36. Pengaruh bilangan

Reynolds

terhadap kapasitas aliran fluida

(15)

xv

Tabel 1. Angka

Nusselt

Untuk Aliran Laminar Pada Pipa

Annulus

Dengan

Satu Permukaan Dengan Temperatur Konstan ...

20

Tabel 2. Data Hasil Pengujian Kapasitas Aliran Dan Temperatur Aliran ...

47

(16)

xvi

Simbol

A

= Luas penampang (m

2

)

C

p

= Kalor jenis (kJ/kg

o

C)

D

= Diameter (m)

h

= Koefisien perpindahan kalor (W/m

20

C)

h

f,g

= Entalpi penguapan (kJ/kg)

k

= Konduktivitas thermal (W/m

o

C)

L

= Panjang (m)

m

= Massa aliran (kg/s)

Nu

= Bilangan

Nusselt

p

= Tekanan (N/m

2

), (Pa)

Pr

= Bilangan Prandtl

q

= Laju perpindahan kalor (W)

Re

= Bilangan

Reynolds

T

= Temperatur (

o

C)

U

= Kecepatan (m/s)

v

= Volume spesifik (m

3

/kg)

ρ

= Densitas (kg/m

3

)

(17)

xvii

f

=

Steam

(18)

xviii

Tube Counter Current

Ganda Dipasang secara Horizontal dengan

Penambahan Sirip

Deni yuni Arifianto

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Kotak Pos 1 Pabelan Surakarta

denniu@yahoo.co.id

ABSTRAKSI

Kondensor yang dipakai pada industri kecil umumnya sederhana, yang mana

hanya terkontruksi dari dua buah pipa yang konsentrik saja., maka dalam penelitian

ini dibuat suatu design kondensor yang dapat meningkatkan kapasitas. Sehingga

dapat diketahui berapa besarnya kapasitas kondensat; daya pompa; nilai koefisien

perpindahan menyeluruh pada variasi bilangan

Reynolds

2.760, 4.755, 6.833, 9.018

dan 11.051; serta keefektifan dari sirip.

Dalam penelitian ini digunakan model kondensor tipe

concentric

tube

counter

current

ganda yang dililiti spiral pada pipa

annulusnya

. Untuk bahan

shell

digunakan

baja karbon dengan diameter dalam 49,7 mm, diameter luar 50,6 mm, dan panjang

3.000 mm. Untuk bahan

tube

dipakai tembaga dengan diameter dalam 23,6 mm,

diameter luar 25,7 mm, dan panjang 3.200 mm. Sedangkan untuk sirip dipakai kawat

dari besi cor yang berdiameter 5 mm dengan jarak antar lilitan (

pitch

) sebesar 60

mm. Pemasangannya secara horisontal, dimana fluida panas mengalir didalam

tube

dan fluida dingin mengalir di luar

tube

dengan arah aliran berlawanan. Eksperimen

dilakukan dengan 5 variasi bilangan

Reynolds

yaitu 2.760, 4.755, 6.833, 9.018, dan

11.051. Pengambilan data dilakukan secara serentak dengan interval waktu 5 menit

dalam satu kali pengambilan data selama 30 menit. Data-data yang diambil adalah

temperatur fluida kerja, hasil kapasitas kondensat, perbedaan tekanan masuk dan

keluar fluida dingin , serta tegangan dan arus listrik yang masuk ke pompa.

Berdasarkan hasil eksperimen dan hasil analisis perhitungan didapatkan bahwa

dengan perubahan variasi bilangan

Reynolds

yang semakin besar maka kapasitas

kondensat, daya pompa, dan koefisien perpindahan menyeluruhnya juga cenderung

meningkat sedangkan untuk efektifitas sirip tetap konstan yaitu sebesar 2,305. Untuk

bilangan

Reynolds

2.760, 4.755, 6.833, 9.018, dan 11.051 diperoleh kapasitas

kondensat sebesar 0,0023004; 0,0022948; 0,002449; 0,002468; 0,0025742 kg/menit,

daya pompa sebesar 2,8488; 2,76176; 2,8405; 2,8904; 2,9362 W, dan koefisien

perpindahan menyeluruh sebesar 29,788; 28,859; 30,831; 35,811; 37,393 W/m

2

K

masing-masing untuk setiap variasi bilangan

Reynolds

(19)

1

1.1 Latar Belakang Masalah

Minyak atsiri banyak digunakan dalam industri obat–obatan, flavor,

fragrance dan parfum. Di Indonesia tercatat 14 jenis minyak atsiri yang

sudah di ekspor. Hal ini memberi peluang lebih besar bagi petani untuk

berperan dalam agro industri minyak atsiri. Selain mengekspor, Indonesia

juga mengimpor beberapa jenis minyak atsiri dalam jumlah cukup besar.

Pada tahun 1998, nilai ekspor 20 negara penghasil minyak atsiri mencapai

US$ 758 juta dolar, di Indonesia sendiri baru dapat berkontribusi sekitar

4,4% sedangkan RRC 18,6%. Selain mengekspor Indonesia juga mengimpor

beberapa jenis minyak atsiri yang tidak tumbuh di Indonesia, pada tahun

2000 impor minyak atsiri di Indonesia mencapai 1,625 ton dengan nilai US$

7,3 juta. Data ini menunjukkan bahwa peluang untuk mengembangkan agro

industri minyak atsiri cukup besar karena penggunaan turunan minyak atsiri

pada berbagai industri di dalam negeri juga besar (Laksamanahardja, 2003).

Beberapa faktor penghambat perkembangan produksi minyak atsiri di

Indonesia adalah lemahnya modal dan penguasaan teknologi. Minimnya

pengetahuan para perajin minyak atsiri seperti persyaratan ketentuan teknis

dalam melakukan proses penyulingan minyak atsiri juga menjadi faktor

(20)

Sentral industri minyak atsiri daun cengkeh di daerah Musuk,

Boyolali, menggunakan jenis kondensor yang konvensional. Hal ini dapat di

lihat dari kontruksi kondensor yang digunakan berupa bak persegi panjang

dengan ukuran (9×3×2,5) m, di dalam bak di isi air sampai penuh dan di

dalam bak ditempatkan pipa dengan panjang total 72 m diameter 2 inci

dipasang zig - zag.

Proses perubahan uap menjadi cair atau kondensasi berlangsung di

dalam bak, dimana fluida uap mengalir di dalam pipa dan fluida dingin

berada di luar pipa atau berada di dalam bak, aliran fluida dingin yang

mengalir ke dalam bak dipengaruhi oleh gaya gravitasi yang mengalir secara

alami dari mata air. Sirkulasi fluida dingin yang digunakan untuk

pendinginan langsung dibuang ke sungai, sehingga fluida dingin

membutuhkan jumlah yang banyak. Jadi apabila proses penyulingan

dilakukan di daerah yang kekurangan air, maka proses penyulingan tidak

dapat dilakukan.

(21)

1.2 Perumusan Masalah

Sesuatu yang menjadi permasalahan dalam perancangan dan

pembuatan alat ini adalah bagaimanakah desain kondensor yang kompak

dan sederhana untuk industri kecil penyulingan minyak atsiri yang mampu

meningkatkan efisiensi rendemen.

1.3 Batasan Masalah

Untuk mendesain kondensor pada penyulingan minyak atsiri,

diperlukan adanya batasan-batasan untuk menyederhanakan masalah.

Batasan itu adalah sebagai berikut:

a. Fluida panas adalah air yang diuapkan.

b. Kapasitas fluida panas dari bejana penguap dianggap konstan.

c. Kapasitas panas dari bejana dianggap konstan.

d. Penelitian dilakukan dengan model alat penukar panas jenis kondensor

dengan tipe concentric tube counter current tunggal yang disisipi lilitan

kawat spiral (Sirip) kemudian dipasang secara horizontal.

e. Penelitian yang dilakukan hanya dengan aliran berlawanan arah (counter

flow) saja. Dan analisa perhitungan hanya didasarkan pada

kesetimbangan panas.

f. Analisa perpindahan panas tentang pengembunan tidak dibahas.

g. Variabel bebas panelitian adalah kapasitas fluida dingin.

h. Analisa perpindahan panas radiasi tidak dibahas.

i. Pengotoran uap dianggap tidak ada dan aliran air didalam pipa dianggap

(22)

1.4 Tujuan Penelitian

Tujuan dilakukannya penelitian ini antara lain :

a. Mendapatkan hubungan kapasitas kondensat dengan bilangan Reynolds

fluida dingin.

b. Mendapatkan hubungan koefisien perpindahan kalor dengan bilangan

Reynolds fluida dingin.

c. Mendapatkan hubungan kapasitas kondensat dengan daya pompa.

d. Mendapatkan hubungan kapasitas kondensat dengan temperatur masukan

fluida dingin.

e. Mendapatkan hubungan daya pompa dengan temperatur masukan fluida

dingin.

f. Dapat mengetahui seberapa besar keefektifan sirip kondensor concentric

tube ganda dipasang secara horizontal.

1.5 Sistematika Penulisan

Tugas Akhir ini disusun dalam enam bab dengan sistematika penulisan

sebagai berikut :

BAB I PENDAHULUAN

bab ini berisi tentang latar belakang, perumasan masalah, batasan

masalah, tujuan perancangan, sistematika penulisan, metode

pelaksanaan dan manfaat penelitian.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

(23)

BAB III DASAR TEORI

Bab ini berisi tentang alat penukar kalor, jenis-jenis dari alat

penukar kalor, klasifikasi alat penukar kalor, kondensasi uap

tunggal, faktor pengotoran, mekanisme fisik perpindahan kalor,

koefisien perpindahan kalor menyeluruh, bilangan Reynolds

kesetimbangan energi dan daya pompa.

BAB IV METODE PENELITIAN

Bab ini berisi tentang diagram alir penelitian, bahan-bahan yang

digunakan dalam penelitian, alat-alat yang digunakan dalam

penelitian dan tahap-tahap penelitian.

BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini berisi tentang data hasil penelitian, analisa perhitungan

perpindahan panas berdasarkan konsep kesetimbangan panas dan

pembahasan.

BAB VI PENUTUP

Bab ini berisi berisi kesimpulan dan saran.

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

1.6 Metode Penelitian

Dalam melakukan perancangan dan pembuatan alat pada Tugas Akhir

(24)

a. Metode Studi Pustaka

Yakni dengan cara mencari referensi buku-buku penunjang yang

berkaitan dengan perancangan alat tersebut, untuk melengkapi dasar

teori dan data-data yang diperlukan dalam penyusunan Tugas Akhir ini.

b. Metode Survei Lapangan

Dengan cara mencari, mengamati dan memahami prinsip kerja

alat-alat yang berhubungan dan diperlukan dalam perancangan alat

tersebut serta mencatat spesifikasi alat-alat yang diamati untuk bahan

pembanding.

c. Metode Perancangan dan Perakitan

Melakukan pembuatan sketsa gambar, perencanaan komponen,

pembuatan komponen yang dibutuhkan, dilanjutkan perakitan serta

finishing.

1.7 Manfaat Penelitian

Atas penelitian yang dilakukan diharapkan memiliki manfaat sebagai

berikut:

a. Dapat mengetahui sejauh mana kinerja dari alat penukar kalor dengan

model pipa konsentrik

b. Dapat membantu industri kecil dalam pembuatan alat penyuling minyak

(25)

7

Yunianto dan Muhammad (2004), memaparkan bahwasanya untuk

meningkatkan laju perpindahan panas dengan tetap mempertahankan luas

permukaan pemindah panas pada kondensor pipa ganda diperlukan adanya

peningkatan koefisien kondensasi. Ada beberapa cara untuk meningkatkan

koefisien kondensasi pada kondensor, salah satunya dengan menambahkan

elemen sisipan yaitu berupa kawat lilitan dalam pipa kondensor. Kawat yang

digunakan berdiameter 1,8 mm. Kawat dipasang dalam pipa annulus pada

kondensor dengan memvariasikan jarak antar lilitan (pitch), yaitu 2 mm, 25 mm,

dan 500 mm. Dari hasil pengujian didapatkan peningkatan efektifitas kondensor

pada pemakaian kawat lilitan dengan pitch longgar (25 mm dan 50 mm),

sedangkan pada pitch (2 mm) justru terjadi penurunan efektifitas. Hasil ini terjadi

baik pipa kondensor dipasang secara vertikal maupun horizontal

Sukirno (2004), dalam penelitian yang telah dilakukan dengan variasi

panjang terhadap performa alat penukar kalor pipa konsentrik aliran searah dan

berlawanan, yaitu 1m, 2m, 3m, untuk fluida panas menggunakan minyak oli SAE

20W-50 yang berada di luar tube dan fluida dingin menggunakan air yang berada

di dalam tube. Dalam penelitiannya menyatakan bahwa semakin panjang alat

penukar kalor akan mengakibatkan rugi panas yang terjadi akan semakin besar,

rugi panas yang terjadi dengan panjang 1m untuk aliran searah rugi panasnya

(26)

berlawanan diperoleh hasil dimensi alat penukar kalor lebih pendek dibanding

dengan alat penukar kalor aliran searah, disamping itu semakin panjang alat

penukar kalor maka efektivitas penukar kalor akan semakin meningkat, hal ini

dikarenakan semakin bertambah panjang alat penukar kalor maka beda suhu yang

dihasilkan akan semakin besar, hal tersebut menyebabkan laju pendinginan akan

semakin besar.

Rochani, dkk (2005), dalam penelitiannya mengatakan bahwa untuk

meningkatkan kapasitas perpindahan panas dapat dilakukan dengan cara

mengurangi tebal lapisan batas pada aliran, agar nantinya terjadi peningkatan

percampuran fluida yang lebih acak. Pengurangan tebal lapisan batas dapat

meningkatkan kecepatan aliran partikel dan turbulensi. Penelitian dilakukan

dengan cara membuat bentuk alur spiral pada bagian dalam pipa. Tujuannya untuk

mengetahui peningkatan kapasitas perpindahan panas dan penurunan tekanan

yang terjadi pada pipa dengan diameter dalam 11 mm, beralur spiral dengan pitch

9 mm, 12 mm, 15 mm dan 18 mm yang dialiri air dengan bilangan Reynolds

antara 298 – 1815. Sepanjang pipa uji dipanaskan dengan rubber heater dan data

yang diamati adalah temperatur fluida masuk dan keluar, temperatur dinding pipa,

penurunan tekanan dan debit aliran. Hasil penelitian kemudian diverifikasi dengan

penelitian sebelumnya (Sara Rainieri, et al., 1998) dan menunjukkan adanya

peningkatan kapasitas perpindahan panas pada pipa dengan alur spiral dan

penurunan tekanan menjadi lebih besar dengan mengecilnya ukuran pitch alur.

Pipa beralur dengan pitch 9 mm mengalami peningkatan perpindahan panas

(27)

Tanti dan Gandidi (2007), dalam penelitiannya menjelaskan bahwa

penukar kalor pipa konsetrik ini dikonstruksi dari dua buah pipa yang sesumbu

dengan diameter 1 inchi untuk pipa bagian luar dan 1/2 inchi untuk pipa bagian

dalam. Data-data yang didapat dengan memvariasikan aliran dalam pipa dan

aliran dalam annulus. Plat sirip bergelombang dengan puncak yang tajam (sharp

ridge) meningkatkan laju perpindahan panas yang mencapai 20.56% dan 7.57 %

dari sirip plat datar dan sirip gelombang dengan puncak yang halus. Koefisien

perpindahan panas dan efektivitas penukar kalor sirip plat gelombang tajam

mengalami kenaikan sebesar 18.38% dan 7.89% dari sirip plat datar dan

gelombang dengan puncak yang halus. Efisiensi sirip gelombang tajam naik

24.60% dan 10.63% dari sirip datar dan gelombang halus. Koefisien perpindahan

panas dan efisiensi plat sirip bergelombang dengan puncak yang halus

masing-masing 12.10%, 9.75% dan 7.89% dari yang bersirip plat datar. plat sirip

bergelombang tajam dan halus juga terjadi kenaikan pressure drop yang

disebabkan oleh hambatan bentuk yang besar dari geometri sirip. Kenaikan ini

mencapai 24.60% dan 10.75% masing-masing untuk plat sirip bergelombang

tajam dan halus dari sirip plat datar. Terakhir, hasil yang telah didapat

menunjukan plat sirip bergelombang dapat digunakan untuk meningkatkan unjuk

kerja termal penukar kalor pipa konsentrik dan sejenisnya seperti shell and tube

heat exchanger dan lain-lain. Sementara itu penelitian terhadap pelat yang dipilin

sebagai pemacu perpindahan kalor aliran fluida dalam pipa juga pernah dilakukan

(28)

10

DASAR TEORI

3.1 Alat Penukar Kalor Shell and Tube

Alat penukar kalor jenis shell and tube adalah alat penukar kalor

yang paling banyak digunakan dalam berbagai macam industri dan paling

sederhana dibanding dengan alat penukar kalor lainnya, hal ini karena:

a. Hanya terdiri dari sebuah tube dan shell, dimana tube terletak secara

konsentrik yang berada di dalam shell.

b. Kemampuannya untuk bekerja dalam tekanan dan temperatur yang

tinggi.

c. Kemampuannya untuk digunakan pada satu aliran volume yang besar.

d. Kemampunnya untuk bekerja dengan fluida kerja yang mempunyai

perbedaan satu aliran volume yang besar.

e. Tersedia dalam berbagai bahan atau material.

f. Kontruksi yang kokoh dan aman.

g. Secara mekanis dapat beroperasi dengan baik dan handal (reliability

tinggi).

Pada jenis alat penukar kalor ini, fluida panas mengalir di dalam

tube sedangkan fluida dingin mengalir di luar tube atau di dalam shell.

Karena kedua aliran fluida melintasi penukar kalor hanya sekali, maka

susunan ini disebut penukar kalor satu lintas (single-pass). Jika kedua

(29)

aliran searah (parallel flow) gambar 1. Jika kedua fluida itu mengalir

dalam arah yang berlawanan, maka penukar kalor ini bertipe aliran lawan

(counter flow) gambar 2 (Kreith, 1997).

Gambar 1. Pola Aliran Searah (paralel flow)

Gambar 2. Pola Aliran Berlawanan (counter flow)

3.2 Klasifikasi Penukar Kalor

a. Klasifikasi Berdasarkan Jumlah Fluida Yang Mengalir.

1) Dua jenis fluida.

2) Tiga jenis fluida.

3) N-Jenis fluida (N lebih dari tiga).

b. Klasifikasi Berdasarkan Konstruksi

1) Konstruksi Tubular (shell and tube).

a) Sekat plat.

b) Sekat batang.

Fluida masuk

Fluida keluar

Fluida keluar Fluida

masuk

Fluida masuk

Fluida keluar

Fluida masuk Fluida

(30)

c) Kontruksi tube spiral.

2) Konstruksi Dengan Luas Permukaan Diperluas.

a) Sirip plat.

b) Sirip tube.

c. Klasifikasi Berdasarkan Pengaturan Aliran.

1) Aliran berlawanan.

2) Aliran searah.

3) Aliran melintang.

4) Aliran yang dibagi.

Hot Fluid In

Cold Fluid In Cold Fluid Out Cold Fluid In Cold Fluid Out

Hot Fluid In Hot Fluid Out

Hot Fluid Out

( a ) Parallel Flow ( b ) Singgle-Pass Cross Flow

ColdFluid In ColdFluid Out Cold Fluid In ColdFluid Out

Hot Fluid In Hot Fluid Out Hot Fluid In Hot Fluid Out

( c ) Counter Flow ( d ) Multi Cross Flow

(31)

3.3 Mekanisme Fisik Perpindahan Panas

Perpindahan panas adalah ilmu untuk memprediksi perpindahan

energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu diantara benda atau

material. Perpindahan panas tidak hanya mencoba menjelaskan bagaimana

energi panas itu berpindah dari satu benda ke benda lain, tetapi juga dapat

meramalkan laju perpindahan panas yang terjadi pada kondisi-kondisi

tertentu (Holman, 1993).

Perpindahan panas adalah perpindahan energi yang diakibatkan oleh

perbedaan temperatur (Incropera, 1996). Transfer energi sebagai panas

merupakan suatu sistem yang memiliki temperatur lebih tinggi berpindah

ke sistem yang memiliki temperatur yang lebih rendah. Perpindahan

temperatur ini akan berhenti apabila kedua sistem telah memiliki

temperatur yang sama. Perpindahan panas ini terjadi melalui tiga cara

yaitu: konduksi, konveksi dan radiasi.

1 Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan panas konduksi atau hantaran adalah proses dimana

panas mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu

lebih rendah di dalam satu medium atau antara medium-medium yang

berlainan yang bersinggungan secara langsung (Kreith, 1997).

Perpindahan panas konduksi dapat juga didefinisikan sebagai

pengangkutan kalor melalui satu jenis zat. Sehingga perpindahan panas

secara konduksi atau hantaran merupakan satu proses pendalaman karena

(32)

aliran energi panas, adalah dari titik bersuhu tinggi ke titik bersuhu rendah

(Masyithah dan Haryanto, 2006).

Hubungan dasar untuk perpindahan panas dengan cara konduksi

yang diusulkan oleh Fourier, menyatakan bahwa laju perpidahan panas

dengan cara konduksi dalam suatu bahan itu sama dengan hasil kali dari

konduksi termal bahan, luas penampang yang mana panas mengalir

dengan cara konduksi dan gradien suhu pada penampang. Sehingga dapat

dituliskan persamaan untuk perpindahan panas dengan cara konduksi

adalah sebagai berikut: (Kreith, 1997).

dx dT kA

qk =− ... (1)

Dimana:

k

q = Laju aliran panas dengan cara konduksi (Watt).

k = Konduktivitas termal bahan (W/m K).

A = Luas penampang (m2).

dx dT

= Gradien suhu pada penampang (oK).

Tanda minus menunjukan konsekuensi dari kenyataan bahwa panas

mengalir ke arah suhu yang rendah. Proses perpindahan panas konduksi

untuk plat datar yang terdiri dari lebih dari bahan dapat di lihat dari

(33)

Gambar 4. Perpindahan Kalor secara Konduksi pada Plat Datar.

Jika gradien suhu pada ketiga bahan adalah seperti terlihat pada

gambar 4, maka perpindahan panas dapat dituliskan sebagai berikut:

(Holman, 1993)

(

Twi Two

)

x A k

q,,

∆ ⋅

= ... (2)

Proses perpindahan kalor konduksi pada tube silindris yang dilalui

oleh fluida panas, maka kalor yang dikandung fluida akan dipindahkan

keluar menurut arah radial sepanjang pipa, hal ini dapat dilihat dari

gambar 5 (Holman, 1993).

Gambar 5. Perpindahan Kalor secara Konduksi pada Plat Silindris.

Maka perpindahan kalor konduksi pada tube silindris dapat ditulis

sebagai berikut: (Holman, 1993).

Tw,i Tw,o

q

(

)

kL r ro i

π 2

/ ln q

q Tw,i

Tw,o

q q

Tw,i

Tw,o

q

Tw,i Tw,o

A k

x

.

(34)

(

)

2 Perpindahan Panas Konveksi

Perpindahan panas konveksi atau aliran adalah pengangkutan ka1or

oleh gerak dari zat yang dipanaskan. Proses perpindahan panas secara

konveksi merupakan satu fenomena permukaan. Proses konveksi hanya

terjadi di permukaan bahan, jadi dalam proses ini struktur bagian dalam

bahan kurang penting (Masyithah dan Haryanto, 2006).

Gambar 6. Perpindahan Kalor Secara Konveksi.

Laju perpindahan panas dengan cara konveksi antara suatu

permukaan dengan suatu fluida dapat dihitung dengan persamaan sebagai

barikut: (Kreith, 1996).

T

∆ = Beda antara suhu permukaan dengan suhu fluida (K).

(35)

Untuk menentukan nilai koefisien perpindahan panas konveksi agak

sedikit rumit, karena harga koefisien perpindahan panas konveksi dalam

sebuah sistem tergantung pada geometri permukaan dan sifat-sifat termal

fluida (konduktivitas termal, kalor spesifik, densitas). Sehingga koefisien

perpindahan panas konveksi dapat ditentukan dengan persamaan sebagai

berikut: (Kreith, 1997).

i c

D k Nu

h = ⋅ ... (5)

Dimana:

c

h = Koefisian perpindahan panas konveksi di dalam

tabung (W/m2 oK).

Nu = Bilangan Nusselt.

k = Koefisien perpindahan panas konduksi (W/m oK).

Di = Diameter tube (m).

Pada perpindahan panas konveksi paksa di dalam tube banyak

dijumpai dalam aplikasi alat penukar kalor, dari hasil analisa menekankan

hubungan empirik untuk menentukan harga koefisien perpindahan panas

konveksi: (Kreith, 1997).

Aliran di dalam tube

i i

D k Nu

h = ⋅ ... (6)

Aliran pada tubeannulus

h o

D k Nu

(36)

Dimana:

i

h = Koefisian perpindahan panas konveksi di dalam

tabung (W/m2 oK).

o

h = Koefisien perpindahan panas konveksi pipa annulus

(W/m2 oK).

Nu = Bilangan Nusselt.

k = Koefisien perpindahan panas konduksi (W/m oK).

Di = Diameter tube (m).

Dh = Diameter unulus (m).

Bilangan Nusselt adalah bilangan yang tidak berdimensi yang

berbanding lurus dengan diameter tube dan koefisien panas konveksi dan

berbanding terbalik dengan konduktivitas thermal zat yang mengalir,

dirumuskan: (Holman, 1993).

k D h

Nu= c ... (8)

Dalam prakteknya, bilangan Nusselt merupakan ukuran untuk

menentukan koefisien perpindahan panas konveksi dapat lebih mudah,

karena jika bilangan Nusselt diketahui maka koefisien perpindahan panas

konveksi dapat dengan mudah dihitung setelah mendapatkan hasil dari

bilangan Reynolds, maka bilangan Nusselt dapat dihitung dengan type

aliran sebagai berikut:

(37)

(

)

n

2) Aliran Laminer didalam Tube, oleh Spang (2004).

(

)

1/3 1/3

Persamaan di atas berlaku apabila:

3

3) Aliran Laminer Pada TubeAnnulus.

(38)

yaitu dengan cara mengetahui dahulu harga Di/Do. Apabila harga Di/Do

tidak terdapat dalam tabel, maka bilangan Nusselt di cari dengan cara

iterasi dari hasil Di/Do (Incropera, 1996).

Tabel 1. Angka Nusselt untuk Aliran Laminar pada Pipa Annulus

dengan Satu Permukaan dengan Temperatur Konstan.

Di/Do Nui Nuo

0

0,05

0,10

0,25

0,50

1,00

---

17,46

11,56

7,37

5,74

4,86

3,66

4,06

4,11

4,23

4,43

4,86

Sumber: Kays and Perkins, in Roshsenow and Hartnett, 1972.

Persamaan 9 dan 10 diasumsikan bahwa aliran yang terjadi

baik di dalam tube dan di tube annulus sudah berkembang penuh.

Meskipun ada teori yang menjelaskan bahwa selalu ada dua bentuk

lapis batas yaitu pada fluks kalor konstan dan pada temperatur dinding

konstan. Masing-masing daerah masuk dibagi dalam dua kategori:

(Hewit, 1994).

a) Daerah Pembentukan Lapis Batas Thermal

Daerah pembentukan lapis batas thermal adalah daerah dari

awal pembentukan lapis batas thermal sampai ke titik pertemuan lapis

batas thermal dengan sumbu pipa. Lapis batas thermal mulai terbentuk

(39)

permukaan dalam tube yang temperaturnya berbeda dengan temperatur

aliran fluida, gambar 7.

Gambar 7. Lapis Batas Thermal

b) Kombinasi Antara Daerah Pembentukan Lapis Batas Thermal Dengan

Daerah Pembentukan Lapis Batas Hidrodinamik.

Daerah pembentukan lapis batas hidrodinamik adalah daerah

dari sisi tube sampai ke titik pertemuan lapis batas hidrodinamik.

Panjang daerah masuk hidrodinamik adalah daerah yang dihitung

mulai dari daerah sisi masuk tube sampai daerah aliran yang sudah

berkembang penuh secara hidrodinamik, gambar 8.

Gambar 8. Kombinasi Lapis Batas Temperatur Hidrodinamik pada Flukskalor Konstan dan Temperatur Dinding Konstan.

t, constan

x q, constan

a b

q, constan

x

t, constan

(40)

3.4 Sirip (fin)

Gambar 9. Berbagai Jenis Muka Sirip.

Untuk memudahkan dalam perhitugan sirip, maka dperlukan

asumsi-asumsi yang diberikan oleh Murray dan Gardner (Kern, 1988), yaitu:

1. Aliran panas dan distribusi temperatur yang melalui sirip tidak

tergantung waktu (steady state).

2. Material dari sirip homogen dan isotropic.

3. Tidak ada sumber panas dari sirip.

4. Konduktifitas panas dari sirip konstan.

5. Koefisien perpindahan panas sama pada sisi masuk sirip.

6. Panas yang dipindahkan lewat sudut luar dari sirip diabaikan

dibandingkan dengan yang melewati sirip.

(41)

Gambar 10. Kombinasi Dimensi Analisis Sirip Tranversal dengan Alur Helic.

Dalam hal ini, untuk jenis sirip yang berpenampang lingkaran tidak

diketemukan analisis teorinya. Oleh sebab itu dalam menganalisis sirip

yang berpenampang lingkaran dilakukan dengan cara pendekatan terhadap

penampangnya, yaitu dengan pendekatan penampang segi empat.

Gambar 11. Pendekatan sirip tranfersal penampang segi empat

Untuk mencari efisiensi pada sirip, dicari dulu perpindahan kalor

yang terjadi apabila tanpa sirip. Perpindahan kalor yang terjadi apabila

tanpa sirip dapat didefinisikan sebagai berikut:

qno. f = U . Ano. f . ∆T ... (12)

(42)

Dimana :

U = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2K)

Ano. f = Luasan kontak tanpa sirip (m2)

T = Beda temperatur (K)

do = Panjang penukar kalor (m)

Untuk mencari perpindahan kalor dengan sirip dan luasan pada sirip

dapat dirumuskan sebagai berikut :

Afin = 2π

(

r

22

r

12

)

+ 2π

r

2t ... (14)

(43)

Gambar 12. Diagram Teoritis Efisensi Sirip Tranfersal dengan Penampang Segi-empat

Tidak semua bagian annulus diselimuti oleh sirip, maka

perumusannya juga lain. Untuk pipa yang tidak diselimuti oleh sirip dapat

dirumuskan sebagai berikut :

s

d

A

un,f =π⋅ f,i⋅ ... (17)

T

U

A

q

un,f = ⋅ un,f⋅∆ ... (18)

Dimana :

Aun,j = Luasan yang tidak diselimuti oleh sirip (m)

df = Diameter dasar sirip (m)

(44)

Perpindahan kalor total pada sirip didefinisikan sebagai berikut:

(

q

q

)

q

tot f =nunf + f

,

, ... (19)

Dimana :

n = Banyaknya siripyang terpasang pada penukar kalor

Peningkatan atau keefektifan dari sirip dapat dihitung dengan rumus:

q

q

q

increase= tot,fno,f ... (20)

Jadi efektifitas dari sirip dapat dirumuskan sebagai berikut:

q

q

f no tot

f tot overall f

. ,

,

, =

ε

... (21)

Efektifitas sirip diharapkan sebesar mungkin. Sirip dikatakan efektif

bilamana

Σ

f ≥2 (Incropera Hal. 120, 1996).

3.5 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh

Koefisien perpindahan panas menyeluruh adalah penjumlahan dari

seluruh koefisien perpindahan panas yang meliputi koefisien perpindahan

panas konduksi, koefisien perpindahan panas konveksi dan koefisien

perpindahan panas radiasi, tetapi karena perpindahan panas radiasi tidak

begitu berpengaruh, maka koefisien perpindahan panas radiasi tidak

dibahas.

Untuk plat datar jika diambil salah satu bagian kecil dari daerah

pertukaran panas yang terkena lingkungan konveksi maka analogi

(45)

Gambar 13. Perpindahan Panas Menyeluruh pada Permukaan Data

Dari gambar 13. Terlihat fluida panas A mengalir pada sisi kiri dari

plat sedangkan fluida dingin B mengalir pada sisi kanan plat, perpindahan

panas dinyatakan oleh persamaan berikut: (Holman, 1993).

(

A

)

(

)

(

B

)

Proses perpindahan panas dapat digambarkan dengan jaringan

tahanan listrik seperti pada gambar 13. Perpindahan panas menyeluruh

dapat dihitung dengan jalan membagi beda temperatur menyeluruh dengan

jumlah tahanan thermal, maka perpindahan panas dihitung dengan

persamaan berikut: (Holman, 1993).

A

digunakan untuk menunjukan tahanan konveksi. Aliran panas

menyeluruh sebagai hasil gabungan proses konduksi dan konveksi bisa

dinyatakan dengan koefisien perpindahan panas menyeluruh, U: (Holman,

(46)

menyeluruh T A U

q= ⋅ ⋅∆ ... (24)

Dengan menggunakan persamaan 24, maka koefisien perpindahan

panas menyeluruh adalah sebagai berikut: (Holman, 1993).

2

U = Koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2 K).

h = Koefisien perpidahan panas konveksi (W/m2 K).

A = Luas penampang (m2).

T = Temperatur (oK).

k = Koefisien perpindahan panas konduksi (W/m K).

x

∆ = Tebal dinding (m).

Perhatikan bahwa dalam hal ini luas bidang konveksi tidak sama

untuk kedua fluida, maka luas bidang tergantung dari diameter dalam

tabung dan tebal dinding. Maka perpindahan panas menyeluruh dapat

dinyatakan sebagai berikut: (Holman, 1993).

(47)

Sebagaimana dalam pengujian ini menggunakan sirip untuk proses

penukaran kalor maka dari persamaan 26, dengan adanya modifikasi

penambahan sirip (fin). Adapun rumus perhitungan untuk luasan sirip

sebagai berikut: (Kern, 1988).

Afin = 2π

(

r

r

)

2 1 2

2− + 2π

r

2t ... (27)

Sehingga perpindahan panas secara menyeluruh dengan penambahan

sirip dapat dinyatakan sebagai berikut: (Kern, 1988)

(

)

Sesuai dengan jaringan tahanan thermal seperti pada gambar 14,

besarnya Ao dan Ai adalah luas permukaan bagian luar dan bagian dalam.

Gambar 14. Aliran Panas Satu Dimensi melalui Silinder Berlubang

(48)

Maka koefisien perpindahan panas menyeluruh untuk bagian dalam

Permukaan bagian dalam pipa dianggap licin tanpa ada faktor kotoran diluar

dan didalam Tube.

3.6 Bilangan Reynolds

Bilangan Reynolds adalah parameter tidak berdimensi untuk

menentukan apakah aliran yang terjadi laminer atau turbulen yang

tergantung dari besarnya bilangan tersebut. Sebuah aliran dikatakan

laminer jika fluida bergerak secara lapisan-lapisan secara teratur atau nilai

bilangan Reynoldsnya kurang dari 2000, (Kreith, 1997). Dan daerah

bilangan Reynolds antara 2100 sampai 4000 terjadi peralihan dari aliran

laminer ke aliran turbulen aliran ini disebut aliran peralihan (transisi).

Sedangkan aliran dikatakan turbulen jika fluida bergerak dengan tidak

menentu ditandai dengan timbulnya ulakan-ulakan pada aliran atau nilai

(49)

sifat dari aliran tersebut laminer atau turbulen ditunjukkan dengan

bilangan Reynolds (Re) yang dituliskan dalam persamaan sebagai berikut:

(Kreith, 1997).

µ

Untuk memperlukan kecepatan rata-rata maka diperoleh dengan

persamaan:

Untuk diameter pada annulus diperoleh dengan persamaan: (Kreith,

(50)

h

D = Diameter annulus (m).

o

D = Diameter shell (m).

i

D = Diameter tube (m).

3.7 Kesetimbangan Kalor

Sesuai dengan hukum kesetimbangan kalor, bahwa kalor yang

masuk ke dalam suatu sistem sama dengan kalor yang keluar dari sistem,

hal ini dapat dilihat pada gambar 15.a. maka persamaan dapat ditulis

sebagai berikut: (Incropera, 1996).

qc =qh

(

co ci

)

h ph

(

hi ho

)

c p

c c T T m c T T

m,,, = ⋅ ,,, ... (34)

Dimana:

qc = kalor yang masuk ke sistem (Watt)

qh = kalor yang keluar ke sistem (Watt)

c .

m = kapasitas aliran fluida dingin (kg/s)

cp,c = panas spesifik fluida dingin (J/kg K)

Tc,i = temperatur fluida dingin yang masuk kondensor (oC)

Tc,o = temperatur fluida dingin yang keluar kondensor (oC)

h .

m = kapasitas aliran fluida panas (kg/s)

cp,h = panas spesifik fluida panas (J/kg K)

Th,i = temperatur fluida panas yang masuk kondensor (oC)

(51)

a

b

Gambar 15. Kesetimbangan Kalor antara Dua Fluida Kerja dan Distribusi Temperatur dalam Kondensor Lintas Tunggal.

Gambar 15.a, menunjukan distribusi perubahan temperatur yang

terjadi pada kedua fluida dalam penukar kalor shell and tube pipa

konsentrik, karena temperatur dari fluida kerja yang berada di dalam

penukar kalor pada umumnya tidak konstan tetapi temperaturnya selalu

berbeda dari satu titik ke titik lainnya pada waktu kalor mengalir dari fluida

yang lebih panas ke fluida yang lebih dingin. Tetapi perlu diperhatikan

bahwa pada gambar 15.b, terlihat bahwa distribusi temperatur aliran fluida

panas yang mengalir disepanjang lintasan tidak mengalami perubahan

temperatur tetapi mengalami perubahan fasa yaitu perubahan dari fasa uap Th,i

∆T Tc,o

Tc,i

Th,o

∆T1 ∆T

2

qc

qh

Tc,i c .

m Th,i

Th,o h

.

m

(52)

menjadi fasa cair. Sehingga persamaan untuk kesetimbangan kalor dapat

ditulis sebagai berikut:

qc =qh

(

co ci

)

h ph

(

hi ho

)

c p

c c T T m c T T

m,,, = ⋅ ,,,

(

co ci

)

h f g

c p

c c T T m h

m,,, = ⋅ , ... (35)

Dimana:

hf,g = kalor penguapan (kJ/kg)

3.8 Daya Pompa

Dalam hal ini daya pompa dikategorikan menjadi dua bagian, yaitu

daya masuk dan daya keluar pompa. Besarnya daya masuk pompa

dipengaruhi oleh besarnya tegangan listrik dan kuat arus yang terjadi,

sehingga daya pompa dapat ditentukan dengan persamaan, sedangkan daya

keluar pompa dipengaruhi oleh tinggi heat dan tekanan massa dalam hal

ini adalah fluida air. Sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut:

Pin = V . I ... (36)

Pout = vf . ∆P . mc ... (37)

Dengan:

Pin = daya masuk pompa (Watt)

Pout = daya keluar pompa (Watt)

V = tegangan (Volt)

vf = volume spesifik (m3/kg)

I = kuat arus (Ampere)

(53)

35

4.1 Diagram Alir Penelitian

Gambar 16. Diagram Alir Penelitian

Perencanaan dan pembuatan model heat exchanger

MULAI

Pengujian

Variabel bilangan Reynolds fluida dingin 2000, 4000, 6000, 8000, 10000

Pembuatan laporan

SELESAI

Pengolahan data dan penarikan kesimpulan Pengaruh variasi bilangan Reynolds terhadap: 1. Kapasitas kondensat

(54)

4.2 Bahan Yang Digunakan Dalam Penelitian

Dalam penelitian bahan yang digunakan adalah fluida air baik untuk

fluida panas maupun fluida dingin. Spesifikasi dari fluida yang digunakan

adalah:

1 Fluida dingin yang mengalir dalam kondensor adalah air yang diambil

langsung dari sumber air.

2 Fluida panas yang digunakan adalah uap dari hasil pemanasan air yang

berada didalam bejana.

4.3 Alat-Alat Yang Digunakan Dalam Penelitian

1 Unit Model Heat ExchangerConcentric Tube Dengan Posisi Horizontal

Gambar 17. Model Heat ExchangerConcentric Tube

Keterangan gambar 17 :

a Pipa tembaga dengan panjang 3200 mm, diameter luar25,7 mm dan

diameter dalam 23,5 mm, yang digunakan sebagai tube.

b Pipa baja karbon dengan panjang 3000 mm, diameter luar 50,6 mm

(55)

c Kawat yang digunakan sebagai spiral pengarah aliran dengan

diameter 5 mm, pitch 60 mm.

2 Unit Instalasi Eksperimen

Keterangan gambar 18 :

A. Bejana

B. Bak hasil kondensat

C. Flowmeter

D. Selang Radiator

E. Kondensor

F. Pompa Air

G. Bak air

H. Bak air bekas kondensasi

(56)

3 Bejana

Gambar 19. Bejana

4 Tabung Bahan Bakar Apollo Kapasitas 8 L

Gambar 20. Tabung Bahan Bakar

5 Kompresor Tangan Merk Vitech

(57)

6 Multimeter Digital Dan Selektor Tipe Omega 405 A

Gambar 21. MultMeterDigital dan Selektor

7 Electric Pump Model D 9126 BIT Merk Shimizu

Gambar 22. Pompa Air

Selektor

(58)

8 Pipa PVC

Gambar 23. Pipa PVC

9 FlowmeterMerk Water Flow

Gambar 24. Flowmeter Air

(59)

Pengukuran debit aliran fluida dingin menggunakan alat ukur

flow meter, yang ditempatkan pada bagian masuk kondensor yang

dihubungkan dengan pipa PVC.

10 Termokopel tipe K, seri 66 K 24

Gambar 25. Termokopel

11 Kompor Dua Buah

Gambar 26. Kompor

(60)

12 Skema Penelitian

Gambar 27. Skema Penelitian

a Aliran Fluida Panas

Untuk fluida panas, uap hasil pemanasan dari bejana langsung mengalir

ke kondensor yang dapat ditunjukan dengan anak panah yang berwarna

merah.

b Aliran Fluida Dingin.

Untuk fluida dingin, pipa yang digunakan untuk meneruskan

aliran fluida dingin dari bak air ke kondensor menggunakan pipa PVC

dengan diameter 25,9 mm. Untuk aliran fluida dingin yang berada di

kondensor menggunakan pipa baja karbon dengan diameter luar 50,6

(61)

untuk pengujian aliran berlawanan (counter flow) saja, dan arah aliran

dapat ditunjukan dengan anak panah yang berwarna biru.

Pada sistem perpipaan fluida dingin ini terdapat dua buah katup

yang digunakan untuk mengatur aliran fluida dingin, katup K1

merupakan katup masuk yang digunakan untuk mengatur besar kecilnya

debit fluida dingin yang akan memasuki kondensor, katup K2 merupakan

katup keluar yang digunakan untuk menjaga keseimbangan antara debit

aliran fluida dingin dengan kemampuan motor pada pompa, sehingga

motor pada pompa tidak akan mengalami beban yang berlebih.

c Avometer

Alat ini digunakan untuk megetahui besarnya tegangan listrik

dan kuat arus yang akan digunakan untuk menghitung besarnya daya

pompa ketika pompa bekerja.

d Flowmeter

Pengukuran debit aliran fluida dingin menggunakan alat ukur

flowmeter, yang ditempatkan pada bagian masuk kondensor yang

dihubungan dengan pipa PVC.

e Termokopel

Pengukuran temperatur aliran dari fluida kerja menggunakan

termokopel tipe K, dimana untuk mengetahui temperatur itu dilengkapi

dengan satu set multimeter digital sebagai termokopel reader sebagai

dispay data yang diperoleh. Pengukuran ini dilakukan pada enam titik

(62)

Gambar 28. Skema Penempatan Termokopel

4.4 Tempat Pengujian dan Pengambilan Data

Pengujian dilakukan di laboratorium Konversi Energi Jurusan

Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Pengujian dilakukan untuk aliran berlawanan dengan 5 macam variabel

bilangan Reynolds yaitu 2000, 4000, 6000, 8000 dan 10.000. Dan

pengambilan data dilakukan secara serentak dengan interval waktu 5 menit

dalam satu kali pengambilan data selama 25 menit. Data-data yang diambil

adalah temperatur masuk fluida panas (Th,i), temperatur masuk fluida dingin

(Tc,i), temperatur keluar fluida panas (Th,o), temperatur keluar fluida dingin

(Tc,o), temperatur luar pipa tembaga (Tw,luar), temperatur dalam pipa tembaga

(63)

4.5 Tahapan Penelitian

Untuk memperoleh hasil yang maksimal dalam melakukan penelitian

dan untuk mengetahui performa dari suatu alat penukar kalor pipa

konsentrik aliran berlawanan arah (counter flow), maka dilakukan beberapa

tahapan penelitian, yaitu sebagai berikut:

1 Pastikan sudah tidak ada kebocoran pada instalasi percobaan.

2 Nyalakan kompor untuk proses pemanasan air dalam bejana hingga

temperatur air dalam bejana mencapai 100 oC.

3 Hidupkan pompa.

4 Atur aliran air menggunakan katup masuk dan katup keluar sesuai

dengan variabel aliran dengan mengamati skala flowmeter.

5 Pengujian dapat dimulai setelah proses pemanasan air sudah mendidih

sempurna atau temperatur air dalam bejana sudah mencapai 100 oC.

6 Amati temperatur dinding, temperatur fluida dingin dan temperatur

fluida panas dengan menekan tombol-tombol selektor masing-masing

(64)

47

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari data–data yang diperoleh baik dari hasil eksperimen yang sudah

dilakukan, data–data dimensi dari penukar kalor dan data–data dari sifat–sifat fluida

kerja, maka akan dilakukan analisa perhitungan perpindahan panas yang terjadi antara

fluida panas (uap) dan fluida dingin (air) berdasarkan kesetimbangan panas.

5.1

Data Dimensi Alat Penukar Kalor

Data–data fisik dari penukar kalor pipa konsentrik adalah sebagai berikut :

Diameter

luar

shell

(D

o

)

: 0,0506 m

Diameter

shell

(D

i

)

:

0,0497

m

Diameter

luar

tube

(d

o

)

: 0,0257 m

Diameter

dalam

tube

(d

i

)

: 0,0235 m

Diameter kawat spiral (d

k

)

: 0,0050 m

Jarak antar lilitan /

pitch

(z)

: 0,0600 m

Panjang penukar kalor (L)

: 3 m

Konduktivitas

tube

tembaga (k)

: 386 W/m

o

C

(65)

5.2

Data Hasil Pengujian

a.

Data hasil pengujian kapasitas aliran dan temperatur aliran dapat dilihat

pada table 2.

Tabel 2. Data hasil pengujian kondensor tipe konsentrik ganda

dipasang secara seri

Eksp. t (s)

Kondensor bawah Kondensor atas

h

(66)

5.1

Analisa Perhitungan

a.

Eksperimen 1 pada Bilangan

Reynolds

Fluida Dingin 2.760

1)

Perhitungan Temperatur Keluar Fluida Dingin Teoritis (T

co, t

).

Perhitungan temperatur keluar fluida dingin teoritis dapat

ditentukan dengan menggunakan persamaan kesetimbangan panas, karena

ada dua variabel yang belum diketahui, maka dilakukan suatu metode

iterasi agar besarnya kalor yang masuk sama dengan kalor yang keluar.

Sehingga:

h

c

q

q

=

m

c

c

p,c

(

T

co,t

T

ci,eksp

)

=

m

h

h

f,g

0,0253⋅cp,c

(

Tco,t −30.00

)

=2,461⋅2436,56×103

0

,

0253

4174

,

189

(

86

,

78

30

,

00

)

=

2

,

461

2436

,

56

×

10

3

5996,365 = 5996,374 W

2)

Perhitungan Pelepasan Kalor Yang Keluar Ke Lingkungan.

(

cot coekp

)

c p c

L

m

c

T

T

q

=

,

,

,

=0,0253⋅4.183,484⋅

(

86,78−31,07

)

(67)

3)

Propertis Fluida Dingin Pada Temperatur Rata-Rata.

4)

Propertis Fluida Panas Pada Temperatur Rata-Rata.

(68)

Tabel A.6.

5)

Perhitungan Bilangan

Reynolds

Teoritis Fluida Dingin.

(69)

Jadi besarnya bilangan

Reynolds

teoritis fluida dingin adalah:

6)

Perhitungan Bilangan

Nusselt

Fluida Dingin.

Karena aliran yang terjadi pada

tube annulus

laminar,

maka

besarnya bilangan Nusselt dapat dicari dengan menggunakan tabel 1, yaitu

dengan cara membagi d

o

/D

i

, sehingga:

Karena hasil dari d

o

/D

i

dalam tabel 1 tidak ada, maka dilakukan

metode iterasi, sehingga:

(

4

,

86

5

,

74

)

5

,

74

7)

Perhitungan Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Fluida Dingin.

Dari hasil perhitungan bilangan Nusselt dan berdasarkan sifat

konduktivitas thermal fluida, maka koefisien perpindahan panas konveksi

(70)

8)

Perhitungan Bilangan

Reynolds

Fluida Panas.

µ

(71)

µ

9)

Perhitungan Bilangan

Nusselt

Fluida Panas.

Karena aliran yang terjadi untuk fluida panas adalah turbulen

,

maka besarnya bilangan Nusselt dapat ditentukan dengan persamaan:

(

)

4/5 0,3

10)

Perhitungan Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Fluida Panas

Dari hasil perhitungan bilangan Nusselt dan berdasarkan sifat

konduktivitas thermal fluida, maka koefisien perpindahan panas konveksi

pada

tube

bagian dalam

dapat ditentukan dengan persamaan:

(72)

11)

Perhitungan Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh

Besarnya koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat diperoleh

dari harga masing-masing koefisien perpindahan panas fluida kerja yang

ditentukan dengan persamaan:

i

12)

Perhitungan Daya Pompa

Besarnya daya masuk kedalam pompa dapat ditentukan dengan

persamaan:

Sedangkan besarnya daya pompa yang dibutuhkan untuk

mengalirkan fluida dingin dapat ditentukan dengan persamaan:

(73)

Untuk eksperimen 1 sampai 4 pada bilangan

Reynolds

629

2864

,

dapat disajikan pada tabel 3. Dengan cacatan bahwa untuk properties

fluida dingin maupun fluida panas dapat dilihat pada lampiran (tabel

properties).

13)

Perhitungan efektifitas sirip

h

o

= 153,424 W/m

2

.K

T

h,m

=

65,585

0

C

t

= 0,005 m

T

c,m

=

35,268

0

C

L

f

= 0,005 m

k

= 59 W/m

d

f,i

= d

o

= 0,0257 m

s

= 0,060 m

n

= 50 fin

r

f,o

= 0,01785 m

r

f,i

= 0,01285 m

a.

mencari q tanpa sirip

L

d

A

no,f

=

π

o

=

π

· 0,0257 · 1,5

(74)

T

b.

mencari perpindahan kalor dengan sirip dan luasan pada sirip

dapat dirumuskan sebagai berikut :

(75)

c.

Tidak semua bagian

annulus

diselimuti oleh sirip, maka

perumusannya juga lain. Untuk pipa yang tidak diselimuti sirip

dapat dirumuskan sebagai berikut :

s

d.

Perpindahan kalor total pada sirip didefinisikan sebagai

berikut:

e.

Peningkatan atau keefektifan dari sirip dapat dihitung dengan

rumus :

f no f tot

increase

q

q

Figur

Gambar 3. Klasifikasi Penukar Kalor Berdasarkan Aliran Fluidanya
Gambar 3 Klasifikasi Penukar Kalor Berdasarkan Aliran Fluidanya . View in document p.30
gambar 5 (Holman, 1993).
Holman 1993 . View in document p.33
Gambar 6. Perpindahan Kalor Secara Konveksi.
Gambar 6 Perpindahan Kalor Secara Konveksi . View in document p.34
Tabel 1.  Angka Nusselt untuk Aliran Laminar pada Pipa Annulus  dengan Satu Permukaan dengan Temperatur Konstan
Tabel 1 Angka Nusselt untuk Aliran Laminar pada Pipa Annulus dengan Satu Permukaan dengan Temperatur Konstan. View in document p.38
Gambar 7. Lapis Batas Thermal
Gambar 7 Lapis Batas Thermal . View in document p.39
Gambar 9. Berbagai Jenis Muka Sirip.
Gambar 9 Berbagai Jenis Muka Sirip . View in document p.40
Gambar 10. Kombinasi Dimensi Analisis Sirip Tranversal dengan Alur Helic.
Gambar 10 Kombinasi Dimensi Analisis Sirip Tranversal dengan Alur Helic . View in document p.41
Gambar 12. Diagram Teoritis Efisensi Sirip Tranfersal dengan Penampang
Gambar 12 Diagram Teoritis Efisensi Sirip Tranfersal dengan Penampang . View in document p.43
Gambar 14. Aliran Panas Satu Dimensi melalui Silinder Berlubang
Gambar 14 Aliran Panas Satu Dimensi melalui Silinder Berlubang . View in document p.47
Gambar 15.a, menunjukan distribusi perubahan temperatur yang
Gambar 15 a menunjukan distribusi perubahan temperatur yang . View in document p.51
Gambar 16. Diagram Alir Penelitian
Gambar 16 Diagram Alir Penelitian . View in document p.53
Gambar 19. Bejana
Gambar 19 Bejana . View in document p.56
Gambar 24. Flowmeter Air
Gambar 24 Flowmeter Air . View in document p.58
Gambar 25. Termokopel
Gambar 25 Termokopel . View in document p.59
Gambar 27. Skema Penelitian
Gambar 27 Skema Penelitian . View in document p.60
Gambar 28. Skema Penempatan Termokopel
Gambar 28 Skema Penempatan Termokopel . View in document p.62
Tabel 2. Data hasil pengujian kondensor tipe konsentrik ganda dipasang secara seri
Tabel 2 Data hasil pengujian kondensor tipe konsentrik ganda dipasang secara seri . View in document p.65
Grafik hubungan Tc,i dengan mh
Grafik hubungan Tc i dengan mh. View in document p.81
Grafik Hubungan Tci dengan Daya Pompa
Grafik Hubungan Tci dengan Daya Pompa. View in document p.83
Grafik hubungan Daya Pompa dengan mh
Grafik hubungan Daya Pompa dengan mh. View in document p.84
Tabel A.6 UµP ho 2
Tabel A 6 U P ho 2 . View in document p.92
Tabel A.6 P hµo -6
Tabel A 6 P h o 6. View in document p.93
Tabel A.6 Uo µP (W/m2 ReNuh  x10-6 kx10-3 o
Tabel A 6 Uo P W m2 ReNuh x10 6 kx10 3 o . View in document p.94
Tabel A.6 P hµo -6
Tabel A 6 P h o 6. View in document p.95
Tabel A.6 P hµo -6
Tabel A 6 P h o 6. View in document p.96
Tabel Hasil Kalibrasi Termokopel
Tabel Hasil Kalibrasi Termokopel . View in document p.97
Tabel Data Avometer
Tabel Data Avometer . View in document p.98
Tabel Hasil Kalibrasi Flow Meter
Tabel Hasil Kalibrasi Flow Meter . View in document p.98
Tabel Data Tekanan
Tabel Data Tekanan . View in document p.99
Tabel Data Hasil Kondensat
Tabel Data Hasil Kondensat . View in document p.100

Referensi

Memperbarui...