• Tidak ada hasil yang ditemukan

1.2 RUMUSAN MASALAH 1. Apakah yang dimaksud dengan heat exchanger? 2. Apakah yang dimaksud dengan perpindahan panas secara konveksi?

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Membagikan "1.2 RUMUSAN MASALAH 1. Apakah yang dimaksud dengan heat exchanger? 2. Apakah yang dimaksud dengan perpindahan panas secara konveksi?"

Copied!
26
0
0

Teks penuh

(1)

1 1.1 LATAR BELAKANG

Perpindahan panas adalah salah satu faktor yang sangat menentukan operasional suatu pabrik Kimia. Penyelesaian soal-soal perpindahan kalor secara kuantitatif biasanya didasarkan pada neraca energi dan perkiraan laju perpindahan kalor. Perpindahan panas akan terjadi apabila ada perbedaan temperatur antara 2 bagian benda. Panas akan berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Panas dapat berpindah dengan 3 cara, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Pada peristiwa konduksi, panas akan berpindah tanpa diiukti aliran medium perpindahan panas. Panas akaan berpindah secara estafet dari satu partikel ke partikel yang lainnya dalam medium tersebut. Pada peristiwa konveksi, perpindahan panas terjadi karena terbawa aliran fluida.

Secara termodinamika, konveksi dinyatakan sebagai aliran entalpi, bukan aliran panas. Pada peristiwa radiasi, energi berpindah melalui gelombang elektromagnetik. Ada beberapa alat penukar panas yang umum digunakan pada industri. Alat-alat penukar panas tersebut antara lain: double pipe, shell and tube, plate-frame, spiral, dan lamella.Penukar panas jenis plate and frame mulai dikembangkan pada akhir tahun 1950 an. Banyak penelitian yang telah dilakukan pada penukar panas jenis ini, namun umumnya fluida operasi yang digunakan adalah air. Pada praktikum ini, fluida yang digunakan adalah udara. Fluida udara dimanfaatkan sebagai fluida operasi karena kalor yang dihasilkan flue gas dari operasi suatu pabrik belum dimanfaatkan secara maksimal. Praktikum ini juga merupakan salah satu usaha pengakjian lebih dalam mengenai flue gas. Hasil praktikum diharapkan tampil dalam bentuk korelasi NNU= a.NREbDengan demikian didapat korelasi antara bilangan Reynolds dengan bilangan Nusselt.

1.2 RUMUSAN MASALAH

1. Apakah yang dimaksud dengan heat exchanger?

(2)

1. Faktor-faktor apa saja yang mempengaruhi perpindahan panas secara konveksi?

2. Peristiwa apa sajakah yang termasuk fenomena perpindahan panas secara konveksi?

1.1 TUJUAN

Tujuan praktikum modul perpindahan panas adalah:

1. Praktikan mempelajari peristiwa/ fenomena perpindahan panas konveksi melalui percobaan penukar panas bejana.

2. Praktikan mampu memilih konfigurasi sistem perpindahan panas yang paling baik.

3. Praktikan mampu memahami peristiwa konveksi yang terjadi pada kehidupan sehari-hari.

4. Praktikan mampu mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhi laju kalor konveksi.

1.2 MANFAAT

Manfaat praktikum Modul Perpindahan Panas adalah:

1. Agar praktikan dapat mempelajari peristiwa/fenomea perpindahan panas melalui percobaan panas plate and frame.

2. Agar praktikan mampu memilih konfigurasi sistem perpindahan panas yang paling baik,

3. Agar praktikan mampu memhami peristiwa konveksi yang terjadi pada kehidupan sehari-hari.

4. Agar praktikan dapat mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhi laju kalor konveksi.

(3)

3 2.1 Kalor

Kalor adalah bentuk energi yang dirasakan oleh manusia. Energi mewujudkan keadaan di mana jumlah energi yang dipindahkan antara manusia dan persekitarannya mencapai keseimbangan secara termal (Weller dan Youle, 1981). Perpindahan kalor merupakan sifat dasar alam persekitaran, iaitu Hukum Termodinamika. Hukum ini menyatakan bahawa apabila terdapat suatu kawasan dengan kandungan kalor yang tinggi, seperti suhu yang tinggi, dan satu lagi kawasan dengan kandungan suhu yang rendah, akan terdapat kecenderungan serta merta untuk kalor berpindah daripada kawasan yang tinggi kepada kawasan yang rendah.

Terdapat tiga mekanisme perpindahan, iaitu radiasi, konveksi, konduksi dan perubahan bahan di mana setiapnya memiliki sifat tertentu. Radiasi termal merupakan mekanisme dasar aliran kalor dan penting di mana bumi menerima energinya daripada suria. Radiasi adalah aliran energi melalui gelombang elektromagnet yang melalui bahan vakum atau lut sinar.

Seperti yang berlaku pada bahagian bangunan yang lain, perpindahan kalor pada atap terdiri daripada empat jenis iaitu konduksi, konveksi, radiasi dan evaporasi. Sebahagian kalor yang diserap daripada radiasi suria hilang melalui proses konveksi ke udara luar. Sebahagian dilepaskan semula ke bahagian ruang, dan sisanya dihantarkan melalui bahan atap untuk menaikkan suhu sisi bawah atap. Apabila atap curam disusun dengan menggunakan lapisan-lapisan nipis, dan memiliki keberaliran yang tinggi, akan berlaku kenaikan suhu yang tinggi. Kalor dari sisi bawah atap ini dihantarkan dari atap ke siling secara evaporasi dan radiasi gelombang panjang.

Mekanisme perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi merupakan pengangkutan energi yang disebabkan oleh perbedaan suhu. Prinsip yang sama dengan ini ialah perpindahan uap air secara penyerakan atau konveksi yaitu pengangkutan satu unsur daripada campuran yang sesuai dengan perbedaan tahap pekatan. Kalor adalah sebuah bentuk energi,merupakan suatu kuantitas yang dapat diukur. Satuan kaor adalah Btu (British Thermal Unit) yang berarti jumlah kalor

(4)

yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 pon air pada 60 °F adalah 1 °F. Dalam sistem metrik (SI) satuan kalor disebut dengan kalori (kal) didefinisikan sebagai jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 pon air pada 15 °C, sebesar 1 °C.

2.2 Satuan kalor

Kalor adalah sebuah bentuk energi. Satuan: Joule (J). 1 kJ (kilojoule) = 1000 Joule. Suhu (t) adalah merupakan pertanda hadirnya kalor dalam suatu benda. Ia mengukur keadaan termal benda tersebut. Satuan suhu adalah Celcius (°C). suhu terndah sama dengan suhu air yang membeku pada 0 °C . suhu didihnya adalah 100 °C. Suhu diukur dengan thermometer air raksa. Kaitan antara kalor dan temperature disebut dengan konsep kalor spesifik (specific heat). Kalor spesifik diartikan sebagai jumlah kalor energi yang dibutuhkan satuan massa benda untuk naik suhunya. Satuan kalor spesifik : J/kg °C. Kalor juga berkaitan dengan massa volume suatu benda yang disebut dengan volume spesifik (cv). Terdapat bentuk-bentu kalor yaitu:

a. Kalor Sensibel

Kalor sensibel adalah merupakan kalor yang dapat dirasakan oleh indera. Dengan kata lain dia adalah merupakan bentuk kalor yang bergandengan dengan perubahan suhu dari benda yang terkait.

b. Kalor Laten

Kalor laten adalah energi termal yang terlibat dalam perubahan keadaan sebuah benda tanpa perubahan temperatur. Contoh: perubahan dari padat ke cair atau dari cair ke padat. Suhu adalah merupakan tanda hadirnya kalor dalam sebuah benda. Satuan suhu adalah derajat celsius.

c. Kalor Jenis

Kalor jenis adalah sifat khusus suatu zat yang menunjukkan kemampuannya untuk menyerap kalor. Zat yang kalor jenisnya tinggi mampu menyerap lebih banyak kalor untuk kenaikan suhu yang rendah d. Kapasitas Kalor

Kapasitas kalor didefinisikan banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu benda sebesar 1°C.

(5)

Zat Kalor jenis(J/Kg K)

Alumunium 900

Tembaga 390

Kaca 840

Besi atau Baja 450

Timah hitam 130

Marmer 860

Perak 230

Kayu 1700

Tabel 2.1 Kalor jenis berbagai zat (pada 20 °C dan tekanan tetap 1 atm) 2.3 Prinsip Termodinamika

Termodinamika adalah ilmu yang berkaitan dengan aliran kalor yang hubungannya dengan kerja mekanik.

a. Hukum pertama Termodinamika:

Adalah merupakan prinsip kekekalan energi. Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, hanya diubah dari satu bentuk kebentuk lainnya.

b. Hukum kedua Termodinamika:

Perpindahan kalor atau energi dapat terjadi secara spontan hanya dalam satu arah, dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin.

Dari zona suhu yang lebih tinggi kalor dapat mengalir menuju zona yang bersuhu yang lebih rendah dengan 3 cara :

1. Konduksi 2. Konveksi 3. Radiasi

Perpindahan ini dapat diukur dengan 2 cara:

a. Sebagai aliran total dalam satuan waktu (kadar aliran kalor) melalui suatu luasanctertentu sebuah benda atu ruang.

b. Sebagian berat jenis dari aliran ini, yaitu kadar aliran per-satuan luas (berat jenis fluks).

Dan mempunyai dua kuantitas yakni:

1. Kadar aliran kalor yang melalui sebuah bidang yaitu jumlah energi yang melaluinya dalam satuan waktu (J/s = Joule/second = W(Watt)).

2. Berat jenis fluks adalah jumlah energi yang melalui sebuah unit luasan dari sebuah benda atau ruang dalam satuan waktu diukur dalam Watt/m2.

Zat Kalor jenis(J/Kg K)

Alkohol 2400 Raksa 140 Air es (-5°C) 2100 cair (15°C) 4180 uap (110°C) 2010 Badan manusia 3470 Udara 1000

(6)

Apabila suhu pada setiap titik dalam sebuah objek adalah tetap pada setiap masa maka keadaan ini dikatakan keadaan ‘mantap’ (Harkness, 1978). Bangunan dalam keadaan mantap hanya akan berlaku apabila suhu udara luar dan dalam adalah tetap. Dalam situasi sebenar, keadaan mantap tidak pernah berlaku. Suatu keadaan hampir mantap akan diperolehi dalam bangunan apabila suhu luaran menunjukkan perubahan harian yang kecil dan suhu dalaman dikekalkan melalui penyaman udara.

Keadaan mantap untuk udara luar dan dalam, jarang berlaku dalam keadaan sebenar. Suhu udara harian dan radiasi suria berubah setiap masa. Perubahan ini bersifat berkala yang berubah setiap 24 jam. Suhu udara mencapai kedudukan terendah pada awal pagi dan meningkat sehingga maksimum pada waktu tengahari dan akan turun semula.

Pengiraan gandaan secara terus ke atas kalor suria melalui sebuah unsur pada keadaan ‘fana’ secara berkala yang berlaku di luar ataupun di dalam bangunan, sangat rumit dan belum terdapat sebarang kaedah yang disediakan untuk menjawab persoalan ini (Harkness, 1978). Walaubagaimanapun, pengiraan ini bukan lagi merupakan masalah apabila Mitalas dan Stephenson (1976) memperkembangkan kaedah tersebut. Mereka menyatakan bahawa penentuan gandaan kalor secara terus dapat dilakukan dengan anggapan bahawa terdapat suhu yang berubah secara berkala dan suhu yang tetap. Secara praktikalnya, anggapan ini berhubung dengan keadaan di mana dinding di bahagian luar terdedah kepada perubahan udara luar manakala bahagian dalamnya berada dalam keadaan tetap dengan menggunakan penyaman udara.

2.4 Pengertian Konveksi Secara Umum

Konveksi dapat dimaksudkan sebagai perpindahan kalor melalui cecair atau gas. Konveksi merupakan suatu mekanisme di mana energi kalor dipindahkan oleh gabungan satu bahagian bendalir, iaitu gas atau cecair, dengan yang lain (Straaten, 1967). Oleh itu, konveksi sentiasa melibatkan gerakan atau aliran bahan. Konveksi oleh udara tidak boleh berlaku tanpa kehadiran pergerakan udara, tetapi pergerakan udara dapat berlaku tanpa perpindahan kalor. Perpindahan kalor secara konveksi berlaku pada permukaan dinding, lantai dan atap atau pipa, ataupun benda alir mengalir di luar batas bahan pejal pada suhu yang berbeda.

(7)

Sebagian besar konveksi ditentukan oleh perbedaan suhu antara permukaan dengan udara, kasar atau tidaknya permukaan, gerakan udara ke atas permukaan dan orientasi permukaan. Daya aliran konveksi merupakan kuantiti yang sentiasa berubah (Billington, 1952).

Kalor dihantarkan melalui ruang udara secara konveksi dan radiasi. Rongga udara ini merupakan sebuah rintangan (hampir sama seperti penebatan) dan percubaan menunjukkan bahawa rongga udara normal memiliki rintangan kira-kira 0.21 m2 0C/W untuk kalor yang menuju ke bawah. Bagi kalor yang menuju ke atas, unsur konveksi bertambah apabila permukaan panas menetapkan aliran konveksi di atasnya supaya lebih banyak, lebih mudah berbanding di bawah, oleh itu rintangan jatuh sehingga 0.14 m2 0C/W (Baker, 1987).

Apabila ruang diberi pengalihudaraan secara bebas, maka diharapkan terdapat pengurangan perpindahan kalor kerana kalor dipindahkan melalui udara daripada luar. Udara yang berada di dalam rongga ini dikeluarkan dan digantikan oleh udara tenang (still air) daripada luar. Bagi pengalihudaraan yang cekap, mudah diperolehi dalam ruang loteng yang besar dengan bukaan pengalihudaraan yang besar. Suhu udara di dalam rongga ini akan tetap atau hampir kepada suhu udara luar. Maka mengurangkan unsur konveksi dengan berkesan kepada sifat (Baker, 1987).

Bagaimanapun, dalam ruang udara biasa, unsur konveksi bukan merupakan unsur perpindahan kalor utama dalam rongga udara. Unsur utama adalah perpindahan kalor secara radiasi. Penebatan terhadap radiasi berfungsi untuk mengurangkan perpindahan kalor melalui rongga udara samada dengan mengurangkan keberpancaran daripada sisi bawah atap yang panas atau dengan menambahkan daya pantulan permukaan dalam yang sejuk daripada siling (Baker, 1987).

Perpindahan kalor dari satu permukaan sebuah benda padat ke sebuah benda cair, yaitu cairan atau gas sebaliknya. Konveksi tergantung kepada:

a. Luas daerah kontak antara benda dan zat cair (m2).

b. Perbedaan tempertur antara benda dan zat cair,∆T = T1–T2(˚C).

c. Koefisien konveksi (hc), dalam W/m2 ˚C, tergantung pada kekentalan (viscousitas) dan kecepatan zat cair dan juga konfigurasi dari zat cair/alir tersebut.

(8)

Nilai koefisien konveksi :

a. Hc = 3,0 = untuk permukaan vertikal

b. Hc = 4,3 = aliran kalor naik. Udara ke plafon,lantaike udara. c. Hc = 1, 5= aliran kalor turun. Udara kelantai, plafon ke udara. Permukaan yang menghadap angin:

ℎ = 5,8 + 4,1

Dengan :

V = kecepatan angina (m/s) Aliran kalor konveksi

= ℎ × × ∆

Persamaan ini sesuai untuk:

1. Konveksi bebas/alami, dimana aliran udara disebabkan oleh perbedaan berat jenis..

2. Konveksi dipaksa : Dimana udara (fluida) dipompa atau didorong dari arah sebelah benda.

Koefisien hc tergantung kepada : a. Kecepatan fluida/angin. b. Suhu fluida.

c. Suhu permukaan. d. Konduktifitas.

e. Kalor Spesifik fluida. f. Berat jenis fluida. g. Viskositas fluida.

h. Bentuk kontak permukaan. i. Dimensi fisik sistem.

Pengoperasian suatu pabrik tidak lepas dari proses perpindahan panas yang terjadi antara dua fluida yang berbeda temperaturnya. Alat yang digunakan adalah penukar panas (heat exchanger). Penukar panas adalah peralatan proses yang digunakan untuk memindahkan panas dari dua fluida yang berbeda dimana perpindahan panasnya dapat terjadi secara langsusng (kedua fluida mengalami pengontakan) ataupun secara tidak langsung (dibatasi oleh suatu dinidng pemisah/

(9)

sekat). Fluida yang mengalami pertukaran panas dapat berupa fasa cair, cair-gas, dan gas-gas.

Dalam melakukan perancangan penukar panas harus diperhitungkan faktor perpindahan panas pada fluida dan kebutuhan daya pompa mekanis untuk mengatasi gaya gesek dan menggerakkan fluida. Penukar panas untuk fluida kerja yang memiliki rapat massa besar (fluida cair), energi yang hilang akibat gesekan reletif lebih kecil daripada energi yang dibutuhkan sehingga pengaruh yang merugikan ini jarang diperhitungkan. Sedangkan untuk fluida yang rapat massanya rendah seperti gas, penambahan energi mekanik dapat lebih besar dari laju panas yang dipertukarkan. Pada sistem pembangkit daya termal, energi mekanik dapat mencapai 4 sampai 10 kali energi panas yang dibutuhkan.

Ada tiga tipe penukar panas yang sering digunakan, yakni plate and frame/ gaskette plate (umumnya disebut plate exchanger), spiral plate, dan lamella. Kesamaan dari ketiga konfigurasi ini adalah permukaan pemindahan panas sama-sama terdiri dari paralel lempeng logam yang dipisahkan permukaan kontak dan panas yang diterima mengubah aliran fluida pada saluran tipis.

Penukar panas jenis plate adalah penukar panas yang dapat memindahkan panas lebih baik dari dua konfigurasi lainnya. Kelebihan lain penukar panas jenis plate ini adalah:

1. fleksibel dalam penyusunan arah alir fluida 2. memiliki laju perpindahan panas yang tinggi 3. mudah dalam pengecekan/ inspeksi dan perawatan.

Proses pertukaran panas di industri digunakan untuk pemenuhan kebutuhan unit proses dan untuk konservasi energi. Penukar panas yang baik adalah yang memiliki laju perpindahan panas seoptimal mungkin. Ketidakoptimalan laju perpindahan panas ditentukan nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan (U). Hasil-hasil penelitian yang telah dipublikasikan menunjukkan bahwa perubahan fluks massa udara dapat meningkatkan nilai U untuk setiap laju alir massa flue gas konstan pada lat penukar panas jenis plat. Marriot (1971) membatasi rentang bilangan Reynolds yang efektif untuk fluida operasi gas-gas adalah 10-400. Pada bilangan Reynolds yang terlalu tinggi, laju alir fluida juga akan tinggi, yang akan menyebabkan perpindahan panas tidak efektif.

(10)

Praktikum ini dilakukan dengan menggunakan penukar panas plate and frame dengan beberapa karakteristik, antara lain penukar panas pelat bersaluran jamak banyak saluran, beraliran berlawanan arah, dan beraliran menyilang. Variabel yang terlibat dalam percobaan ini adalah besarnya laju alir massa fluida yang menentukan bilangan Reynolds operasi. Laju alir fluida dihitung dengan menggunakan rotameter yang telah dikalibrasi terleih dahulu. Pembacaan temperatur fluida menggunakan termokopel yang ditempatkan pada aliran masuk dan keluar fluida panas maupun fluida dingin. Karakteristik yang akan diamati berupa laju perpindahan panas Q, fluks kalor hilang qloss, koefisien perpindahan panas konveksi h, bilangan Reynolds, dan bilangan Nusselt.

2.5 Penukar Panas Jenis Pelat

Penukar panas adalah alat yang digunakan untuk mempertukarkan panas secara kontinue dari suatu medium ke medium lainnya dengan membawa energi panas. Secara umum ada 2 tipe penukar panas, yaitu:

1. direct heat exchanger, dimana kedua medium penukar panas saling kontak satu sama lain.

2. indirect heat exchanger, dimana kedua media penukar panas dipisakan oleh sekat/ dinding dan panas yang berpindah juga melewatinya.

Yang tergolong indirect HE adalah penukar panas jenis shell and tube, pelat, dan spiral. Sedangkan yang tergolong direct HE adalah cooling tower dimana operasi perpindahanpanasnya terjadi akibat adanaya pengontakan langsung antara air dan udara.

Penukar anas jenis pelat memberikan hasil yang lebih baik dalam proses pertuakran panas, karena:

1. Menggunakan material tipis untuk permukaan penukar panas sehingga menurunkan tahanan panas selama konduksi.

2. Memberikan derajat turbulensi yang tinggi yang memberikan nilai konveksi yang besar sehingga meningkatkan nilai U dan juga menimbulkan self

cleaning effect.

3. Faktor-faktor fouling kecil karena:

a. Aliran turbulen yang tinggimenyebabkan padatan tersuspensi. b. Profil kecepatan pada pelat menjadi seragam.

(11)

c. Permukaan pelat secara umum smooth. d. Laju korosi rendah.

e. Mempunyai nilai ekonomis dalam instalasi karena hanya membutuhkan tempat 1/4 sampai 1/10 tempat yang dibutuhkan tube dan spiral.

f. Mudah dalam modifikasi dan pemeliharaan.

g. Penukar panas jenis pelat dapat memindahkan panas secara efisien bahkan pada beda temperatur sebesar 1 °C sekalipun.

h. Penukar panas jenis pelat juga fleksibel dalam pemeliharaan aliran. Menurut Bell (1959) ada beberapa tipe aliran fluida dalam pelat heat exchanger, yaitu:

1. Seri

Pola ini digunakan untuk fluida yang laju alirnya rendah dan beda temperaturnya tinggi.

2. Paralel

Pola ini digunakan untuk fluida yang laju alirnya lebih besar dan beda temperaturnya rendah.

3. Seri paralel

Pola ini digunakan untuk fluida yang laju alir dan beda temperaurnya tidak terlalu tinggi (menengah).

Penukar panas jenis pelat terdiri atas pelat-pelat tegak lurus yang dipisahkan sekat-sekat berukuran antara 2 sampai 5 mm. Pelat-pelat ini berbentuk empat persegi panjang dengan tiap sudutnya terdapat lubang. Melalui dua di antara lubang-lubang ini fluida yang satu dialirkan masuk dan keluar pada satu sisi, sedangkan fluida yang lian karena adanya sekat mengalir melalui ruang antara di sebelahnya. Struktur umum penukar panas kenis pelat yang dipublikasikan Marriot, 1971 dapat dilihat pada gambar 2.1 berikut.

(12)

Gambar 2.1 Penukar panas jenis pelat [Marriot, 1971]

Banyak pelat bergelombang, sehingga aliran turbulen sudah tercapai pada bilanagn Reynolds antara 10-400. Pelat yang lebih tipis akan memberikan perpindahan panas yang lebih efisien, uniform, dan proses kontrol yang lebih baik. Berdasarkan konstruksinya, penukar panas pelat dapat dibagi menjadi 2 macam, yaitu Gasketted Plate Heat Exchanger dan Brazed Plate Heat Exchanger.

Gasketted plate heat exchanger mudah dimodifikasi karena desiannya fleksibel. Fungsi utama gasket adalah menjaga tekanan fluida, menjaga laju alir fluida dan mencegah pencampuran fluida. Selain iu, gasket juga mudah dibuka untuk kontrol dan pembersihan. Brazed plate heat exchanger adalah pengembangan jenis gasket. Kelebihannya adalah lebih kompak, dan digunakan untuk tekanan dan temperatur tinggi.

2.6 Jenis-Jenis Plate Heat Exchanger

Pada percobaan ini, studi terhadap penuakr panas jenis pelat didasarkan pada ragam aliran fluida operasi. Berdasarkan hal ini penukar panas jenis pelat dapat dibedakan menjadi:

1. Penukar panas pelat beraliran jamak (multipass plate heat exchanger). 2. Penukar panas pelat berlawanan arah (countercurrent plate heat exchanger). 3. Penukar panas pelat bersilangan arah (crosscurrent plate heat exchanger). Alat penukar panas saluran jamak memiliki spesifikasi aliran berupa saluran jamak laluan (multipass) untuk aliran udara pendingin dan saluran tunggal untuk aliran flue gas. Penukar panas pelat secara skematik dapat dilihat pada Gambar 2.2. Proses pertukaran panas pada penukar panas jenis ini secara sederhana mirip dengan proses pertukaran panas pada penuakr panas pipa ganda (double pipe heat excanger). Perbedaannya terletak pada bentuk alur laluan fluida. Pada pipa ganda

(13)

alur laluan fluida pendinginnya sejajar dengan alur laluan fluida panasnya. Baik fluida dingin maupun panas memiliki alur aliran yang lurus (smooth). Sedangkan pada penukar panas pelat beraliran jamak alur laluan fluida dingin membentuk hutuf U dan sejajar dengan alur laluan fluida panas.

Gambar 2.2 Penukar panas jenis pelat berlairan jamak (multi-pass)

Pada alat penukar panas berlawanan arah, kedua fluida, flue gas, dan udara pendingin mengalir masuk ke penukar panas dalam arah yang berlawanan dan keluar sistem dalam arah yang berlawanan juga. Gambar 2.3 menunjukkan skema arah aliran pada penukar pelat berlawanan arah.

Gambar 2.3 Penukar panas pelat berlawanan arah (counter current)

Pada penukar panas pelat bersilangan arah, udara bergerak menyilang melalui matriks perpindahan panas yang dilalui oleh flue gas. Arah matriks perpindahan panas pada penukar panas jenis ini dapat dilihat pada Gambar 2.4.

(14)

Gambar 2.4 Penukar panas bersilangan arah (cross-current) 2.7 Koefisien Perpindahan Panas

Perpindahan panas antara dua fluida yang dipisahkan oleh pelat terjadi secara konduksi dan konveksi. Jika konduksi dan konveksi secara berurutan, maka tahanan panas yang terlibat (konduksi dan konveksi) dapat dijumlahkan untuk memperoleh koefisien perpindahan panas keseluruhan (U). Besaran 1/Uh dan 1/Uc disebut tahanan keseluruhan terhdap perpindahan panas dan merupakan jumlah seri dari tahanan di fasa fluida panas, pelat, dan fluida dingin. Secara metemais dapat dirumuskan: 1 =ℎ +1 + 1 ℎ dan 1 =ℎ +1 + 1 ℎ dimana :

=tahanan panas keseluruhan atas dasar fluida panas

=tahanan panas keseluruhan atas dasar fluida dingin hh= koefisien perpindahan panas di fluida panas

(15)

xw= tebal pelat

k = konduktivitas pelat Perpindahan panas menjadi:

= ( − ) ℎ =

,

ℎ =

, −

dQ/dA adalah fluks panas per unit perpindahan panas di maan perbedaan temperatur (Th- Tc). U adalah koefisien perpindahan panas keseluruhan, Twadalah temperatur dinding pelat. Gradien temperatur pada proses konveksi paksa ditunjukkan pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Gradien temperatur pada proses konveksi paksa [McCabe, 1993] Karena harga Th dan Tc berbeda untuk tiap titik, digunakan beda temperatur ratarata logaritmik (∆TLMTD). Secara matematis dirumuskan:

(16)

∆ =∆ − ∆ ln ∆∆

Untuk fluida dengan aliran single pass,∆TLMTDharus dikoreksi dengan faktor 0.95. Koreksi perlu dilakukan agar nilai yang diperoleh lebih valid. Untuk memperoleh harga faktor koreksi (Ft) perlu terlebih dahulu dicari nilai dari konstanta tak berdimensi Z dan ηH.Dimana:

= , − ,

, − ,

dan

= , − ,

, − ,

Kemudian, dengan mengaluirkannilai Z dan ηH pada Gambar2.6, diperoleh nilai Ft.

2.8 Variabel Keadaan

Secara matematis tujuan percobaan ini adalah mencari nilai a, b, c pada persamaan:

NNU= a.NREb.NPRc

Dari persamaan si atas terlihat bahwa ada beberapa variable keadaan yang terlibat, yaitu bilangan Reynolds, bilangan Prandtl, dan bilangan Nusselt. Bilangan Reynolds menggambarkan karakteristik aliran fluida apakah bersifat laminar atau turbulen. Bilangan Prandtl menunjukkan karakteristik termal fluida. Sedangkan bilangan Nusselt menggambarkan karakteristik proses perpindahan panas.

Bilangan Reynolds merupakan bilangan tak berdimensi yang didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya inersia terhadap gaya viscous dalam system aliran fluida. Secara matematis dapat dirumuskan:

= . .

dimana :

(17)

v = laju alir fluida (m/s2) µ = viskositas fluida (ms2/kg) d = diameter (m)

Gambar 2.6 Faktor koreksi temperatur untuk aliran cross-current [McCabe, 1993] Berikut adalah densitas fluida udara pada tekanan atmosferik:

Temperatur (K) 273,15 288,15

Desitas (g/L) 1,2928 1,2250

Tabel 2.1 Densitas fluida udara pada tekanan atmosferik

Aliran fluida cair pada tube bersifat laminar bila bilangan Reynolds kurang dari 2100. Pada rentang bilangan Reynolds antara 2100-6000 fluida mengalir pada regim transisi. Sedangkan jika bilangan Reynolds sudah lebih dari 6000 aliran fluida tergolong turbulen.

Bilangan Prandtl merupakan bilangan tak berdimensi yang didefinisikan sebagai pebandingan antara kapasitas panas fluida dikalikan viskositas terhadap konduktivitas termal fluida. Secara matematis bilangan Prandtl dirumuskan sebagai:

= .

dimana

Cp = kapasitas panas fluida µ = viskositas fluida (ms2/kg) k = konduktivitas termal fluida

Berikut ini adalah bilangan Prandtl fluida udara pada tekanan atmosferik:

(18)

160 0.754 200 0.738 240 0.724 280 0.710 300 0.705 350 0.699 400 0.694 450 0.691 500 0.689

Tabel 2.2 Bilangan Prandtl fluida udara pada tekanan atmosferik Dari tabel tersebut terlihat bahwa nilai bilangan Prandtl udara relatif konstan sehingga korelasi bilangan tak berdimensi tersebut dapat disederhanakan menjadi:

NNU= a.NREb

ln( ) = ln + ln( )

Persamaan diatas yang merupakan persamaan yang menunjukkan korelasi antara bilangan Nusselt dengan bilangan Reynolds.

Bilangan Nusselt didefinisikan sebagai perbandingan antara gradien dinding (dT/dy)wterhadap gradien temperatur (T-Tw)/D. Secara matematis dapat ditulis:

=ℎ = −

Dari persamaan tersebut, terlihat ada beberapa variabel yang mempengaruhi besarnya nilai bilangan Nusselt, yaitu koefisien perpindahan panas, konveksi h, diameter ekivalen pelat D, dan konduktivitas termal fluida k. Nilai konduktivitas termal fluida udara pada berbagai suhu dapat dilihat pada tabel berikut;

Temperatur (K) 300 350 400 500 600 700 800

Kudara(10-2W/mK) 2.62 3.00 3.38 4.07 4.69 5.24 5.73

Tabel 2.3 Nilai konduktivitas termal fluida udara pada berbagai suhu

2.9 Korelasi Data

Untuk aliran turbulen pada penukar panas jenis pelat, Marriot (1971) memberikan korelasi sebagai berikut

(19)

N

= a. N

b

. N

c

.

dimana

NNU

= bilangan Nusselt

NRE

= bilangan Reynolds

NPR

= bilangan Prandtl

µ

= viskositas fluida

(ms2/kg)

µw

= viskositas fluida di lapisan batas

(ms2/kg)

a = 0.15-0.40

b = 0.65-0.85

c = 0.30-0.45

d = 0.05-0.20

Persamaan khusus yang digunakan Marriot (1971) adalah:

N

= 0.374 N

0.668

. N

0.333

.

.

Persamaan ini berlaku untuk fluida operasi air-air dengan rentang bilangan Reynolds antara 10-10000. Karena µ dan µw dapat dianggap sama, maka Troupe (1960) merumuskan hubungan di atas menjadi:

= 0.383 − 0.0505 .

0.655 .

dengan besaran l adalah panjang saluran dan besaran s adalah jarak aliran lokal. Untuk pelat dengan satu macam struktur geometri, perbandingan l/s besarnya antara 1.5 sampai 10, tetapi untuk banyak tipe seperti pelat dengan struktur geometri yang bersilangan, perbandingan l/s sulit ditentukan. Untuk aliran laminar Sieder-State merumuskan hubungan sebagai berikut:

(20)

2.10 Neraca Massa dan Energi pada Sistem Alat Perpindahan Panas

Karakteristik alat perpindahan panas ditentukan oleh beberapa faktor, antara lain:

1. Jenis fluida yang akan dipertukarkan panasnya. 2. Laju alir fluida.

3. Tipe aliran yang dipakai (co-current atau counter-current).

4. Letak fluida panas dan dingin, di dalam atau di luar alat penukar panas tersebut.

Dalam neraca entalpi pendingin dan pemanas didasarkan pada asumsi bahwa dalam penukar kalor tidak terjadi kerja poros, sedang energi mekanik, energi potensial, dan nergi kinetik semuanya kecil dibandingkan dengan suku-suku lain dalam persamaan neraca energi. Maka, untuk satu arus dalam penukar kalor:

= ( − )

Dimana,

m = laju aliran massa dalam arus tersebut q = = laju perpindahan kalor ke dalam arus

Ha dan Hb= entalpi per satuan massa arus pada waktu masuk dan pada waktu keluar.

Penggunaan laju perpindahan kalor dapat lebih disederhanakan dengan asumsi salah satu dari fluida dapat mengambil kalor dan melepaskan kalor ke udara sekitar jika fluida itu lebih dingin dari udara. Perpindahan kalor dari atau ke udara sekiktar dibuat sekecil mungkin dengan isolasi yang baik sehingga kehilangan kalor tersebut diabaikan terhadap perpindahan kalor yang melalui dinding tabung yang memisahkan udara panas dan udara dingin. Dengan asumsi tersebut, perpindahan kalor pada fluida panas adalah:

( − ) =

sedangakan untuk fluida dingin adalah :

( − ) =

Tanda qc positif sedangkan tanda qh negatif karena fluida panas menerima kalor sedangkan fluida dingin melepas kalor. Dengan asumsi tidak ada kalor yang terbuang ke lingkungan, maka

(21)

= −

Maka persamaan neraca entalpi keseluruhan adalah

(

) =

(

) =

Perhitungan perpindahan klalor didasarkan atas luas penukaran pemanasan yang dinyatakan dalam laju panas per luas permukaan atas dasar luas bidang tempat berlangsungnya aliran panas. Laju perpindahan kalor per satuan luas disebut fluks kalor.

Bila fluida dipanaskan atau didinginkan, suhu fluida di dalam pemanas ataupun pendingin akan berbeda-beda. Jika fluida itu sedang mengalami pemanasan, suhu minimum terdapat pada dinding pemanas, dan meningkat berangsur sampai ke pusat. Suhu rata-rata dalah suhu yang dicapai bila keseluruhan fluida yang mengalir melalui penampang dikeluarkan dan dicampurkan secara adiabatik sehingga didapatkan satu suhu yang seragam.

Fluks panas terjadi dengan driving force perbedaan suhu yaitu Th-Tc (∆T). Th adalah suhu rata-rata fluida panas dan Tc adalah suhu rata-rata fluida dingin. Perbedaan suhu tersebut disebut Overall Local Temperature Difference. Dalam suatu alat penukar panas ∆T tersebut berubah dari suatu titik ke titik lain sehingga fluks juga berubah. Fluks lokal adalah dq/dA sebanding dengan nilai∆T pada tiap titik menurut persamaan

= . ∆

U adalah koefisien perpindahan panas keseluruhan (overall). Untuk menyelesaikan integrasi tersebut harus diasumsikan beberapa pengandaian untuk penyederhanaan antara lain :

1. Koefisien U bernilai konstan.

2. Kalor spesifik fluida panas dan fluida dingin konstan. 3. Pertukaran kalor dengan lingkungan diabaikan. 4. Aliran tunak dapat searah maupuin berlawanan arah.

Supaya asumsi-asumsi ini dapat berlaku benar maka nilai ∆T harus kecil karena sebetulnya parameter-parameter tersebut merupakan fungsi suhu. Perhitungan ∆T ini dihitung secara LMTD.

(22)

2.11 Konveksi Dalam Keseharian

Konveksi udara secara alami yang terjadi sewaktu membakar sesuatu pada gambar 2.6. Udara panas di dekat nyala api memuai dan massa jenisnya menjadi lebih kecil. Udara dingin (massa jenisnya lebih besar) yang berada di sekitar api menekan udara panas ke atas, sehingga terjadilah arus konveksi udara. Arus konveksi udara inilah yang membawa asap bergerak ke atas.

2.6 Aliran konveksi di udara

Angin laut dan angina darat yang dimanfaatkan nelayan untuk berlayar mencari ikan terjadi melalui konveksi alami udara. Pada siang hari, tanah lebih cepat menjadi panas daripada laut sehingga udara di atas daratan lebih lebih panas daripada udara di atas lautan. Oleh digantikan oleh udara di atas laut, terjadilah angin laut (Gambar 2.7).

Gambar 2.7 Angin laut terjadi melalui konveksi alami

Pada malam hari, tanah lebih cepat dingin daripada laut sehingga udara di atas daratan lebih dingin daripada udara di atas laut. Oleh karena itu, udara di atas laut

(23)

naik dan tempatnya digantikan oleh udara di atas daratan, terjadilah angina darat (Gambar 2.8).

Gambar 2.8 Angin darat terjadi melalui konveksi alami

Dalam konveksi paksa, fluida yang telah dipanasi telah langsung diarahkan ke tujuannya oleh sebuah peniup (blower) atau pompa. Contoh konveksi paksa adalah pada sistem pendingin mobil, dimana air diedarkan di dalam pipa-pipa air oleh bantuan pompa air. Panas mesin yang tidak dikehendaki dibawa oelh sirkulasi air menuju ke radiator. Di dalam sirip-sirip radiator ini air hangat didinginkan oleh udara. Air yang dingin kembali menuju pipa-pipa air yang bersentuhan dengan blok-blok mesin untuk mengulang siklus berikutnya. Perlu diperhatikan bahwa radiator berfungsi sebagai penukar kalor. Jadi, fungsi radiator adalah menjaga suhu mesin agar tidak melampaui batas desain, sehingga mesin tidak rusak karena pemanasan lebih. Oleh karena itu, pemilik mobil harus selalu memeriksa apakah volume air radiatornya cukup atau tidak.

Gambar 2.9 Konveksi paksa pada sistem pendingin mobil

Contoh konveksi paksa lainnya adalah pada pengring rambut, seperti ditunjukkan pada gambar 2.10. Kipas menarik udara disekitarnya dan meniupkan

(24)

udara tersebut melalui elemen pemanas. Dengan cara ini dihasilkan suatu arus konveksi paksa udara panas.

(25)

25 3.1 Bahan dan Alat yang digunakan

3.1.1 Alat

Alat yang digunakan dalam pengujian ini adalah sebagai berikut : 1. Bejana kaca transparan

2. Termokopel dan termometer reader (2 buah) 3. Lampu spirtus

3.1.2 Bahan

Bahan yang digunakan dalam pengujian ini adalah sebagai berikut : 1. Air bersih

2. Serbuk gergaji kayu

3.2 Prosedur Kerja

Pengambilan data dilakukan dengan mengukur semua variabel saat

melakukan pengujian. Tahap–tahap yang dilakukan dalam melakukan pengujian adalah sebagai berikut:

1. Bejana diisi air hingga penuh. 2. Serbuk gergaji kayu dimasukkan.

3. Lampu spiritus dinyalakan untuk untuk memanaskan air dalam wadah. 4. Mengukur temperatur dasar wadah (Tdw) pada setiap temperatur air

permukaan mencapai temperatur yang ditetapkan.

5. Mengamati perilaku serbuk gergaji dan diamati gerakannya pada tiap pengukuran temperature.

(26)

29 5.1 KESIMPULAN

Konveksi dapat dimaksudkan sebagai perpindahan kalor melalui cecair atau gas. Konveksi merupakan suatu mekanisme di mana energi kalor dipindahkan oleh gabungan satu bahagian bendalir, iaitu gas atau cecair, dengan yang lain (Straaten, 1967).

Sebagian besar konveksi ditentukan oleh perbedaan suhu antara permukaan dengan udara, kasar atau tidaknya permukaan, gerakan udara ke atas permukaan dan orientasi permukaan. Daya aliran konveksi merupakan kuantiti yang sentiasa berubah (Billington, 1952).

Praktikum ini mengamati suatu pergerakan dari serbuk geragaji ketika dimasukkan ke dalam bejana pada suhu yang berbeda. Pada suhu awal atau mula-mula serbuk gergaji yang dimasukkan kedalam bejana yang berisi air akan tenggelam. Ketika api dari bunsen sudah dihidupkan maka akan membuat air di dalam bejana menjadi semakin bertambah temperaturnya. Karena ada kenaikan temperatur dari air, maka air akan mendidih. Ketika air mendidih terjadi pergolakan atau pergerakan dari serbuk gergaji dengan membentuk siklus putaran dari samping menuju ke tengah bejana begitu seterusnya.

Jadi dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi temperatur dari air maka akan membuat pergolakan atau pergerakan dari serbuk gergaji semakin cepat. Selain itu masih ada beberapa ciri-ciri yang lain, contohnya terdapat titik uap air di bejana, air menjadi keruh dan lain sebagaina.

5.2 SARAN

Sebaiknya dalam melakukan pengambilan data selanjutnya disediakan waktu yang cukup lama, agar hasil pengambilan data bisa lebih akurat dan sebaiknya alat-alat dan bahan yang hendak diujikan diatur terlebih dahulu dan dirawat untuk dapat bekerja secara maksimal. Agar pada saat pengambilan data, mesin akan benar-benar dapat siap untuk diuji dan digunakan.

Gambar

Tabel 2.1 Kalor jenis berbagai zat (pada 20 °C dan tekanan tetap 1 atm) 2.3 Prinsip Termodinamika
Gambar 2.1 Penukar panas jenis pelat [Marriot, 1971]
Gambar 2.2 Penukar panas jenis pelat berlairan jamak (multi-pass)
Gambar 2.4 Penukar panas bersilangan arah (cross-current) 2.7 Koefisien Perpindahan Panas
+7

Referensi

Dokumen terkait

Dengan demikian jamaah di Masjid Abu Bakar Ash-Shidiq yang sering hadir dalam kajian rutin tersebut memiliki respon terhadap gaya busana Ustadz Evie Effendi

Untuk membuktikan hipotesis yang telah ditentukan dalam penelitian ini digunakan uji regresi berganda. Hasil dari uji akan menunjukkan apakah ada pengaruh antara

Untuk mengetahui apa yang menjadi kebutuhan dari perancangan aplikasi penjualan online berbasis Web dilakukan dengan cara pengumpulan data yang terdiri dari data primer dan

Penelitian ini merupakan penelitian kualitatif yang dilaksanaka n dari bulan Juni hingga September 2018, yang berlokasi di 2 kecamatan yaitu Kecamatan Sukra dan

• PERADABAN LEMBAH SUNGAI KUNING ADALAH PERADABAN BANGSA CINA YANG MUNCUL DI LEMBAH SUNGAI KUNING (HWANG HO ATAU YANG SEKARANG DISEBUT HUANG HE).SUNGAI HWANG HO

Pada pengujian ini akan dibuktikan kemampuan insert dari database MySQL dan MongoDB. Adapun prosesnya akan dijabarkan lebih detail di bawah ini. Membuat query insert

Tidak hanya gebyok, saya mendapatkan banyak mendengar cerita dari "arga mengenai cerita kali 1engek, maupun cerita tokoh!tokoh yang kini makamnya berada di

Penggunaan Metode Index Card Match (ICM) Dengan Media Kartu Gambar Dalam Peningkatan Pembelajaran Bahasa Inggris Pada Siswa Kelas V SDN Pesalakan Tahun Ajaran 2013/2014. Pengantar