ANALISA PERPINDAHAN PANAS PADA PERENCANAAN MENARA

PENDINGIN TIPE PLAT DATAR

Oleh :

Elfia Ridwan

0304102010023

Abstrak

Menara pendingin salah satu alat penukar panas, dimana aliran fluida panas (air) akan dikontak langsung dengan fluida dingin (udara). Analisa perpindahan panas pada perencanaan menara pendingin ini untuk memperoleh suatu alat penukar kalor yang lebih sederhana dan efisien dengan menggunakan plat datar tipis sebagai media perpindahan panas. Penggunaan plat datar bertujuan untuk memperluas permukaan perpindahan panas dimana fluida panas mengalir diatas plat dengan memperlambat laju aliran air jatuh sehingga dengan memperlambat laju aliran maka energi panas yang hilang lebih besar. Pada sistem menara pendingin ini, panas yang dibuang pada plat 1 204,68 kW dan pada saat air jatuh 296,04 kW sehingga panas total yang dibuang sebesar 3038,79 kW dengan temperatur masuk 90 0C dan keluar 82,97 0C. laju perpindahan panas ini masih bisa ditingkatkan dengan memperluas dimensi permukaan plat ataupun dengan menggunakan blower sehingga temperatur yang keluar lebih rendah.

Kata kunci : perpindahan panas, plat datar, air.

I. PENDAHULUAN

Semua peralatan pemesinan yang berbasis energi panas apabila bekerja

terus-menerus akan menimbulkan panas yang berlebihan. Hal ini apabila panas

yang timbul melebihi batas toleransi tingkat kemampuan material menahan panas

yang diizinkan akan terjadi kelelahan thermal material. Untuk mengatasi

kelelahan material tersebut maka perlu dihindari dengan proses pendinginan.

Pada umumnya proses pendinginan dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu

dengan menggunakan fluida udara dan fluida air. Pemanfaatan fluida udara

langsung sebagai media pendingin sering digunakan untuk pendinginan yang

1

berkapasitas kecil contohnya seperti pada sepeda motor. Sedangkan untuk

pendinginan yang berkapasitas sedang biasanya menggunakan radiator. Pada

mesin motor bakar yang mempunyai beban pendinginan yang sangat besar

biasanya menggunakan pendinginan secara bertingkat dimana mesin didinginkan

oleh oli kemudian oli tersebut didinginkan dengan air. Air itu sendiri

disirkulasikan ulang yang terlebih dahulu didinginkan di menara pendingin

(cooling tower). Hal ini untuk mencegah temperatur air pendingin melebihi

temperatur toleransi maksimum. Bila temperatur air pendingin melebihi

temperatur maksimum maka kemampuan pendingin akan menurun sehingga

temperatur pelumas akan tinggi (di luar batas izin) yang dapat menurunkan

kualitas pelumas, akibatnya dapat merusak komponen-komponen mesin.

Dalam perencanaan ini, menara pendingin yang direncanakan merupakan

tipe plat datar dimana plat tersusun secara horizontal dan fluida mengalir diatas

plat tersebut, pola aliran seperti ini untuk memperlambat laju aliran massa fluida

panas (air) sehingga luas kontak permukaan perpindahan panas antara fluida

panas dengan udara dapat diperbesar dan waktu persentuhan fluida panas dengan

udara dapat diperpanjang. Dengan memperbesar permukaan sentuh dan

memperpanjang waktu persentuhan antara fluida panas dengan udara dapat

memperbesar laju perpindahan panas sehingga pembuangan energi panas dari

menara pendingin ke udara dapat ditingkatkan.

Dalam menganalisa sistem ini dilakukan dengan asumsi-asumsi sebagai

berikut :

• Tidak terjadi perubahan fasa pada alirannya.

• Proses perpindahan panas konduksi diabaikan karena

konduktifitas plat aluminium merupakan plat tipis seng yang

konduktivitas thermal mendekati 1.

• Energi potensial dan energi kinetik diabaikan.

Tujuan penulisan ini adalah untuk menganalisa perpindahan panas yang

terjadi pada perencanaan menara pendingin. Analisa dan perhitungan perpindahan

panas dilakukan dalam arah satu dimensi dengan membagi plat menjadi beberapa

2

bagian, masing-masing bagian dianalisa dan dihitung dengan metoda yang sama.

II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Teori Perpindahan Panas

Perpindahan panas dari suatu zat ke zat lain seringkali terjadi dalam

industri proses. Pada kebanyakan pengerjaan, diperlukan pemasukan atau

pengeluaran panas untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang

dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Perpindahan panas dapat didefinisikan

sebagai perpindahan energi akibat adanya perbedaan temperatur pada suatu

permukaan dengan lingkungan sekitarnya. Perpindahan panas dapat terjadi dengan

tiga (3) cara, yaitu:

1. Konduksi

2. Konveksi

3. Radiasi.

2.1.1. Perpindahan panas konduksi

Perpindahan panas konduksi adalah perpindahan panas yang terjadi pada

media padat yang tak tembus cahaya (opaque). Bila terjadi perpedaaan

temperatur pada suatu benda maka panas akan dipindahkan dari daerah temperatur

tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah. Laju aliran panas konduksi

tergantung pada konduktifitas thermal (k) dan sifat-sifat fisik medium. Maka

persamaannya dapat dituliskan sebagai berikut :

dx

dTkAqk −=

………………………………………………………..

(2.1)

dimana :

qk = Laju aliran panas (watt)

k = Konduktifitas thermal (W/m. oK)

A = Luas penampang (m2)

dT = Perbedaan temperatur (oK)

dx = Perbedaan tebal dindinng pelat (m)

3

2.1.2. Perpindahan panas konveksi

Perpindahan panas konveksi ialah perpindahan panas yang terjadi akibat

adanya fluida yang bergerak atau mengalir dan bersentuhan dengan suatu

permukaan yang temperaturnnya berbeda dengan fluida tersebut. Secara umum

perpindahan panas konveksi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan ,

yaitu:

qc = )( .∞− fsc TTAh

……………………………………………………

(2.2)

dimana :

ch = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (W/m2. oK)

A = Luas permukaan kontak dengan fluida (m2)

Ts = Temperatur permukaan (oK)

Tf.∞ = Temperatur fluida (oK)

Perpindahan panas secara konveksi dapat digolongkan berdasarkan

gerakan fluida sebagai media perpindahan panas, yaitu :

1. Konveksi paksa adalah perpindahan panas konveksi yang dilakukan

oleh fluida akibat adannya gaya yang bekerja pada fluida tersebut.

2. Konveksi alamiah adalah perpindahan panas konveksi akibat gaya

apung dimana fluida sebagai media perpindahan panas tidak bergerak

atau tidak ada gaya yang bekerja pada fluida tersebut.

Pada perencanaan menara pendingin sistem plat datar ini perpindahan

panas terjadi secara konveksi paksa melalui permukaan penampang karena

bergerak diatas plat tersebut.

2.1.3. Perpindahan panas radiasi

Yang dimaksud dengan perpindahan panas radiasi ia1ah perpindahan

panas mela1ui gelombang elektromagnetik dari suatu fluida ke fluida yang lain.

Semua benda memancarkan ka1or. Keadaan ini baru terbukti setelah suhu

4

∞

=U

xt

αδ 8

meningkat. Pada hakekatnya proses perpindahan ka1or radiasi terjadi dengan

perantaraan foton dan juga gelombang elektromagnetik. Proses radiasi adalah

fenomena permukaan. Proses radiasi tidak terjadi pada bagian da1am bahan.

Tetapi suatu bahan apabila menerima sinar, maka banyak ha1 yang boleh terjadi.

Apabila sejumlah energi ka1or menimpa suatu permukaan, sebahagian akan

dipantulkan, sebahagian akan diserap ke da1am bahan, dan sebagian akan

menembusi bahan dan terus ke luar. Jadi da1am mempelajari perpindahan ka1or

radiasi akan dilibatkan suatu fisik permukaan. Besarnya energi yang

meninggalkan permukaan sebagai panas radiasi dipengaruhi oleh temperatur

absolute dan keadaan permukaannya. Laju aliran perpindahan panas radiasi dapat

dihitung dengan menggunakan persamaan :

qr = σAT4 …………………………………………………………….

(2.3)

dimana :

qr = Laju perpindahan panas radiasi (watt)

A = Luas penampang (m2)

T = Temperatur permukaan (T)

σ = Konstanta Bolzmant = 5,6 x 10-8 W/m2. K4.

2.2 Koefisien Perpindahan Panas

2.2.1 Aliran Laminar

Secara analisis penentuan harga koefisien perpindahan panas untuk aliran

laminar yaitu dengan menggunakan persamaan energi integral lapisan batas. Dari

penyelesaian integrasi tersebut didapat :

………………………………………………………. (2.4)

Koefesien perpindahan panas dapat dinyatakan dengan

5

xtwx

UK

TT

wyTkh

α∞=

∂=

−∂∂−=∞ 8

23

2

3)/(

……………………………. (2.5)

Hubungan ini dapat dibuat dalam bentuk tidak berdimensi sebagai:

==k

xhNu x

x

.

0,530(Rex.Pr)1/2 = 0,530 . Pe1/2 ............................ (2.6)

Dimana : Pe = Re. Pr, yang disebut sebagai bilangan Peclet.

Untuk menghitung koefisien perpindahan panas dengan menggunakan

persamaan diatas, sifat-sifat fluida dievaluasi pada suhu film, yakni rata-rata

aritmatika antara suhu dinding dengan suhu aliran bebas.

2

)( ∞+=

TTT w

f …………………………………………………….. (2.7)

Dalam praktek biasanya kita menggunakan harga rata-rata koefisien

perpindahan panas sepanjang plat mulai, x = 0 sampai x = L, jadi :

LxxhdxxhL

h ==∫= )(2)(1 1

0 ………………………………………… (2.8)

dengan demikian angka nusselt number rata-rata untuk aliran sepanjang plat rata

adalah :

2

1

3

1

Re.Pr664,0=uN ……………………………………………….. (2.9)

2.2.2 Aliran Turbulen

Korelasi untuk aliran turbulen sepanjang plat rata telah dikembangkan oleh

Whitetaker (24) dengan bentuk sebagai berikut :

Nu = 43,08,0 PrRe029,0 x ……………………………………………. (2.10)

Dalam prakteknya, lebih disukai menggunakan harga koefisien

6

perpindahan panas kalor rata-rata h sepanjang plat mulai 0 ≤ x ≥ L pada aliran

turbulen, selalu dimulai oleh batas laminar. Oleh karena itu perata-rataan harus

digunakan untuk memperoleh harga rata-rata koefisien perpindahan panas.

Misalkan aliran laminar pada jangkauan 0 ≤ x ≥ c dan turbulen pada

daerah c ≤ x ≥ L. koefisien perpindahan panas lokal bagi kedua daerah tersebut

adalah :

3/1

2/1

1 Pr332,0

= ∞

v

xu

x

khx

…………………………………...… (2.11)

pada 0 ≤ x ≥ c (laminar)

43.0

8.0

1 Pr029,0

= ∞

v

xu

x

khx

…………………………………….. (2.12)

pada c ≤ x ≥ L (turbulen)

koefisien perpindahan panas rata-rata h sepanjang daerah 0 ≤ x ≥ L didefinisikan

sebagai :

∫+∫= hdxdx

xh

Lh

Lc

00

11

…………………………………………… (2.13)

Bilangan Nusselt rata-rata ( Nu ) sepanjang daerah laminar turbulen setelah proses

integrasi didapat:

5,03/18,08,043,0 RePr664,0)Re(RePr036,0 ccLNu +−= ……………….. (2.14)

Harga Nusselt pada persamaan diatas tergantung pada harga Reynold kritis

untuk peralihan dari laminar ke turbulen, untuk angka Reynold kritis Rec = 2 x 105

Whitetaker (24) menyarankan persamaan berikut:

7

25,0

8,043,0 )9200(RePr036,0

−= ∞

wL u

uNu

………………………… (2.15)

Persamaan diatas memberikan angka Nusselt rata-rata pada daerah laminar

dan turbulen pada plat rata yang sesuai untuk fluida-fluida seperti udara, air

hingga minyak mesin.

2.2.3 Aliran Menyilang Silinder

Pengetahuan mengenai perpindahan panas untuk aliran menyilang silinder

penting dalam beberapa kasus dalam prakteknya, seperti pada perhitungan

perpindahan panas menara pendingin ini yang bentuk air jatuh hampir sama

dengan bentuk silinder. Tetapi penentuan koefisien perpindahan panas untuk hali

in sangat sulit karena kompleksnya pola-pola aliran disekitar silinder tersebut.

Gambar dibawah ini mengilustrasikan karakterisrtik aliran disekitar sebuah

silinder dalam aliran silang.

Gambar 2.1 Aliran disekitar silinder

Sumber: Bejan, 1993

Whitaker (24) mengkorelasikan koefisien perpindahan panas rata-rata

untuk berbagai fluida baik gas maupun zat cair yang mengalir menyilang silinder

tunggal dengan bentuk persamaaan sebagai berikut:

( )25.0

4,03/25,0 PrRe06,0Re4.0

+= ∞

w

Nuµµ

……………………… (2.16)

Yang berlaku pada jangkauan: 40 < Re < 105 dan 0,67 < Pr < 300

Pada persamaan ( 2.16 ) terdapat ketergantungan bilangan Nusselt pada dua

8

bilangan Reynold berbeda. Untuk harga Re0,5 merupakan kontribusi dari

karakteristik daerah lapisan batas laminar dan untuk Re2/3 merupakan kontribusi

dari daerah aliran balik disekitar silinder.

Suatu korelasi yang lebih umum dan lebih terperinci diberikan oleh

Churchill dan Bernstein (3) untuk koefisien perpindahan panas rata-rata bagi

aliran menyilang silinder dalam bentuk sebagai berikut:

5/48/5

4/13/2

3/12/1

282000

Re1

Pr

4,01

Pr.Re62,03,0

+

+

+=Nu

…………………. (2.17)

Yang berlaku pada rentang 102 < Re < 107

Rumus ini memberikan hasil yang agak lebih rendah sekitar 20% dari data

rentang angka Reynolds antara 20.000 dan 40.000, untuk rentang ini disarankan

menggunakan rumus berikut:

[ ]

+

++=

2/1

4/13/2

9/12/1

282000

Re1

Pr)/4,0(1

Pr.Re62,03,0Nu

………………... (2.18)

Persamaan (2.15) dan (2.16) berlaku untuk fluida udara, air hingga natrium

cair baik kondisi temperature dinding konstan maupun fluks kalor konstan. Semua

sifat dievaluasi pada suhu film.

III. METODELOGI ANALISA

3.1 Prinsip Kerja Menara Pendingin yang Direncanakan

Menara pendingin yang direncanakan terdiri dari bak penampungan atas,

plat datar dan bak penampungan bawah dengan dimensi 295 cm x 100 cm x 50

cm. Dalam bak penampungan atas dipasang dua buah unit pemanas (heater) untuk

memanaskan air yang dipompa dari bak penampungan bawah. Kemudian air

dengan temperatur T2 mengalir melewati plat datar untuk diturunkan

temperaturnya secara konveksi paksa menjadi T1, yang kemudian jatuh kembali ke

9

bak penampungan bawah. Diharapkan dengan sistem perencanaan ini dapat

memberikan efek perpindahan panas yang lebih besar sehingga dapat

meningkatkan efesiensi kerja suatu mesin.

Keterangan:

1. Bak penampung atas

2. Plat datar

3. Bak penampung bawah

10

4. Pompa

Gambar 3.1 Menara Pendingin yang Direncanakan

Satuan : cm

Ket:1. Pintu Air2. Bak Penampung Atas3. Heater4. Plat Datar5. Pipa Saluran Air Dingin

11

6. Bak penampung Bawah7. Pompa8. Roda

Gambar 3.2 Mekanisme Aliran Fluida pada Menara Pendingin

3.2 Bagian-Bagian Menara Pendingin Yang Direncanakan

3.2.1 Bak Penampungan Atas

Bak penampungan atas merupakan tempat penampungan air yang

dipanaskan dengan heater sehingga mencapai temperatur T2 sebelum dialirkan ke

plat datar. Pada bak penampungan atas juga terdapat bagian-bagian yang terdiri

dari saluran pipa air masuk dan pintu air yang merupakan tempat keluarnya air

dari bak yang selanjutnya dialirkan diatas plat. Pintu air ditempatkan pada bagian

bawah bak, hal ini bertujuan untuk mempercepat air mengalir.

3.2.2 Plat Datar

Pada bagian ini air dialirkan diatas plat secara external flow sehingga

terjadi perpindahan panas konveksi akibat kontak langsung dengan aliran udara.

Setiap plat datar memiliki dimensi 80,6 cm x 50 cm. pada perencanaan menara

pendingin ini terdapat 7 plat datar yang tersusun secara horizontal, yang betujuan

untuk memperluas kontak permukaan perpindahan panas antara fluida panas

dengan udara sehingga waktu persentuhan fluida panas dengan udara dapat

diperpanjang. bentuk dan dimensinya dapat dilihat pada gambar

Gambar 3.2 Penampang Plat Datar

3.2.3 Bak Penampungan Bawah

Bak penampungan bagian bawah berfungsi untuk menampung air yang

12

sudah diturunkan temperaturnya dan air tersebut dipompakan kembali ke atas bak

penampungan atas. Pada bak penampungan bawah juga dilengkapi dengan

penyaring (filter) agar menjaga agar air yang dipompakan tetap bersih.

3.3. Metoda Analisa

Metoda analisa yang dilakukan dengan menggunakan literatur yang ada

dan memasukan data-data perencanaan kedalam persamaan-persamaan. Analisa

dan perhitungan perpindahan panas dilakukan dalam arah satu dimensi dengan

membagi plat menjadi beberapa bagian, masing-masing bagian dianalisa dan

dihitung dengan metoda yang sama. Dalam analisa ini bagian perpindahan panas

dibagi dalam bebarapa tahap, yaitu :

a. Analisa perpindahan panas pada saat air jatuh dari bak penampung atas ke

plat datar.

b. Analisa perpindahan panas pada saat air mengalir diatas plat datar.

c. Analisa perpindahan panas pada saat air jatuh dari plat yang satu ke plat

lainnya.

IV. ANALISA DAN PERHITUNGAN

Analisa perpindahan panas pada alat ini dilakukan pada setiap plat dimana

setiap plat panjangnya 80 cm yang mempunyai tujuh (7) tingkatan dan pada setiap

bagian yang terjadi perpindahan panas dianalisa dengan metoda yang sama. Pada

perencanaan ini menara pendingin digunakan dalam ruangan sehingga kecepatan

udaranya diabaikan. Data yang dipakai pada analisa ini berdasarkan menara

pendingin yang direncanakan, yaitu :

Tabel 4.1 Data-data propertis perencanaan

No Data Analisa Perencanaan Besaran1 Temperatur air yang dipanaskan 90o

2 Temperatur udara luar 30o

3 Panjang setiap plat 80 cm4 Lebar plat 50 cm

13

4.1 Kapasitas Menara Pendingin

Kapasitas menara pendingin dapat ditentukan dengan menggunakan

persamaan:

Q = V . A

Dimana:

V = kecepatan air

A = Luas pintu air

= 0,05 m x 0,5 m (direncanakan)

Tinggi antara pintu air dengan plat pertama direncanakan 0,5 m, sehingga

kecepatan air dapat dihitung:

sm

gHV

/13,3

)5,0)(81,9)(2(

2

==

=

Sehingga di dapat:

Q = (3,13) x (0,05 x 0,5)

= 0,078 m3/s

4.2 Daya Pompa

Pompa berfungsi untuk memindahkan air dari tinggi tekan (head) rendah

ke tinggi tekan yang tinggi. Besarnya daya pompa yang dibutuhkan untuk

perencanaan menara pendingin ini dapat dihitung dengan menggunakan

persamaan:

ηρ HQg

P...=

Dimana:

Q = Debit air

14

H = Head pompa

= 2,2 m ( direncanakan)

η = Efisiensi pompa

= 60% (direnncanakan)

ρ = Massa jenis air

= 992 kg/m3 (tabel lampiran)

Sehingga didapat:

6,0

)2,2)(078,0)(81,9)(992(=P

= 2,78 kW

4.3 Analisa Perpindahan Panas

Analisa perpindahan panas pada sistem ini dilakukan pada setiap plat

dimana setiap plat panjangnya 1 m. bagian pertama yang di analisa yaitu pada saat

air jatuh dari bak penampung ke plat pertama (gambar 4.1), dimana terjadi

perpindahan panas konveksi karena air bersentuhan langsung dengan udara.

Kecepatan udara dalam perencanaan ini diabaikan karena menara pendingin ini

15

Gambar 4.1 Mekanisme perpindahan panas konveksi

direncanakan digunakan dalam ruangan. Perpindahan panas dianalisa pada

temperatur film, yaitu:

2

3090 +=fT

= 60 oC

Sifat-sifat fluida dapat dievaluasi pada temperatur flm yaitu: ( tabel lampiran)

ν = 0,478 x 10-6 m2/s

K = 0, 658 W/m.K

Pr = 3

Cp = 4181 J/kg. K

Reynolds number:

5

6

10 6,55

10478,0

)15,0)(1,3(

.Re

×=×

=

=

−

νlV

16

Untuk bilangan Reynold berada diatas 5 x 105 maka aliran tersebut adalah

turbulen sehingga didapat bilangan Nusselt:

Nu = 0,029 Pr0,43 . Re0,8

= 0,664 (3)0,43 . (510 6,55× )0,8

= 2,09 x 103

Maka koefisien perpindahan panas konveksi adalah:

KmW

l

kNuh

24

3

/101,38

1,0

)658.,0).(1009,2(

.

×=

×=

=

Sehingga perpindahan panas konveksi didapat:

q = h . A (∆T)

= (1,38 x 104).(0,1 x 0,5).(90 – 30)

= 4,13 x 104 W

Analisa diatas merupakan analisa perpindahan panas untuk bagian pertama

yakni pada saat air mengalir jatuh dari bak penampungan air panas ke plat

pertama, dimana pada daerah ini penurunan temperatur dapat ditentukan dengan

persamaan:

Q = m Cp ∆T

4,98 x 105 = (100) (4181) ∆T

C

T

0

4

098,0

4181100

1013,4

=××=∆

4.3.1 Perpindahan Panas Akibat Terjadi Perpindahan Massa

Kontak langsung air dengan udara mengakibatkan terjadinya perpindahan

17

massa yang disertai perpindahan panas konveksi, peristiwa ini disebut juga

evaporative cooling dimana terjadi perpindaha energi panas sebagai akibat

perpindahan massa air ke udara.

Dari data diatas dapat diperoleh temperature film antara air dengan udara

lingkungan, yaitu:

CT f09,59

2

309,89 =+=

Sifat-sifat fluida air pada Tf = 59,9 oC adalah:

ν = 0,78 x 10-6 m2/s

K = 0,658 w/m. K

Pr = 3

Cp = 4181 J/kg. K

Sifat fisik udara dievaluasi pada temperatur 30oC dan tekanan 1 atm, dengan

menggunakan table maka sifat termodhinamika dapat diketahui ρ = 1,175

kg/m3.

Gambar 4.2 Mekanisme perpindahan massa

18

sifat fisik uap air dalam udara yaitu:

D = 3,5 x 10-5 m/s

Sc= 0,53

ρv = 0,59

Reynold number sepanjang 1 m yaitu:

6

6

102,5

)10478,0(

)1).(14,3(

.Re

×=×

=

=

−

νlV

Untuk bilangan Reynold number 5 x 105 maka aliran tersebut adalah turbulen,

sehingga Sherwood number rata-rata dapat ditentukan dengan persamaan berikut:

Sh = 0,023 . Sc1/3 . Re0,8

= (0,023).(0,53)1/3.(5,2 x 106)0,8

= 7045,6

Maka koefisien perpindahan massa adalah:

sm

shL

Dhm

/308,0

)6,7045(1

)105,3( 5

=

××=

=

−

Sehingga banyaknya massa air yang pindah ke udara dapat ditentukan dengan

menggunakan persamaan berikut:

M = hm . A. (ρudara – ρv )

19

= (0,308). (0,5 x 0,8). (1,175 – 0,59)

= 0,072 kg/s

Maka banyaknya energi panas yang pindah ke udara dapat ditentukan yaitu

dengan menggunakan persamaan berikut:

q = M. (hfg)

= (0,072). (2,35 x 106)

= 170082 j/s

Jadi:

Q = m. Cp. ∆T

170082 = (100). (4181). ∆T

∆T = 0,4 oC

4.3.2 Perpindahan Panas Akibat Jatuhnya Air Antara Satu Plat Ke Plat

Yang Lain

Pada system ini plat tersusun secara zig-zag, air mengalir dari satu plat ke

plat lain dimana masing-masing plat terdapat jarak (antara 0,1 m sampai dengan

0,2 m). Pada bagian ini perpindahan panas dianalisa pada ketinggian rata-rata

yaitu:

20

Gambar 4.3 Mekanisme perpindahan panas konveksi

m

mm

HHH

15,02

05,025,02

21

=

+=

+=

Kecepatan air dapat dihitung dengan persamaan:

sm

gHV

/7,1

)15,0).(81,9).(2(

2

==

=

Perpindahan panas ke udara terjadi secara konveksi dimana sifat-sifat fluida

dievaluasi pada temperatur film yaitu:

C

T f

07,59

2

304,89

=

+=

Sifat-sifat fluida pada T = 59,7 oC adalah:

21

ν = 0,489 x 10-6 m2/s

K = 0,658 w/m. K

Pr = 3

Cp = 4181 J/kg. K

Reynolds number didapat:

5

6

1038,5

)10489,0(

)15,0).(7,1(

.Re

×=×

=

=

−

νlV

Untuk Re = 5,26 x 105, bilangan Nusselt dapat dihitung dengan menggunakan

persamaan:

5/48/5

4/13/2

3/12/1

282000

Re1

Pr

4,01

Pr.Re62,03,0

+

+

+=Nu

=

5/48/55

4/13/2

3/12/15

282000

1038,5(1

3

4,01

)3.()1038,5(62,03,0

×+

+

×+

= 893,22

Maka koefisien perpindahan panas adalah:

D

kNuh

.=

025,0

)658,0).(22,893(=

= 33295,7 W/m2. K

22

Perpindahan kalor konveksi adalah:

q = h (πDL)(∆T)

= (33295,7).(3,14 x 0,025 x 0,15).(88,81 - 30)

= 23509,63 W

Jumlah lubang sudah direncanakan sebanyak 18 lubang, dimana lubang

tersebut dilalui oleh air dengan kapasitas 100 kg/s sehingga jumlah perpindahan

panas keseluruhan pada bagian ini adalah:

q2 = 23509,63 x 18

= 296452,6 W

Sehingga penurunan temperature pada bagian ini dapat ditentukan yaitu:

Q = m. Cp. ∆T

= 100 x 4181 x ∆T

∆T = 418100

6,296452

= 0,7 oC

Analisa perpindahan panas pada plat selanjutnya dihitung dengan

menggunakan metoda yang sama sehingga bamyaknya energi panas yang hilang

pada sistem perencanaan menara pendingin ini dapat dilihat pada table 4.2.

Table 4.2 Perpindahan panas yang terjadi pada menara pendingin

23

Media

perpindahan panas

Temperatur air

masuk,

Tin

( 0C)

Laju perpindahan

panas,

Q

(w)

Temperatur air

keluar,

Tout

( 0C)

24

R 1 90 41307,85 89,9

Plat 1 89,9 204688,8 89,41

R 2 89,41 296040,2 88,70

Plat 2 88,70 123393,2 88,40

R 3 88,40 290629,6 87,71

Plat 3 87,71 122995 87,42

R 4 87,42 285778 86,91

Plat 4 86,91 122387,2 86,44

R 5 86,44 280987,5 85,77

Plat 5 85,77 121174,9 85,48

R 6 85,48 276264,5 84,82

Plat 6 84,82 118913,6 84,53

R 7 84,53 271205 83,89

Plat 7 83,89 116707,7 83,61

R 8 83,61 266650,7 82,97

(Ket : R = Perpindahan panas pada saat air jatuh dari satu plat ke plat yang lain)

5. KESIMPULAN

Dari hasil analisa dan perhitungan terhadap perencanaan menara

pendingin, maka dapat disimpulkan bahwa:

a. Menara pendingin yang direncanakan adalah tipe plat datar dengan sistem

aliran terbuka yang bertujuan untuk terjadinya perpindahan panas secara

konveksi dengan udara.

b. Energi panas total yang dibuang sebesar 3038,79 kW.

c. Temperatur air dapat diturunkan dari 90 0C menjadi 82,97 0C.

d. Laju perpindahan panas masih dapat diperbesar dengan memperluas

dimensi pemukaan plat dan menggunakan blower untuk meningkatkan laju

aliran udara sehingga temperatur air yang keluar semakin rendah.

25

e. Kontruksi dari menara pendingin ini lebih sederhana dan jika terjadi

pengotoran lebih mudah dibersihkan.

f. Bahan plat yang direncanakan terbuat dari aluminium karena

konduktivitas thermal yang tinggi dan harganya lebih murah disbanding

tembaga.

DAFTAR PERPUSTAKAAN

Bejan, A, (1993), Heat Transfer, Jhon Wiley dan sons, Inc, Kanada.

Holman, J,P, (1998), Perpindahan Kalor Konveksi, Penerbit Erlangga, Jakarta.

Koetoer, Raldi ; Zulkifli, (1998), Perpindahan Kalor Konveksi, Laboratorium

Perpindahan Kalor, Jurusan Mesin Fakultas Teknik, Universitas

Indonesia, Jakarta.

Kreith, F, (1996), Prisip-prinsip Perpindahan Panas, edisi Ketiga, Terjemahan

26

Prijono, A, Penerbit Erlangga, Jakarta.

27