8 penukar kalor handout

17

Click here to load reader

Upload: mocoz

Post on 03-Jul-2015

408 views

Category:

Documents


13 download

TRANSCRIPT

Page 1: 8 Penukar Kalor Handout

63

MATERI/BAHAN MATA KULIAH

Fakultas : Teknologi Industri Pertemuan ke : 13,14 Jurusan/Program Studi : Teknik Mesin Modul ke : VIII Kode Mata Kuliah : Jumlah Halaman : Nama Mata Kuliah : Perpindahan Panas Dasar Semester : I Dosen : Agung Nugroho Adi, ST, MT Thn Akademik : 2009/2010 Judul Modul Penukar Kalor Kompetensi Dasar Mahasiswa mempunyai tentang dasar-dasar pengetahuan tentang penukar kalor

Materi • Jenis-jenis penukar kalor • Koefisien perpindahan kalor keseluruhan • Metode LMTD • Metode Effectiveness-NTU Standar Kompetensi Setelah mempelajari modul ini mahasiswa diharapkan dapat :

• Menjelaskan pengertian penukar kalor beserta jenis-jenisnya. • Melakukan analisis penukar kalor menggunakan metode LMTD dan metode effectiveness-NTU. Referensi • Cengel (1998), Incropera & DeWitt (1981), Holman (1976)

Page 2: 8 Penukar Kalor Handout

64

8 Penukar Kalor Penukar kalor adalah perangkat yang menjadi tempat terjadinya pertukaran kalor antara dua fluida yang mempunyai temperatur berbeda. Pada penukar kalor fluida panas melepaskan kalor dan diterima oleh fluida dingin. Fungsi dari suatu penukar kalor hampir sama dengan mixing chamber, namun bedanya adalah pada penukar kalor kedua fluida tidak bercampur, sedangkan pada mixing chamber kedua fluida bercampur. Penukar kalor mempunyai banyak aplikasi. Beberapa contoh perangkat penukar kalor antara lain kondenser dan evaporator pada sistem pengkondisi udara, radiator pada kendaraan, serta penukar kalor pada industri proses dan pembangkitan tenaga.

8.1 Koefisien Perpindahan Kalor Keseluruhan Pada suatu penukar kalor umumnya terdapat dua aliran fluida yang dipisahkan oleh suatu dinding. Kalor berpindah dari fluida panas ke dinding melalui konveksi, melintasi dinding dengan cara konduksi dan dari dinding ke fluida dingin kembali melalui konveksi. Efek radiasi biasanya sudah tercakup pada koefisien perpindahan kalor konveksi.

Gambar 8-1 Jaringan resistansi termal pada dinding pipa

Jika kedua fluida dipisahkan oleh dinding berbentuk pipa/tube (Gambar 8-1) maka resistansi termal dinding pipa adalah

( )0 i

wall

ln D / DR

k2 L=

π (8.1)

Sehingga resistansi termal total adalah

( )o i

total i wall oo oi i

ln D / D1 1R R R R R

h kLA 2 h A+ ++ =

π= = + (8.2)

Dengan i iA LD= π adalah luas permukaan dalam pipa dan o oA LD= π adalah luas permukaan luar

pipa.

Dalam pembahasan penukar kalor persamaan laju aliran kalor lebih sering dituliskan sebagai

Q UA T= ∆ɺ (8.3) Dengan U adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan dengan satuan W/m2.°C. Hubungan antara U dengan R adalah

( )o i

i i o o i i o o

ln D / D1 1 1 1 1

UA U A U A h A 2R

kL h A= = = = + +

π (8.4)

Page 3: 8 Penukar Kalor Handout

Penukar Kalor

Universitas Islam Indonesia Yogyakarta 65

Dengan Ui dan Uo masing-masing adalah koefisien perpindahan kalor pada sisi permukaan dalam dan luar.

Jika dinding pipa cukup tipis dan nilai konduktivitas termal material pipa tinggi, maka resistansi termal pipa menjadi sangat kecil (wallR 0≈ ) dan serta luas permukaan dalam dan luar pipa hampir sama

( i oA A A≈ ≈ ) maka persamaan (8.4) dapat disederhanakan menjadi

i o i o

1 1 1 1 1

U U U h h= = = + (8.5)

Unjuk kerja suatu penukar kalor lama kelamaan akan menurun seiring dengan terjadinya lapisan kerak (fouling) pada permukaan dalam dan luar pipa. Lapisan kerak ini menambah resistansi termal pada perpindahan kalor. Kerak dapat disebabkan antara lain oleh pengendapan zat padat yang terdapat pada fluida, karat, dan lumut. Parameter yang digunakan untuk menyatakan pengaruh kerak pada perpindahan kalor di suatu penukar kalor disebut faktor kerak (fouling factor). Faktor kerak tergantung pada banyak hal, di antaranya temperatur operasi dan kecepatan aliran fluida. Semakin tinggi temperatur operasi dan semakin rendah kecepatan aliran fluida, maka semakin besar nilai faktor kerak. Dengan memasukkan faktor kerak maka persamaan koefisien perpindahan kalor keseluruhan menjadi

( )f ,i f ,oo i

i i o o i i i o o o

R Rln D / D1 1 1 1 1

UA U A U A h A A 2 A hR

kL A= = = = + + + +

π (8.6)

Dengan Rf,i dan Rf,o adalah faktor kerak pada permukaan dalam dan luar pipa.

8.2 Metode LMTD (Log Mean Temperatur Difference) Perbedaan temperatur antara fluida panas dan dingin bervariasi sepanjang penukar kalor.Untuk itu digunakan perbedaan temperatur rata-rata untuk menghitung laju aliran kalor sesuai persamaan

lmQ UA T= ∆ɺ (8.7)

Error! Objects cannot be created from editing field codes. adalah perbedaan temperatur rata-rata logaritmik (log mean temperature difference = LMTD) yang merupakan bentuk perbedaan temperatur rata-rata yang digunakan dalam perhitungan laju aliran kalor pada penukar kalor dan dinyatakan sebagai

( )1 2

lm1 2

T T

lT

T Tn /

∆ ∆∆∆ ∆

−= (8.8)

dengan Error! Objects cannot be created from editing field codes. dan Error! Objects cannot be created from editing field codes. adalah perbedaan temperatur antara kedua fluida pada kedua ujung (inlet dan outlet) dari suatu penukar kalor. Gambar 8-2 menunjukkan Error! Objects cannot be created from editing field codes. dan Error! Objects cannot be created from editing field codes. masing-masing untuk penukar kalor aliran paralel dan aliran berlawanan.

Page 4: 8 Penukar Kalor Handout

Materi Kuliah Perpindahan Panas Dasar

Jurusan Teknik Mesin 66

Gambar 8-2 Penukar kalor pipa ganda

Untuk temperatur inlet dan outlet tertentu LMTD untuk penukar kalor aliran berlawanan selalu lebih besar dibandingkan dengan LMTD penukar kalor aliran paralel, sehingga luas permukaan perpindahan kalor pada penukar kalor aliran berlawanan selalu lebih kecil dibanding penukar aliran kalor paralel untuk laju aliran kalor tertentu. Hal inilah yang menyebabkan penukar kalor aliran berlawanan lebih sering digunakan. Suatu kondenser atau boiler dapat menerapkan penukar kalor aliran berlawanan maupun paralel, karena keduanya memberikan hasil yang sama.

LMTD yang telah dipelajari sebelumnya hanya dapat diterapkan pada penukar kalor jenis pipa ganda. Untuk penukar kalor aliran silang dan jenis shell and tube digunakan persamaan

lm lm,CFFT T∆ ∆= (8.9)

Dengan F adalah faktor koreksi yang tergantung pada geometri penukar kalor serta temperatur inlet dan outlet fluida. lm,CFT∆ adalah LMTD untuk penukar kalor aliran berlawanan sehingga

( )1 2

lm,CF1 2

T

T T/

TT

ln

∆ ∆∆∆ ∆

−=

Dengan

1 h,in c,out

1 h,out c,in

T

T

T T

T T

∆∆

= −= −

Nilai faktor koreksi dapat dicari menggunakan Gambar 8-5 hingga Gambar 8-6. Pada gambar-gambar tersebut tertera nilai F adalah fungsi dari P dan R yaitu

2 1

1 1

t tP

T t

−=−

(8.10)

Dan

( )( )

P tubeside1 2

2 1 P shellside

T TR

t mCt

mC=−=

−ɺ

ɺ (8.11)

Subskrip 1 dan 2 masing-masing menunjukkan kondisi inlet dan outlet. Pada jenis shell and tube, T dan t masing-masing menunjukkan temperatur pada sisi shell dan tube. Nilai P mempunyai rentang antara 0 dan 1, sedangkan nilai R bervariasi antara 0 dan tak-hingga. R = 0 menunjukkan perubahan fase

Page 5: 8 Penukar Kalor Handout

Penukar Kalor

Universitas Islam Indonesia Yogyakarta 67

(kondensasi atau pendidihan) pada sisi shell dan R bernilai tak-hingga menunjukkan perubahan fase pada sisi tube. Faktor koreksi F pada kondenser dan boiler adalah selalu bernilai 1.

Gambar 8-3 Faktor koreksi untuk 1 laluan shell dan kelipatan 2 laluan tube

Gambar 8-4 Faktor koreksi untuk 2 laluan shell dan kelipatan 4 laluan tube

Gambar 8-5 Faktor koreksi untuk penukar kalor aliran silang, kedua fluida tak bercampur

Gambar 8-6 Faktor koreksi untuk penukar kalor aliran silang, salah satu fluida bercampur, lainnya tak bercampur.

Page 6: 8 Penukar Kalor Handout

Materi Kuliah Perpindahan Panas Dasar

Jurusan Teknik Mesin 68

Contoh 8-1 Kondensasi uap dalam kondenser

Uap air dalam suatu kondenser dikondensasikan pada temperatur 30°C menggunakan air pendingin yang masuk pipa kondenser pada 14°C dan keluar pada 22°C. Luas permukaan pipa dalah 45m2 dan koefisien perpindahan kalor keseluruhan adalah 2100 W/m2. Hitung (a) laju aliran massa air pendingin yang diperlukan (b) laju kondensasi uap pada kondenser

Gambar 8-7 Skema untuk Contoh 8-1

Penyelesaian Kalor penguapan air pada 30°C

fgh 2431kJ / kg=

Kalor spesifik air pada temperatur 18°C adalah

0PC 4184J / kg. C=

Selisih temperatur uap dengan air pendingin

( )( )

1 h,in c,out

h,out c,in2

T T 30 22 C 8 C

T T 30 14 C 1T 6

T

C

= − = − ° = °

= − = − ° = °

LMTD

( ) ( )1 2

lm1 2

T TT 11.5 C

T T

8 16

ln / ln 8 /16

∆ ∆∆ = = °∆ ∆

− −=

Laju perpindahan kalor pada kondenser

( )( )( )2 2lmQ UA T . C2100W / m 45m 11.5 C 1086750W= ∆ = =° °ɺ

Pada sisi air pendingin

( )out inQ mC T T= −ɺ ɺ

Sehingga laju aliran air pendingin adalah

Page 7: 8 Penukar Kalor Handout

Penukar Kalor

Universitas Islam Indonesia Yogyakarta 69

( ) ( )( )cooling waterP out in

1086.75Qm 32.5kg / s

C T 4.184kJ /

kJ / s

T 22 14kg. C C= =

°=

− − °

ɺ

ɺ

Pada sisi uap air

fgQ mh=ɺ ɺ

Sehingga laju kondensasi uap adalah

steamfg

1086.75kJ / s

h 2431kJ / kg

Qm 0.45kg / s== =

ɺ

ɺ

Contoh 8-2 Penukar kalor pipa ganda

Suatu pipa ganda aliran berlawanan digunakan untuk memanaskan air dari 20°C menjadi 80°C dengan laju aliran 1.2kg/s. Pemanasan dilakukan menggunakan air geotermal yang bertemperatur 160°C dengan laju aliran massa 2 kg/s. Pipa bagian dalam berdinding tipis dan berdiameter 1.5 cm. Jika koefisien perpindahan kalor keseluruhan dari penukar kalor adalah 640 W/m2.°C, hitung (a) temperatur air geotermal keluar penukar kalor (b) panjang penukar kalor yang diperlukan.

Gambar 8-8 Skema untuk Contoh 8-2

Penyelesaian Kalor spesifik air dan air geotermal masing-masing 4.18 dan 4.31 kJ/kg.°C

Laju perpindahan kalor yang terjadi pada penukar kalor

( ) ( ) ( )( )P out in waterT T 1.2kg / s 4.18kJ / kg. C 80Q 20 C 301.0 WC km − = ° − == °

ɺ ɺ

Pada sisi air geotermal

( )P out in geothermalT TQ mC= −ɺ ɺ

sehingga temperatur air geotermal keluar penukar kalor adalah

( )( )out inP

301.0kWT

2kg / s 4.31kJ

QT 160 C 125.1 C

CmC / kg.= − =

°= ° − °

ɺ

ɺ

Selisih temperatur uap dengan air pendingin

( )( )2

1 h,in c,out

h,out c,in

T T 160 80 C 80 C

T T 125.1 20 C 105.1T C

T = − = − ° = °

= − = − ° =

°∆

LMTD

Page 8: 8 Penukar Kalor Handout

Materi Kuliah Perpindahan Panas Dasar

Jurusan Teknik Mesin 70

( ) ( )1 2

lm1 2

80 105.1

ln / ln 80

T TT 92.0 C

T T /105.1

−∆ ∆ =∆

=∆

−∆ = °

Luas permukaan perpindahan kalor pada kondenser

( )( )

lm

2

2lm

301000WA

640W /

Q UA T

Q5.11m

U m . CT 92.0 C=

° °

= ∆

= =∆

ɺ

ɺ

Sehingga panjang pipa adalah

( )2

A

5.11m

DL

AL 108.4m

D 0.015m

π

= = =π π

=

Contoh 8-3 Penukar kalor 2-4

Suatu penukar kalor jenis 2 shell pass and 4 tube pass digunakan untuk memanaskan gliserin dari 20°C menjadi 50°C menggunakan air panas yang masuk pada 80°C dan keluar pada 40°C dalam pipa berdiameter 2 cm. Panjang total pipa adlaah 60 m.Koefisien konveksi pada sisi gliserin dan air panas masing-masing adalah 25 W/m2.°C dan 160W/m2.°C. Hitung laju perpindahan kalor pada penukar kalor tersebut (a) sebelum ada kerak yang terjadi (b) setelah terdapat kerak dengan faktor kerak 0.0006m2.°C/W pada luar permukaan pipa.

Gambar 8-9 Skema untuk Contoh 8-3

Penyelesaian Luas permukaan perpindahan kalor pada kondenser

( )( ) 2DL 0.02m 60m .77mA 3π = π ==

Laju perpindahan kalorpada penukar kalor dihitung menggunakan persamaan

lm,CFQ UAF T= ∆ɺ

Selisih temperatur gliserin dengan air pemanas

( )( )

1 h,in c,out

h,out c,in2

T T 80 50 C 30 C

T T 40 2T 0 C 20

T

C

= − = − ° = °

= − = − ° = °

Page 9: 8 Penukar Kalor Handout

Penukar Kalor

Universitas Islam Indonesia Yogyakarta 71

LMTD

( ) ( )1 2

lm,CF1 2

T TT 24.7 C

T T

30 20

ln / ln 30 / 20

∆ ∆∆ = = °∆ ∆

− −=

Untuk menentukan F maka dihitung terlebih dahulu P dan R sesuai gambar

2 1

1 1

1 2

2 1

t t 40 80P

T t 20 80

T 20 50R

t t

0.67

F 0.87T

0.7540 80

− −=− −

−=−

= = =− = =−

Koefisien perpindahan kalor tanpa adanya kerak

2

2 2i 0

21.6W / m

.

1 1U . C

1 1 1 1h h 160W / m C 25W / m C.

= =+ +

= °

° °

Sehingga laju perpindahan kalor tanpa ada kerak adalah

( ) ( )( )( )2 2lm,CF 21.6W / m C 3.77mQ 0.87 24.6 C 1743WUAF T .= ° ° == ∆ɺ

Koefisien perpindahan kalor setelah terdapat kerak adalah

2

2f 2 2

i 0

1 1U . C

1 1 1 1. C / W

h h 160W / m C 25W /

21.3W / mR 0.0006m

. m C.

= °°

° °

= =+ + + +

Sehingga laju perpindahan kalor setelah terdapat kerak adalah

( )( )( )( )2 2lm,CF 21.3W / m C 3.77mQ 0.87 24.6 C 1719WUAF T .= ° ° == ∆ɺ

Contoh 8-4 Penukar kalor aliran silang, fluida tak bercampur

Pada suatu radiator mobil terdapat 40 tube yang berdiameter 0.5cm dan panjang 65 cm. Air masuk pada 90°C dengan laju 0.6 kg/s serta keluar pada 65°C. Udara melintasi tube dan dipanaskan dari 20°C menjadi 40°C. Keduanya, air dan udara, tidak bercampur. Hitung laju perpindahan kalor keseluruhan berdasarkan luas permukaan dalam tube.

Page 10: 8 Penukar Kalor Handout

Materi Kuliah Perpindahan Panas Dasar

Jurusan Teknik Mesin 72

Gambar 8-10 Skema untuk Contoh 8-4

Penyelesaian Kalor spesifik air pada temperatur rata-rata (90+65)/2=77.5°C adalah 4.195°C

Laju perpindahan kalor dari air ke udara adalah

( ) ( ) ( ) ( )P out in waterT T 0.6kg / s 4.195kJ / kg. C 90Q 65 C 62.93kWmC − = ° − == °

ɺ ɺ

Luas permukaan perpindahan kalor

( ) ( ) 2iD L 40 0.005m 0.65m 0.4 mn 8A 0π = π ==

Koefisien perpindahan kalor keseluruhan dihitung melalui persamaan berikut

i lm,CF

i lm,CF

U

Q UA F T

Q

A F T

= ∆

∆=

ɺ

ɺ

Selisih temperatur air panas dengan udara

( )( )

1 h,in c,out

h,out c,in2

T T 90 40 C 50 C

T T 65 2T 0 C 45

T

C

= − = − ° = °

= − = − ° = °

LMTD

( ) ( )1 2

lm,CF1 2

T TT 24.7 C

T T

50 45

ln / ln 50 / 45

∆ ∆∆ = = °∆ ∆

− −=

Untuk menentukan F maka dihitung terlebih dahulu P dan R sesuai gambar

2 1

1 1

1 2

2 1

t t 65 90P

T t 20 90

T 20 40R

t t

0.36

F 0.97T

0.8065 90

− −=− −

−=−

= = =− = =−

Koefisien perpindahan kalor keseluruhan dihitung melalui persamaan berikut

Page 11: 8 Penukar Kalor Handout

Penukar Kalor

Universitas Islam Indonesia Yogyakarta 73

( )( )( )2

2i lm,CF

62930WU . C

0.408m 0.97 47.6 C

Q3341W / m

A F T= °

°= =

ɺ

Metode LMTD ini mudah digunakan dalam analisis penukar kalor jika temperatur inlet dan outlet fluida panas dan dingin pada suatu penukar kalor telah diketahui. Sehingga metode ini cocok untuk digunakan menentukan ukuran penukar kalor atau laju aliran kalor jika laju aliran massa dan temperatur pada semua kondisi telah diketahui.

8.3 Metode Effectiveness-NTU Pada analisis penukar kalor sering dijumpai problem penentuan laju aliran kalor atau temperatur outlet fluida panas dan dingin jika laju aliran massa, temperatur inlet, serta ukuran penukar kalor telah diketahui. Dalam penyelesaian problem ini metode LMTD dapat digunakan, namun memerlukan proses iterasi. Metode yang lebih praktis untuk penyelesaian problem ini adalah menggunakan metode effectiveness-NTU seperti yang diusulkan oleh Kayes dan London pada tahun 1955.

Pada metode ini digunakan parameter tak-berdimensi, yaitu effectiveness

max

Laju aliran kalor aktual

Laju aliran kalor maksimum yang mungkin t

Q

eQ rjadiε = =

ɺ

ɺ (8.12)

Untuk menghitung laju aliran aktual digunakan persamaan

( ) ( )c c,out c,in h,in h,outhT T T TQ C C− = −=ɺ (8.13)

Dengan c c pcmC C= ɺ dan h h hcmC C= ɺ adalah laju kapasitas kalor dari fluida panas dan dingin.

Untuk menghitung laju aliran kalor maksimum yang mungkin terjadi digunakan persamaan

( )max min h,in c,inC T TQ = −ɺ (8.14)

Dengan Cmin adalah nilai terkecil dari c c pcmC C= ɺ atau h h hcmC C= ɺ .

Untuk menghitung nilai maxQɺ perlu diketahui terlebih dahulu temperatur inlet fluida panas dan dingin

serta laju aliran massanya. Jika effectiveness telah dapat diketahui maka laju aliran kalor aktual dapat diperoleh menggunakan

( )max min h,in c,inTQ TQ C= −= ε εɺ ɺ (8.15)

Sehingga laju perpindahan kalor dapat diperoleh tanpa perlu mengetahui temperatur outlet fluida.

Nilai effectiveness dapat dicari dengan dua cara, yaitu mengunakan persamaan pada tabel ataupun melihat pada gambar. Untuk menentukan nilai effectiveness perlu dihitung terlebih dahulu NTU dan rasio kapasitas. NTU (Number of Transfer Unit) dihitung menggunakan persamaan

( )min p min

UA UANTU

mCC==ɺ

(8.16)

Dengan U adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan dan A adalah luas permukaan penukar kalor. Nilai NTU menentukan ukuran penukar kalor, semakin besar nilai NTU maka semakin besar pula ukuran penukar kalor.

Rasio kapasitas adalah

Page 12: 8 Penukar Kalor Handout

Materi Kuliah Perpindahan Panas Dasar

Jurusan Teknik Mesin 74

min

max

CC

C= (8.17)

Khusus untuk penukar kalor yang melibatkan perubahan fase (kondenser dan boiler) maka nilai effectiveness adalah

NTUmax 1 e−ε = ε = − (8.18)

Tabel 8-1 Persamaan untuk menentukan nilai effectiveness

Page 13: 8 Penukar Kalor Handout

Penukar Kalor

Universitas Islam Indonesia Yogyakarta 75

Tabel 8-2 Persamaan untuk menentukan nilai NTU

Gambar 8-11 Effectiveness untuk penukar kalor jenis pipa ganda

Page 14: 8 Penukar Kalor Handout

Materi Kuliah Perpindahan Panas Dasar

Jurusan Teknik Mesin 76

Gambar 8-12 Effectiveness untuk penukar kalor jenis shell and tube

Gambar 8-13 Effectiveness untuk penukar kalor jenis aliran silang

Contoh 8-5 Metode NTU untuk penukar kalor pipa ganda

Suatu pipa ganda aliran berlawanan digunakan untuk memanaskan air dari 20°C menjadi 80°C dengan laju aliran 1.2kg/s. Pemanasan dilakukan menggunakan air geotermal yang bertemperatur 160°C dengan laju aliran massa 2 kg/s. Pipa bagian dalam berdinding tipis dan berdiameter 1.5 cm. Jika koefisien perpindahan kalor keseluruhan dari penukar kalor adalah 640 W/m2.°C, hitung (a) temperatur air geotermal keluar penukar kalor (b) panjang penukar kalor yang diperlukan.

Page 15: 8 Penukar Kalor Handout

Penukar Kalor

Universitas Islam Indonesia Yogyakarta 77

Gambar 8-14 Skema untuk Contoh 8-5

Penyelesaian Laju kapasitas kalor

( ) ( )( )( )c

h

c c

h hC m

m

C 2kg / s 4.31kJ / kg. C 8.62kW / C

C C 1.2kg / s 4.18kJ / kg. C 5.02kW / C

= = ° = °

= = ° = °

ɺ

ɺ

Diambil nilai yang lebih rendah

min CC C 5.02kW / C= = °

Perbandingan laju kapasitas kalor

min

max

C 5.02C

C 8.60 5

2. 83= ==

Laju perpindahan kalor maksimum adalah

( ) ( ) ( )max min h,in c,inC T T 5.02kW / C 160 20 C 702.8kWQ = − = ° − ° =ɺ

Laju perpindahan kalor aktual

( ) ( ) ( )( )P out in waterT T 1.2kg / s 4.18kJ / kg. C 80Q 20 C 301.0 WC km − = ° − == °

ɺ ɺ

Effectiveness penukar kalor

max

301.0kW

702.8kW

Q0.428

Q= =ε =

ɺ

ɺ

Nilai NTU

ln ln1 1 1 0.428 1

NTUC 1 C 1 0.583 1 0.428 0

0.65.583

11

ε − − = =

=− ε − − × −

Luas permukaan perpindahan kalor

( ) ( )

min

2min2

UANTU

C

0.651 5020W / CNTU C

U 64A 5.1

0W / m .m

C1

=

°°

= = =

Sehingga panjang pipa adalah

( )2

A

5.11m

DL

AL 108.4m

D 0.015m

π

= = =π π

=

Page 16: 8 Penukar Kalor Handout

Materi Kuliah Perpindahan Panas Dasar

Jurusan Teknik Mesin 78

Contoh 8-6 Metode NTU untuk penukar kalor 1-8

Oli panas didinginkan dengan air pada suatu penukar kalor berjenis 1 shell pass and 8 tube pass. Tube terbuat dari tembaga dengan diameter internal 1.4 cm. Panjang 1 laluan tube adalah 5 m serta koefisien perpindahan kalor keseluruhan adalah 310 W/m2. Air mengalir pada tube dengan laju aliran 0.2 kg/s sedangkan oli pada shell dengan laju aliran 0.3 kg/s. Air dan oli masuk masing-masing pada temperatur 20°C dan 150°C. Hitung (a) laju aliran kalor pada penukar kalor (b) temperatur air dan oli keluar penukar kalor.

Gambar 8-15 Skema untuk Contoh 8-6

Penyelesaian Laju kapasitas kalor

( )( )( )( )

h h

c c c

hC C 0.3kg / s 2.13kJ / kg. C 0.639kW / C

C C 0.2kg / s 4.18kJ / kg. C 0.836kW /m C

m= = ° = °

= = ° = °

ɺ

ɺ

Diambil nilai yang lebih rendah

hminC C 0.639kW / C= = °

Perbandingan laju kapasitas kalor

min

max

C 0.639C

C 0.80 7

36. 64= = =

Laju perpindahan kalor maksimum adalah

( ) ( ) ( )max min h,in c,inC T T 0.639kW / C 150 20 CQ 83.1kW= − = ° − ° =ɺ

Luas permukaan perpindahan kalor

( ) ( ) 2iD L 8 0.014m 5mA n 1.76mπ = π ==

Nilai NTU

( )( )2 2

min

310W / m C 1.76mUANTU

C 639W / C

.0.853= =

°=

°

Maka dari diperoleh nilai effectiveness

Page 17: 8 Penukar Kalor Handout

Penukar Kalor

Universitas Islam Indonesia Yogyakarta 79

0.59ε = Laju perpindahan kalor aktual

( )( )max 0.59 83.1kWQ Q 49.0kW= == εɺ ɺ

Temperatur air keluar

( )c,out c,in

c,out c,in

c

c

Q C

Q

T T

49.0kWT T

C 0.836k20 C 78.

/ C6 C

W

=

= ° +°

=

= + °

ɺ

ɺ

Temperatur oli keluar

( )h,in h,out

h,ou ,ih

t n

h

h

T T

49.0kWT T

C 0.

Q C

Q

615

390 C 73.3 C

kW / C

=

= ° +°

=− °

=

ɺ

ɺ