bab i pendahuluan 1 -...
TRANSCRIPT
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Tujuan Pengujian
a) Mempelajari formulasi dasar dari heat exchanger sederhana.
b) Perhitungan keseimbangan panas pada heat exchanger.
c) Pengukuran koefisien perpindahan panas berdasarkan kuantitas aliran fluida.
1.2 Dasar Teori
1.2.1 Heat-Exchanger
Heat exchanger adalah perangkat yang memfasilitasi pertukaran panas antara
dua cairan pada temperatur yang berbeda, sekaligus menjaga mereka dari
pencampuran satu sama lain. Perpindahan panas pada Heat exchanger biasanya
melibatkan konveksi di setiap cairan dan konduksi melalui dinding yang
memisahkan dua cairan .. Laju perpindahan panas antara dua cairan pada lokasi di
penukar panas tergantung pada besarnya perbedaan suhu dibahwa lokasi , yang
bervariasi sepanjang penukar panas . Jenis paling sederhana dari penukarpanas terdiri
dari dua pipa konsentris yang berbeda diameter , seperti yang ditunjukkan pada
gambar 1.1 , yang disebut double pipa panas exchanger.
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017
Gambar 1.1 aliran (a) counter flow, (b) parallel flow, dan grafik temperatur in, out.
Sumber: Cengel. (2003:21)
. Dua jenis pengaturan aliran yang mungkin dalam double- pipa penukar
panas yaitu dalam aliran parallel, baik cairan panas dan dingin memasuki panas
penukar pada akhir yang sama dan bergerak ke arah yang sama. Dalam aliran
counter, di sisi lain , cairan panas dan dingin memasuki penukar panas di seberang
berakhir dan aliran dalam arah yang berlawanan . Sebuah penukar panas biasanya
melibatkan dua cairan mengalir dipisahkan oleh dinding yang padat.Panas pertama
ditransfer dari fluida panas ke dinding oleh konveksi, melalui dinding dengan
konduksi, dan dari dinding ke fluida dingin lagi dengan konveksi. Jaringan tahan
panas yang terkait dengan proses perpindahan panas ini melibatkan dua konveksi dan
konduksi satu resistensi.
Gambar 1.2 Perpindahan panas pada pipa ganda
Sumber: Cengel. (2003:21)
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017
1.2.2 Mekanisme Perpindahan Panas
Energi panas dapat ditransfer dari satu sistem ke sistem yang lain, sebagai
hasil dari perbedaan temperatur. Adapun transfer energi panas selalu terjadi dari
medium suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah, dan perpindahan panas
berhenti ketika dua medium mencapai suhu yang sama.
Proses perpindahan panas dapat berpindah dengan tiga cara, yaitu konduksi,
konveksi dan radiasi. Di bawah ini kita memberikan gambaran singkat dari setiap
cara.
Konduksi
Konduksi adalah perpindahan energi dari partikel yang lebih energik
dari suatu zat dengan yang kurang energik yang berdekatan sebagai akibat
dari interaksi antara partikel. Konduksi dapat terjadi pada zat padat, cair dan
gas.
Konveksi
Konveksi adalah proses transport energi dengan kerja gabungan dari
konduksi panas, penyimpanan dan gerakan mencampur. Konveksi sangat
penting sebagai mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda
padat dan cairan atau gas.
Radiasi
Radiasi adalah energi yang dipancarkan oleh materi dalam bentuk
gelombang elektromagnetik sebagai akibat dari perubahan konfigurasi
elektronik dari atom atau molekul. Tingkat maksimum radiasi yang dapat
dipancarkan permukaan pada suhu Ts mutlak diberikan oleh hukum Stefann-
Boltzmann.
1.2.3 Konduktivitas Termal
Konduktivitas termal adalah kemampuan suatu material untuk
menghantarkan panas. Persamaan untuk laju perpindahan panas konduksi dalam
kondisi stabil juga dapat dilihat sebagai persamaan penentu bagi konduktivitas
termal. Sehingga konduktivitas termal dari material dapat didefinisikan sebagai laju
perpindahan panas melalui ketebalan unit bahan per satuan luas per perbedaan suhu.
1.2.4 Difusivitas Termal
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017
Cp sering dijumpai dalam analisis perpindahan panas, disebut kapasitas panas
material. Baik dari Cp panas spesifik dan kapasitas panas ρCp mewakili kemampuan
penyimpanan panas dari suatu material. Oleh karena itu, difusivitas termal dari
material dapat dipandang sebagai rasio panas yang dilakukan melalui bentuk material
panas yang tersimpan per satuan volume.
1.2.5 Resistansi Termal
Resistansi termal merupakan salah satu properti panas dan memiliki
definisi ukuran perbedaan temperatur dari material yang tahan terhadap aliran panas.
Resistansi termal sendiri berbanding terbalik dengan Konduktivitas termal.
Resistansi termal memiliki satuan yaitu (m2K)/W.
1.3 Spesifikasi Alat
Gambar 1.3 Water to Water Heat Exchanger Bench
Sumber : Laboratorium Fenomena Dasar Mesin FT-UB
Hot water source
Head tank with square weir
Flow rate meter (rotameter) : 200 liter/jam
Termometer pada inlet & outlet : 0 – 100oC
Electrically immersion heater : 5 kW & 3 kW
Cold water source
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017
Head tank with square weir
Flow rate meter (rotameter) : 500 liter/jam
Termometer pada inlet & outlet : 0 – 100oC
Heat exchanger
Double tubes water to water heat exchanger : Diameter 1’ x Panjang 1000
mm
Katup pengatur aliran : katup 3 arah
Controller unit
Hot water temperature control unit
Kebutuhan Pendukung
Listrik 3 fase 200/220 Volt, 50/60 Hz, 50 Ampere
Suplai air (700 liter/jam)
1.4 Cara Pengambilan Data
Air panas mengalir melalui tabung dan air dingin melalui jacket. Eksperimen
aliran pararel dan counter flow dilakukan dengan merubah arah aliran air dingin
dengan memutar katup 3 arah (A) dan (B). Dengan mengatur debit aliran air panas
dan air dingin aliran laminar dan turbulen dapat diatur. Tabel berikut menunjukkan
kombinasi eksperimen:
Hot Water Cold Water Hot Water Cold Water
PARALLEL FLOW
A LAMINAR LAMINAR
COUNTER FLOW
E LAMINAR LAMINAR
B TURBULENT LAMINAR F TURBULENT LAMINAR
C LAMINAR TURBULENT G LAMINAR TURBULENT
D TURBULENT TURBULENT H TURBULENT TURBULENT
1) Set temperatur
Atur temperatur air panas pada head tank dengan TEMP. SET pada
control unit. Tunggu hingga pembacaan termometer air panas mencapai
stabil.
2) Set aliran laminar dan turbulen
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017
Dengan mengatur katup no (3) dan (19) aturlah debit air panas dan air
dingin sesuai dengan tabel berikut:
LAMINAR TURBULENT
Flow Rate Meter
(Hot Water) < 30 l / h > 100 l / h
Flow Rate Meter
(Cold Water) < 150 l / h > 500 l / h
3) Pengukuran
Ukurlah nilai T1, T2, t1, t2, W dan w dan tulis data dalam lembar
pengambilan data yang telah disediakan.
4) Perhitungan
a. Hitung nilai Δtm dengan persamaan (4) dan (5)
b. Hitung nilai (T1 + T2) / 2 kemudian tentukan nilai viskositas kinematic vh
pada tabel properti air.
c. Hitung nilai qw dan QW dengan persamaan (1)
d. Hitung nilai (t1 + t2) / 2 kemudian tentukan nilai viskositas kinematic vl
pada tabel properti air.
e. Hitung nilai ReW dengan persamaan (8) dan Rew dengan persamaan (9)
f. Hitung nilai efektifitas dengan persamaan (7)
g. Hitung nilai U dengan persamaan (6)
1.4.1 Heat-Exchanger
Gambar 1.4 Double Tube Heat Exchanger
Sumber : Harlan Bengtson, (2010)
Saat fluida dengan temperatur tinggi mengalir pada tabung dan fluida
bertemperatur rendah mengalir pada jacket maka kalor sejumlah Q akan berpindah
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017
melalui dinding tabung dalam keadaan tunak (steady state), jumlah panas yang
dilepas pada fluida bertemperatur tinggi akan sama dengan jumlah panas yang
diterima pada fluida bertemperatur rendah. Sehingga keseimbangan panasnya
menjadi:
dimana:
= kalor yang dilepas (kcal / jam)
= kalor yang diterima (kcal / jam)
T = temperatur fluida bertemperatur tinggi (oC)
t = temperatur fluida bertemperatur rendah (oC)
W = Laju alir fluida bertemperatur tinggi (kg/ jam)
w = Laju alir fluida bertemperatur rendah (kg/ jam)
CH = Panas spesifik fluida bertemperatur tinggi (kcal/kgoC)
CC = Panas spesifik fluida bertemperatur rendah (kcal/kgoC)
Jika ditentukan rata-rata perbedaan temperatur antara kedua fluida sebagai
Δtm, maka jumlah panas (q):
dimana:
q = jumlah panas yang ditukar (kcal / jam)
A = area permukaan perpindahan kalor (m2) dalam kasus tabung A = πdL
U = koefisien transmisi kalor / heat transmission coefficient (kcal/m2jam
oC)
Δtm = Rata-rata (logaritmik) perbedaan temperatur (oC)
…..(1)
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017
Gambar 1.5 Profil Temperatur Heat Exchanger
Sumber : Harlan Bengtson, (2010)
Untuk paralel flow
Untuk counter flow
Sehingga dapat ditentukan nilai koefisien transmisi kalor (U)
Nilai efektifitas heat exchanger (ϵh)
1.4.2 Bilangan Reynolds
…..(4)
…..(5)
…..(6)
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017
Bilangan Reynolds digunakan untuk menentukan regime aliran apakah
laminar atau turbulen. Didapatkan dengan persamaan:
d merupakan diameter pipa dan v merupakan kecepatan alir fluida didapatkan dengan
persamaan: v = W/A
Luas penampang (A) tabung dan jacket dapat diketahui dengan fungsi diameternya
seperti pada gambar 3.
Gambar 1.6 Penampang Heat Exchanger
Sumber : Harlan Bengtson, (2010)
Air panas
Passing area :
dengan
dimana W dengan satuan liter/jam dengan mensubtitusikan nilainya pada
persamaan maka:
Sehingga:
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017
adalah viskositas kinematik (m2/s) pada temperatur rata-rata air panas dalam
tabung
Air dingin
Passing area:
Nilai d untuk perhitungan bilangan Reynold
Sehingga bilanagn Reynold untuk air dingin
dengan subtitusi besaran di atas maka:
adalah viskositas kinematik (m2/s) pada temperatur rata-rata air dingin dalam
tabung
Tabel 1.1 Properti Air
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017
1.5 Lembar Data
1.5.1 Data Hasil Pengujian
Tabel 1.2 Data Hasil Pengujian
VARIATION
logarithmic
mean-
temperature
difference
HOT WATER COLD WATER EFFECTIVENESS
OF HEAT
EXCHANGER
COEFFICIENT OF
OVERALL HEAT
TRANSFER
T1-t1 T2-t2 ∆tm Qw Rew qw Rew q U
PA
RA
LL
EL
A
B
C
D
CO
UN
TE
R E
F
G
H
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017
Tabel 1.3 Data Hasil Pengujian
VARIATION
HOT WATER COLD WATER KINEMATIC VISCOUSITY OF WATER
INLET OUTLET
FLOW
R.
METER
INLET OUTLET
FLOW
R.
METER
HOT WATER COLD WATER
T1 T2 W t1 t2 w (T1+T2)/2 Vh (t1+t2)/2 vl
PA
RA
LL
EL
A
B
C
D
CO
UN
TE
R E
F
G
H
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017
1.5.2 Contoh Perhitungan
A. Untuk Menghitung Nilai Qw dan
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
B. Untuk Menghitung Nilai Δtm Untuk Jenis Aliran Parallel Flow
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
C. Untuk Menghitung Nilai Δtm Untuk Jenis Aliran Counter Flow
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017
D. Untuk Menghitung Nilai Efektifitas Heat Exchanger ϵh
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
E. Untuk Menghitung Nilai Bilangan Reynolds
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017
1.6 Grafik dan Pembahasan
1.6.1 Hubungan Efektifitas Perpindahan Panas Terhadap Regime Aliran Pada Variasi Arah Aliran
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017
1.6.2 Hubungan Koefisien Perpindahan Panas Terhadap Regime Aliran Pada Variasi Arah Aliran
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017
DAFTAR PUSTAKA
Bengtson, Harlan. 2010. Heat Exchangers - Arithmetic and Logarithmic Mean
Temperature Difference. Diakses pada tanggal : 26 September 2015.
Cenggel, Yusuf A. 2003. Heat Transfer : A Practical Approach. New York :
McGraw-Hill.