bab ii [unlocked by ].pdf

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2014/2015

BAB II WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH

2.1 Dasar Teori

2.1.1 Mekanisme Perpindahan Panas

Energi panas dapat ditransfer dari satu sistem ke sistem yang lain, sebagai hasil

dari perbedaan temperatur. Sedangkan analisis termodinamika hanya mengangkat hasil

dari perpindahan panas sebagai sistem yang mengalami proses dari satu keadaan

setimbang yang lain. Jadi ilmu yang berhubungan dengan penentuan tingkat perpindahan

energi adalah perindahan panas. 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. Semua cara dari perpindahan panas memerlukan adanya perbedaan

suhu, dan semua cara berasal dari medium suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih

rendah. Di bawah ini kita memberikan gambaran singkat dari setiap cara.

2.1.2 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. Pada gas dan cair, konduksi

ini disebabkan oleh tabrakan dan pembauran dari gerakan molekul selama gerakan acak

mereka. Pada benda padat, gerakan ini disebabkan akibat kombinasi getaran dari molekul

di dalam kisi dan berpindahnya energi yang disebabkan oleh elektron bebas. Laju

konduksi panas melalui media tergantung pada geometri dari medium, ketebalan, dan

bahan dari medium, serta beda suhu di medium terdebut. Contoh konduksi adalah

perpindahan panas yang terjadi pada besi yang salah satu ujungnya dipanaskan, maka

panas tersebut akan merambat hingga ujung yang lain.

Pada penjelasan berikut, dapat dilihat proses perpindahan panas melalui dinding

yang tebalnya x=L dan luasnya A, seperti pada gambar berikut :



Gambar 2.1: Perpindahan Panas Konduksi Melalui Dinding

Sumber: Heat Transfer, Cengel (2003:21)

Perbedaan temperatur pada dinding adalah T= T2-T1. Percobaan dapat

menghasilkan laju dari perpindahan panas Q melalui dinding dua kali lipat ketika

perbedaan suhu di seluruh dinding atau area A normal terhadap arah perpindahan

panas dua kali lipat, tapi dibelah dua ketika ketebalan dinding L dua kali lipat.

Dengan demikian kita menyimpulkan bahwa laju konduksi panas melalui lapisan

dinding sebanding dengan perbedaan suhu di seluruh lapisan dan area perpindahan

panas, namun berbanding terbalik dengan ketebalan lapisan, sehingga dapat

dirumuskan dengan:

Atau,

Dimana konstanta k adalah konduktivitas termal material, yang

merupakan

ukuran kemampuan suatu material untuk menghantarkan panas. Jika x = 0,

persamaan

di atas tereduksi menjadi bentuk diferensial



Keterangan :

Q = Laju perpindahan panas secara konduksi

k = konduktivitas termal material

A = Luas permukaan

dT = Perubahan suhu

dx = Jarak yang tegak lurus terhadap permukaan

Tanda negatif di dalam rumus memastikan bahwa perpindahan panas dalam arah

x positif adalah jumlah yang positif.

2.1.3 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.

Perpindahan energi dengan cara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya

di atas suhu fluida sekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap. Pertama, panas akan

mengalir dengan cara konduksi dari permukaan ke partikel-partikel fluida yang

berbatasan. Energi yang berpindah dengan cara demikian akan menaikkan suhu dan

energi dalam partikel-partikel fluida ini. Kemudian partikel-partikel fluida

tersebut akan bergerak ke daerah yang bersuhu rendah didalam fluida di mana mereka

akan bercampur dengan, dan memindahkan sebagian energinya kepada, partikel-

partikel fluida lainnya. Dalam hal ini alirannya adalah aliran fluida maupun energi.

Energi sebenarnya disimpan di dalam partikel-partikel fluida dan diangkut sebagai

akibat gerakan massa partikel-partikel tersebut. Mekanisme ini untuk operasinya tidak

tergantung hanya pada beda suhu dan oleh karena itu tidak secara tepat memenuhi

definisi perpindahan panas. Tetapi hasil bersihnya adalah angkutan energi, dan karena

terjadinya dalam arah gradien suhu, maka juga digolongkan dalam suatu cara

perpindahan panas dan ditunjuk dengan sebutan aliran panas dengan cara konveksi.

Contoh konveksi adalah perputaran atau perpindahan panas yang terjadi pada

pemanasan air.

Laju perpindahan panas dengan cara konveksi antara suatu permukaan dan

suatu fluida dapat dihitung dengan hubungan



Dimana :

q = laju perpindahan panas dengan cara konveksi, (Watt)

As = luas perpindahan panas, (m2)

Ts = Temperatur permukaan benda padat, (0K)

T = Temperatur fluida mengalir, (0K)

H = koefisien perpindahan panas konveksi, (W/m2 0K)

Perpindahan panas konveksi diklasifikasikan dalam konveksi bebas (free

convection) dan konveksi paksa (forced convection) menurut cara menggerakkan

alirannya. Konveksi alami adalah perpindahan panas yang disebabkan oleh beda

suhu dan beda rapat saja dan tidak ada tenaga dari luar yang mendorongnya. Konveksi

alamiah dapat terjadi karena ada arus yang mengalir akibat gaya apung,

sedangkan gaya apung terjadi karena ada perbedaan densitas fluida tanpa dipengaruhi

gaya dari luar sistem. Perbedaan densitas fluida terjadi karena adanya gradien suhu

pada fluida.

Konveksi paksa adalah perpindahan panas aliran gas atau cairan yang

disebabkan adanya tenaga dari luar. Konveksi paksa dapat pula terjadi karena arus

fluida yang terjadi digerakkan oleh suatu peralatan mekanik (contoh : pompa dan

pengaduk), jadi arus fluida tidak hanya tergantung pada perbedaan densitas. Contoh

perpindahan panas secara konveksi paksa adalah pelat panas dihembus udara dengan

kipas/blower.

Secara umum aliran fluida dapat diklasifikasikan sebagai aliran eksternal dan

aliran internal. Aliran eksternal terjadi saat fluida mengenai suatu permukaan benda.

Contohnya adalah aliran fluida melintasi plat atau melintang pipa. Aliran internal

adalah aliran fluida yang dibatasi oleh permukaan zat padat, misalnya aliran dalam

pipa/saluran. Perbedaan antara aliran eksternal dan aliran internal pada suatu

pipa/saluran ditunjukkan pada Gambar 3.2

Secara umum aliran fluida dapat diklasifikasikan sebagai aliran eksternal dan

aliran internal. Aliran eksternal terjadi saat fluida mengenai suatu permukaan benda.

Contohnya adalah aliran fluida melintasi plat atau melintang pipa. Aliran internal

adalah aliran fluida yang dibatasi oleh permukaan zat padat, misalnya aliran dalam

pipa/saluran. Perbedaan antara aliran eksternal dan aliran internal pada suatu

pipa/saluran ditunjukkan pada Gambar 3.2



Gambar 2.2 Aliran eksternal udara dan aliran internal air pada suatu pipa/saluran


2.1.4 Radiasi

Radiasi adalah energi yang dipancarkan oleh materi dalam bentuk gelombang

elektromagnetik sebagai akibat dari perubahan konfigurasi elektronik dari atom atau

molekul. Contoh radiasi adalah pancaran sinar matahari yang menyengat sampai ke

bumi atau kulit manusia

Tingkat maksimum radiasi yang dapat dipancarkan permukaan pada suhu

Ts mutlak diberikan oleh hukum stefaan-Boltzmann yaitu

Dimana = 5,67 x 10-8 W/m2 K4 merupakan konstanta Stefen-Boltzmann.

Permukaan ideal yang memancarkan radiasi pada tingkat maksimum ini disebut benda

hitam, dan radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam disebut Radiasi benda hitam.

Radiasi yang dipancarkan oleh semua permukaan nyata lebih kecil dari radiasi yang

dipancarkan oleh benda hitam pada suhu yang sama, dan dinyatakan sebagai

Keterangan :

Q : Laju perpindahan secara radiasi (Watt)

: konstanta Stefen-Boltzmann (5,67 x 10-8 W/m2 K4)

: emisivitas

As : luas permukaan (m2)

Ts : suhu mutlak permukaan benda yang mengemisikan panas secara radiasi. (0K)



Dimana adalah emisivitas permukaan yang besarnya adalah diantara 0 1.

2.1.5 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. Konduktivitas termal material adalah

ukuran kemampuan bahan untuk menghantarkan panas. Harga tertinggi untuk

konduktivitas termal menunjukkan bahwa material adalah konduktor panas yang baik,

dan harga terendah untuk konduktivitas termal menunjukan bahwa material adalah bukan

pengahantar panas yang baik atau disebut isolator.

Suhu adalah ukuran energi kinetik dari partikel seperti molekul atau atom dari

suatu zat. Pada cairan dan gas, energi kinetik dari partikel terjadi karena gerak translasi

acak mereka serta gerakan getaran dan rotasi mereka. Ketika dua molekul yang memiliki

energi kinetik yang berbeda berbenturan, bagian dari energi kinetik dari molekul lebih

bertenaga ditransfer ke molekul kurang bertenaga, sama seperti ketika dua bola elastis

dari massa yang sama dengan kecepatan yang berbeda berbenturan, bagian dari energi

kinetik dengan bola kecepatan tinggi ditransfer ke bola yang kecepatanya lebih lambat.

Makin tinggi suhu, semakin cepat molekul bergerak, semakin tinggi jumlah molekul

tabrakan, dan semakin baik perpindahan panasnya.

2.1.6 Difusivitas Termal

Cp sering dijumpai dalam analisis perpindahan panas, disebut kapasitas panas

material. Baik dari Cp panas spesifik dan kapasitas panas Cp mewakili kemampuan

penyimpanan panas dari suatu material. Tapi Cp mengungkapkan itu per satuan massa

sedangkan Cp mengungkapkan itu per satuan volume, dapat melihat dari satuan

mereka masing-masing.

Sifat bahan lain yang muncul dalam analisis konduksi panas transien adalah

difusivitas termal, yang mewakili bagaimana cepat panas berdifusi melalui materi

dan dirumuskan dengan

(m2/s)



Harap diingat bahwa Konduktivitas termal k merupakan seberapa baik suatu

bahan menghantarkan panas, dan kapasitas panas Cp mewakili berapa banyak

menyimpan sebuah energi bahan per satuan volume. Oleh karena itu, difusivitas termal

dari material dapat dipandang sebagai rasio panas yang dilakukan melalui bentuk material

panas yang tersimpan per satuan volume. Bahan yang memiliki konduktivitas panas yang

tinggi atau kapasitas panas yang rendah jelas akan memiliki difusivitas termal besar.

Semakin besar difusivitas termal, semakin cepat penyebaran panas ke medium. Nilai

diffusivitas termal yang kecil berarti panas yang sebagian besar diserap oleh material.

2.1.7 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. Aliran panas dapat dimodelkan dengan analogi

rangkaian listrik di mana aliran panas diwakili oleh arus, suhu diwakili oleh tegangan,

sumber panas yang diwakili oleh sumber arus konstan, resistensi termal mutlak diwakili

oleh resistor dan kapasitansi termal dengan kapasitor.

2.1.8 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. Dalam radiator mobil, misalnya , panas dipindahkan dari air panas yang

mengalir melalui tabung radiator ke udara mengalir melalui pelat tipis berjarak dekat

dinding luar yang melekat pada tabung . Perpindahan panas pada Heat exchanger

biasanya melibatkan konveksi di setiap cairan dan konduksi melalui dinding yang

memisahkan dua cairan . Dalam analisis penukar panas , akan lebih mudah untuk bekerja

dengan koefisien perpindahan panas keseluruhan U yang menyumbang kontribusi dari

semua efek transfer panas ini . Laju perpindahan panas antara dua cairan pada lokasi di

penukar panas tergantung pada besarnya perbedaan suhu di bahwa lokasi , yang bervariasi

sepanjang penukar panas . Jenis paling sederhana dari penukar panas terdiri dari dua pipa

konsentris yang berbeda diameter , seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.3 , yang

disebut double pipa panas exchanger.



Gambar 2.3 Aliran sistem heat exchanger double pipa


Salah satu cairan dalam penukar panas double- pipa mengalir melalui pipa yang

lebih kecil, sementara cairan lainnya mengalir melalui ruang annular antara dua pipa .

Dua jenis pengaturan aliran yang mungkin dalam double- pipa penukar panas yaitu dalam

aliran paralel , 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 . Tipe lain dari penukar panas , yang dirancang khusus untuk mewujudkan

besar luas permukaan perpindahan panas per satuan volume , adalah penukar panas

kompak. panas Compact exchanger memungkinkan kita untuk mencapai kecepatan

transfer panas tinggi antara dua cairan dalam volume kecil , dan mereka biasanya

digunakan dalam aplikasi dengan keterbatasan yang ketat pada berat dan volume penukar

panas.

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 2.4 perpindahan panas pada double pipa


Variabel i dan o mewakili permukaan dalam dan luar dari tabung bagian dalam.

Untuk heat exchanger double pipa kita memiliki Ai = DiL dan A0 = D0L dan tahanan

panas tabung dalam situasi ini adalah

Dimana k adalah konduktivitas termal dari material dinding dan L adalah panjang

tabung. Kemudian tahan panas keseluruhan menjadi

Ai adalah luas permukaan dalam dari dinding yang memisahkan dua cairan, dan Ao

adalah luas permukaan luar dinding. Dengan kata lain, Ai dan A0 adalah luas

permukaan dinding yang memisahkan dan dibasahi oleh cairan dalam dan cairan luar,

masing-masing.

2.1.9 Counter-flow Heat Exchanger

Variasi suhu cairan panas dan dingin dalam heat exchanger counter-flow

diberikan pada Gambar 3.5. Perhatikan bahwa cairan panas dan dingin masukkan pada

ujung-ujung pipa, dan suhu keluar dingin cairan pada keadaan ini dapat melebihi suhu

keluar panas cairan. dalam kasus ini , cairan dingin akan dipanaskan sampai suhu inlet

dari fluida panas . Namun, suhu outlet fluida dingin tidak pernah bisa melebihi inlet suhu

dari fluida panas karena ini akan menjadi pelanggaran hukum kedua dari termodinamika.

Hubungan di atas untuk log berarti perbedaan suhu dikembangkan



menggunakan penukar panas paralel - aliran, tetapi kita dapat menunjukkan dengan

mengulangi analisis atas untuk counter-flow penukar panas yang juga berlaku untuk

counterflow penukar panas. Untuk inlet dan outlet suhu yang ditentukan, log rata-rata

suhu perbedaan bagi penukar panas counter-flow selalu lebih besar dari itu untuk

parallel-flow. Artinya, T counter-flow lebih besar dari pada T parallel flow dan

dengan demikian lebih kecil luas permukaan yang dibutuhkan untuk mencapai laju

perpindahan panas tertentu dalam counter-flow.

Gambar 2.5 aliran (a) parallelflow, (b) counter flow, dan grafik temperatur in, out

Sumber : Heat Transfer, Cengel (2003:21)

2.1.10 Metode NTU

Untuk mendefinisikan effectivenes alat penukar panas, pertama kita harus

menentukan kemungkinan laju perpindahan panas maksimum (maximum possible heat

transfer rate), qmax pada alat penukar panas. Laju perpindahan panas ini secara prinsip

dapat dicapai pada alat penukar panas counterflow, gambar 2.1, dengan panjang tak

terhingga.



Gambar 2.6 Distribusi Temperatur pada Counter Flow Heat Exchanger

Sumber : http://teknos78.blogspot.com/2014/03/alat-penukar-panas-heat-exchanger.html

Alat penukar panas pada kondisi ini, kemungkinan perbedaan

temperatur maksimum pada fluida adalah Th,i Tc,i. Untuk menggambarkan hal

ini, perhatikan kondisi dimana Cc < Cn dari persamaan 2.1 dan 2.2, maka [dTc] >

[dTh].

= = (2.1)

= = (2.2)

Kemudian fluida dingin akan mengalami perubahan temperatur yang

besar dan jika L , maka fluida dingin tersebut akan dipanaskan mencapai

panas (Tc,o = Th,i). Berdasarkan persamaan maka akan didapat persamaan 2.3:

Cc < Ch : qmax = Cc (Th,i-Tc,i) (2.3)

Demikian pula jika Ch < Cc fluida panas akan mengalami perubahan

temperatur terbesar dan akan menjadi dingin pada temperature masukan dari

fluida yang dingin ( Th,o = Tc,i). Kemudian dari persamaan 2.4 maka didapatkan

persamaan 2.5. [2]

q = h Cp h (Th i Th o) (2.4)

Ch < Cc : qmax = Ch (Th,I Tc,i) (2.5)

Dari hasil tersebut kita dapatkan kondisi umum :



qmax = Cmin (Th i Tc i) (2.6)

Dimana Cmin sama dengan Cc atau Ch,mana yang lebih kecil.

Untuk temperatur masuk fluida panas dan dingin yang telah diketahui, dari

persamaan 2.6 diatas dapat digunakan untuk menghitung kemungkinan

besarnya laju perpindahan panas maksimum yang dialami oleh alat penukar

panas.

Sekarang sangat logis untuk mendefinisikan effectivenes () sebagai

perbandingan antara laju perpindahan panas aktual untuk sebuah alat penukar

panas pada kemungkinan laju perpindahan panas maksimum, dan dinyatakan

sebagai, [2]

(2.7)

Dari persamaan 2.3, 2.5 dan 2.7 di atas didapat bahwa :

(2.8)

Dari definisi effectiveness, yang tidak berdimensi harus pada range 0

1. Jika , , dan , diketahui, laju perpindahan panas aktual untuk alat penukar

panas dapat ditentukan dengan persamaan :

= (, ,) (2.10)

Untuk setiap alat penukar panas itu dapat ditunjukkan bahwa :

= (,

) (2.11)

dimana Cmin/Cmax adalah sama dengan Cc/Ch atau Ch/Cc, tergantung pada besaran

relatif antara laju kapasitas fluida panas dan dingin. Satuan jumlah perpindahan

NTU (Number of Thermal Unit) adalah parameter yang tidak berdimensi yang

kegunaannya sangat luas pada analisis alat penukar pans dan didefinisikan sebagai,

=


LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN

Kemudian itu menyatakan laju perpindahan panas per derajat perbedaan

temperatur rata-rata antara fluida, persamaan q = U . T terhadap laju perpindahan

panas per derajat perubahan temperatur untuk fluida yang mempunyai laju kapasitas

panas minimum.

bab ii [unlocked by ].pdf

Documents