heat exchanger

Praktikum Sistem Energi

HEAT EXCHANGER

1. TUJUAN

1 Mengetahui Karakteristik serta cara kerja instalasi uji heat exchanger

2. Mengetahui laju penurunan temperatur dari suatu Exchanger

2. TEORI DASAR

2.1 Teori Umum Perpindahan Panas

Bila dalam suatu sistem terdapat gradien suhu, atau apabila dua buah

sistem yang berbeda suhunya disinggungkan akan terjadi perpindahan energi.

Proses perpindahan energi tersebut dinamakan perpindahan panas.

Cabang ilmu pengetahuan yang membahas tentang hubungan antara energi

panas dengan bentuk energi yang lainnya disebut termodinamika. Dalam

termodinamika dipelajari sistem, dimana sistem tersebut dalam keadaan

setimbang. Jumlah panas yang dipindahkan selama suatu proses adalah sama

dengan beda perubahan energi sistem dan kerja yang dilakukan. Analisa jenis ini

tidak memperlihatkan mekanisme aliran panas dan waktu yang diperlukan dalam

perpindahan panas tersebut.

Ilmu perpindahan panas mempunyai peran sebagai pelengkap analisa

thermodinamika, dengan menyumbangkan hukum-hukum yang membuka jalan

untuk meramalkan laju perpindahan panas. Hukum-hukum pelengkap ini

didasarkan atas ragam perpindahan panas yang fundamental yaitu konduksi,

konveksi dan radiasi.

2.1.1 Perpindahan Panas Konduksi

Gradien suhu yang terdapat pada suatu benda akan menyebabkan

terjadinya perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi ke bagian yang bersuhu

rendah. Jika energi berpindah secara konduksi maka laju perpindahan panas itu

sebanding dengan gradien garis normal.

1)

Laboratorium Konversi Energi – UNAND 51

Praktikum Sistem EnergiJika dimasukkan konstanta proporsional atau tetapan kesebandingan maka :

2)

Tanda minus diberikan untuk memenuhi hukum kedua thermodinamika

yaitu panas mengalir ke tempat yang lebih rendah dalam skala suhu. Pada gambar

2.1 dapat dilihat profil aliran panas konduksi.

T Profil suhu

x

Gambar 1 Bagan aliran panas konduksi

Persamaan diatas dikenal juga dengan hukum Fourier tentang konduksi

panas yaitu merupakan dasar dari konduktifitas thermal untuk gas-gas pada suhu

agak rendah, pengolahan analitis teori kinetik gas dapat dipergunakan untuk

memprediksikan secara teliti nilai-nilai yang diamati dalam percobaan.

Mekanisme konduksi thermal pada gas cukup sederhana. Energi kinetik

ditunjukkan oleh suhunya, jadi pada bagian yang bersuhu tinggi, molekul-molekul

kecepatan yang lebih tinggi daripada yang berada pada bagian yang bersuhu

rendah. Molekul-molekul itu selalu berada dalam gerakan acak, saling

bertumbukan satu sama lain, dimana terjadi pertukaran energi dan momentum.

2.1.2 Perpindahan Panas Konveksi



Sebagai ilustrasi, pelat logam dengan suhu lebih tinggi akan mengalami

penurunan suhu menuju tingkat yang sama dengan suhu lingkungannya, udara

lingkunganlah yang berperan sebagai media pendingin. Proses itu merupaka salah

satu bentuk dari konveksi. Dan pelat tersebut akan menjadi dingin lebih cepat bila

diletakkan di depan kipas angin dibandingkan ditempatkan di udara terbuka. Hal

ini berarti berarti panas dipaksakan keluar secara konveksi, dan proses ini

dinamakan dengan perpindahan panas secara konveksi paksa. Profil aliran

perpindahan panas secara konveksi ini dapat dilihat pada gambar 2.2.

Aliran U

Aliran bebas

Permukaan pelat Q

TW

Gambar 2 Perpindahan panas konveksi dari plat

Suhu plat TW dan suhu fluida T. Kecepatan aliran seperti gambar 2.2

yaitu nol pada permukaan plat sebagai akibat dari aksi kental viskos, oleh karena

kecepatan lapisan fluida pada dinding adalah nol maka disini panas hanya dapat

berpindah dengan cara konduksi saja.

Gradien suhu bergantung pada laju fluida yang membawa panas,

kecepatan yang tinggi akan menyebabkan gradien suhu yang besar pula dan

demikian seterusnya. Jadi gradien suhu pada dinding bergantung dari medan

aliran.

Guna menyatakan pengaruh konduksi secara menyeluruh, digunakan

hukum Newton tentang pendinginan.

3)

Kita dapat melakukan perhitungan analitis atas h untuk beberapa sistem.

Untuk situasi yang rumit h harus ditentukan dengan percobaan. Koefisien

perpindahan panas kadang-kadang disebut konduktifitas film, karena


Praktikum Sistem Energihubungannya dengan proses konduksi pada lapisan fluida yang tipis pada muka

dinding.

Apabila suatu plat panas dibiarkan berada di udara sekitar tanpa ada

sumber gerakan dari luar, maka udara itu akan bergerak sebagai akibat terjadinya

gradien densitas di dekat plat itu. Peristiwa ini dinamakan dengan konveksi bebas

atau konveksi alamiah, untuk membedakan dengan konveksi paksa yang terjadi

apabila udara itu dihembuskan di atas plat itu dengan kipas.

2.1.3 Perpindahan Panas Radiasi

Berbeda dengan mekanisme konduksi dan konveksi, dimana perpindahan

energi terjadi melalui beban antara, panas juga dapat berpindah melalui daerah-

daerah hampa. Mekanismenya disini adalah sinaran atau radiasi elektromagnet

untuk benda hitam dapat didekati dengan persamaan:

(4)

perhitungan panas melalui radiasi pada perancangan ini diabaikan.

2.2 Teori Umum Penukar Panas

Penukar panas adalah alat yang menghasilkan perpindahan panas dari

suatu fluida ke fluida lain.

Rancang bangun suatu penukar panas diperinci menjadi tiga tahap utama, yaitu :

1. Analisa thermal

2. Rancang bangun mekanik pendahuluan

3. Rancang bangun produksi

Analisa thermal berkaitan dengan penentuan luas permukaan perpindahan

panas yang diperlukan untuk memindahkan panas pada laju aliran serta suhu yang

diketahui.

Rancang bangun mekanik menyangkut pertimbangan-pertimbangan yang

berkaitan dengan suhu serta tekanan operasi, korosi, pemuaian panas relatif,

tegangan thermal dan hubungan antara penukar panas dengan peralatan lain yang

berkaitan Rancang bangun produksi menyangkut ukuran fisik yang dapat dibuat


Praktikum Sistem Energidengan harga rendah, pemilihan penutup, perapat, susunan mekanik optimum, dan

prosedur pembuatan.

2.2.1 Klasifikasi Penukar Panas

Menurut Ramesh K. Shan, penukar panas yang ada sampai sekarang dapat

diklasifikasi berdasarkan:

a) Proses perpindahan panas

b) Tingkat kekompakan permukaan

c) Profil konstruksi permukaannya

d) Susunan aliran fluida

e) Banyaknya fluida yang dipakai

f) Mekanisme perpindahan panas

A. Klasifikasi Berdasarkan Proses perpindahan Panas

Berdasarkan perpindahan panasnya, penukar panas dapat dibedakan

menjadi dua golongan yaitu :

1) Tipe bercampur

2) Tipe tidak bercampur

Ciri-ciri tipe bercampur :

1. Fluida panas dicampur secara langsung dengan fluida dingin, pada

akhirnya temperatur kedua fluida akan sama

2. kapasitas perpindahan panas relatif kecil

Ciri-ciri tipe tidak bercampur :

Mekanisme perpindahan panasnya adalah perpindahan panas dari fluida panas

ke suatu permukaan, baru dipindahkan lagi ke fluida yang lebih dingin. Tipe

tidak bercampur ini dapat dibagi menjadi tiga jenis yaitu :

a) Tipe kontak langsung

b) Tipe tersimpang

c) Tipe terendam

Ciri-ciri tipe kontak langsung adalah :

- Kedua fluida dipisah oleh dinding tipis yang dapat ditembus panas.

Ciri-ciri tipe tersimpang adalah :



- Permukaan perpindahan panas berupa struktur sel yang biasa disebut

matrik.

- Selama aliran fluida panas mengalir dalam saluran, kalor tersimpan di

dalam dinding matrik. Fluida dingin mengalir di dalam saluran yang lain

dan dinding matrik melepaskan panas ke fluida yang lebih dingin itu.

Ciri-ciri tipe terendam adalah :

- Dipakai untuk mendinginkan benda padat

- Penukar panas direndam dalam bak yang berisi benda padat yang

mengalir.

B. Klasifikasi Berdasarkan Tingkat Kekompakan Permukaan

Berdasarkan tingkat kekompakan permukaannya penukar panas dapat dibagi

menjadi :

1. Tipe kompak, dimana perbandingan luas permukaan dengan volume besar

dari 700 m2 / m3.

2. Tipe tidak kompak, dimana perbandingan luas permukaan dengan volume

kecil dari 700 m2 / m3.

C. Klasifikasi berdasarkan Konstruksi Permukaan

Berdasarkan konstruksi permukaan penukar panas dapat dibagi menjadi :

1. Tipe cangkang dan pipa/tabung (Shell and Tube)

2. Tipe plat

3. Tipe generator

D. Klasifikasi Berdasarkan Susunan Aliran Fluida

Berdasarkan susunan aliran fluida penukar panas dapat dibagi menjadi dua jenis.

Kedua jenis susunan aliran fluida itu adalah :

1. Tipe satu laluan.

2. Tipe banyak laluan.

E. Klasifikasi Berdasarkan banyaknya Fluida yang Dipakai

Berdasarkan banyaknya fluida yang dipakai penukar panas dapat dibagi menjadi :

1. Tipe dua fluida

2. Tipe tiga fluida


Praktikum Sistem EnergiF. Klasifikasi Berdasarkan Mekanisme Perpindahan Panas

Berdasarkan mekanisme perpindahan panasnya penukar panas dapat dibagi

menjadi :

1. Tipe satu fasa

2. Tipe dua fasa

2.3 Distribusi Temperatur

Di dalam penukar panas, suhu fluida tidak konstan namun bervariasi dari

satu titik ke titik lainnya pada waktu panas mengalir dari fluida panas ke fluida

yang lebih dingin. Untuk tahanan thermal yang konstan pun, laju aliran panas

akan berbeda-beda sepanjang lintasan penukar panas karena harganya tergantung

pada beda suhu antara fluida panas dan yang dingin pada waktu tertentu.

Distribusi temperatur dalam penukar panas tergantung dari jenis penukar panas itu

sendiri. Di bawah kita dapat lihat distribusi temperatur penukar panas.

a) Penukar panas aliran sejajar. Distribusi temperatur penukar panas aliran

sejajar ini dapat dilihat pada gambar 2.3.

Cold out

Hot out

Hot in

Cold in

Temp.

Fluida panas

Fluida dingin

Jarak dari lubang masuk

Gambar 2.3 distribusi temperatur penukar panas aliran sejajar



b) Penukar panas aliran berlawanan.

Distribusi temperatur penukar panas aliran berlawanan ini dapat dilihat pada

gambar 2.4

Temp. Fluida Panas

Fluida dingin

Panjang laluan, L

Gambar 2.4 Distribusi temperatur penukar panas aliran berlawanan

c) Penukar panas kondensor lintas tunggal. Garis mendatar menunjukkan

perubahan fasa dari uap jenuh ke fasa cair jenuh. Distribusi temperatur

kondensor lintas tunggal ini dapat dilihat pada gambar 2.5.

Temp. Condensing

Fluida dingin

Panjang laluan, L

Gambar 2.5 Distribusi temperatur kondensor lintas tunggal

d) Penukar panas Evaporator lintas tunggal. Garis mendatar menunjukkan

perubahan fasa cair jenuh ke fasa uap jenuh. Distribusi temperatur

evaporator lintas tunggal ini dapat dilihat pada gambar 2.6.

Temp.

Fluida Panas

Boiling

Panjang laluan, L

Gambar 2.6 Distribusi temp. Evap. Lintas Tunggal


Praktikum Sistem Energi2.4 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh

Koefisien perpindahan panas memiliki pengaruh yang besar dalam

terjadinya proses Konduksi, Konveksi dan Radiasi. Perpindahan panas yang

paling dominan dalam penukar panas adalah Konveksi. Dalam perhitungan laju

perpindahan panas dalam suatu penukar terdapat suatu konstanta perpindahan

panas yang merupakan sifat penukar panas itu sendiri yang tergantung dengan

bentuk fisik penukar panas dan perpindahan energi di penukar panas itu.

Konstanta itu lazim disebut dengan koefisien perpindahan panas menyeluruh (U).

Laju perpindahan anas dalam penukar panas akan memenuhi persamaan :

dQ = U A T 5)

Koefisien perpindahan panas menyeluruh (U), ditentukan dari nilai :

1. Besar tahanan thermal fluida bagian dalam (Ri)

2. Besar tahanan thermal dari seluruh penukar panas itu sendiri.

3. Besar tahanan thermal bagian luar (Ro).

Tahanan thermal total (Rtot) = Ri + Rt + Ro

Koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) ini ada yang disebut koefisien

perpindahan panas menyeluruh bagian luar (Uo) dan koefisien perpindahan panas

menyeluruh bagian dalam (Ui).

6)

7)

2.5 Metode LMTD

LMTD (Logaritmic Mean Temperature Difference) adalah hubungan

antara beda temperatur logaritmik dari kedua fluida kerja, dinyatakan dalam :

8)

9)


Praktikum Sistem Energi2.6 Faktor Koreksi LMTD

Faktor koreksi adalah faktor pengali terhadap LMTD supaya laju

perpindahan panas dalam penukar panas didapatkan nilai yang sebenarnya. Faktor

koreksi dapat kita lihat dari grafik yang sesuai dengan jenis penukar panas.

10)

11)

Dari data P dan R kemudian didapat nilai F pada grafik. Notasi h dan c pada T

berarti kondisi fluida panas (h) atau dingin (c).

2.7 Metode Ntu-Efektivitas

Pendekatan LMTD dalam analisis penukar kalor berguna bila suhu-masuk

dan suhu-keluar diketahui atau dapat ditentukan dengan mudah; sehingga LMTD

dapat dengan mudah dihitung, dan aliran kalor, luas permukaan, dan koefisien

perpindahan kalor menyeluruh dapat ditentukan. Bila kita harus suhu masuk atau

suhu keluar, analisis kita akan melibatkan prosedur iterasi karena LMTD itu suatu

fungsi logaritma. Dalam hal demikian, analisis akan lebih mudah dilaksanakan

dengan metode yang berdasarkan atas efektifitas penukar kalor dalam

memindahkan sejumlah kalor tertentu. Efektivitas adalah perbandingan antara

perpindahan kalor nyata dengan perpindahan kalor maksimum yang

dimungkinkan. Perpindahan kalor nyata dapat dihitung dari energi yang

dilepaskan oleh fluida panas atau energi yang didapatkan fluida dingin.

Untuk penukar kalor aliran sejajar :

q = 12)

Untuk penukar kalor aliran silang :

q = 13

Untuk menentukan perpindahan kalor maksimum bagi penukar kalor itu,

pertama-tama kita harus memahami bahwa nilai maksimum akan didapat bila

salah satu fluida mengalami perubahan suhu sebesar beda suhu maksimum yang

terdapat dalam penukar kalor itu, yaitu selisih antara suhu masuk fluida panas dan

fluida dingin. Fluida yang mungkin mengalami beda suhu maksimum ini ialah


Praktikum Sistem Energiyang nilai mc-nya minimum, karena neraca energi yang diterima oleh fluida yang

satu lagi. Jadi perpindahan kalor maksimum yang mungkin dinyatakan sebagai

berikut :

qmax = 15)

Jadi, efektivitas penukar kalor dapat dirumuskan sebagai berikut :

16)

Efektivitas berfungsi untuk melihat kemampuan penukar panas dalam

memindahkan energi, sehingga dalam pemakaian dapat dibandingkan dan dipilih

alat penukar panas

.

3. Prosedur Percobaan

1. Panaskan air sampai 60o dengan menggunakan heater.

2. Hidupkan pompa, atur katup kontrol dengan bukaan ¼.

3. Hidupkan fan dengan menggunakan slide regulator pada tegangan 140

Volt.

4. Catat waktu untuk setiap volume aliran yang ditentukan.

5. Catat temperatur Th.in, Th.out, Tc.in dan Tc.out.

6. Ulangi prosedur diatas untuk bukaan katup ½, ¾ dan penuh.

Iv. Skema Alat Uji Penukar Panas Tipe Aliran Sil

Keterangan :

1.Termometer bola kering 7. Reservoir


Praktikum Sistem Energi2.Termometer bola basah 8. Flow Meter

3.Fan 9. Impeler pompa

4.Penukar panas 10.Motor

5.Slang 11.Saluran udara

6.Heater 12.Katup


heat exchanger

Documents