laporan pemicu ii perpindahan kalor konveksi alami dan konveksi paksa

8/17/2019 Laporan Pemicu II Perpindahan Kalor Konveksi Alami dan Konveksi Paksa

1/33

LAPORAN PEMICU II

Perpindahan Kalor Konveksi Alamiah dan Konveksi

Paksa

MATA KULIAH PERPINDAHAN KALOR

KELOMPOK 3

Andy Khootama 1406573942

Cindyara Nayanda 1406533592

Ferizka Shalima Chaeruniza 1406533440

Mauhibah Yumna 1406577650

Ruth 1406533642

TEKNOLOGIBIOPROSES

DEPARTEMEN TEKNIKKIMIA

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA

APRIL 2016


2/33

1

KATA PENGANTAR

Pertama – tama kami, mengucapkan puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa

karena atas kuasa-Nya penulis bisa menyelesaikan laporan “Perpindahan Kalor Konveksi

Alamiah dan Konveksi Paksa” dengan baik dan tepat waktu. Laporan ini dibuat atas dasar

pemicu ketiga dari mata kuliah Perpindahan Kalor dengan tema Perpindahan Kalor

Konveksi.

Dalam penulisan laporan ilmiah ini, banyak halangan dan rintangan yang terjadi.

Penulis juga berterima kasih kepada seluruh pihak yang terlibat baik secara langsung

maupun tidak langsung dalam penyelesaian laporan ilmiah ini, yaitu:

1. Dosen mata kuliah Perpindahan Kalor, Ibu Dianursanti dan Ibu Tania yang telah

membimbing penulis selama proses penulisan laporan ini.2. Asisten dosen mata kuliah Perpindahan Kalor, Kak Zainah yang telah

mengarahkan penulis selama proses penulisan laporan ini.

3.

Orang tua penulis yang senantiasa memberikan dukungan selama proses pembuatan

laporan ilmiah ini.

4. Seluruh rekan Teknologi Bioproses UI, seluruh angkatan, serta segala pihak yang telah

membantu penulis.

Penulis menyadari banyaknya kekurangan yang terdapat dalam laporan ilmiah ini.

Oleh karena itu, penulis meminta maaf atas semua kesalahan yang terjadi pada laporan ini.

Penulis juga mengharapkan saran, masukan, dan umpan balik dari para pembaca untuk

tulisan ini. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih atas bantuan dari berbagai pihak

dan berharap semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi para pembaca.

Depok, April 2016

Penulis


3/33

2

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ............................................................................................................ 1

DAFTARISI

........................................................................................................................... 2

DAFTAR TABEL ................................................................................................................... 3

DAFTAR GAMBAR .............................................................................................................. 3

BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................................... 4

1.1. Latar Belakang ......................................................................................................... 4

1.2. Tujuan Pembelajaran ................................................................................................ 4

1.3. Peta Konsep .............................................................................................................. 6

BAB II LANDASAN TEORI ................................................................................................. 7

2.1.

Hukum Newton pada Konveksi ................................................................................ 7

2.2. Pengaruh Gesekan Fluida dengan Perpindahan Kalor .............................................. 7

2.3. Bilangan - Bilangan Tak Berdimensi dalam Perpindahan Kalor Konveksi ............. 8

2.4. Aliran Viscos, Aliran Tidak Viscos ( Inviscid), dan Rejim Aliran ............................ 8

2.5. Tipe - Tipe Perpindahan Panas Konveksi Bebas ...................................................... 9

2.6. Hubungan Empiris pada Aliran di Pipa dan Tabung pada Konveksi Paksa ........... 11

2.7. Aliran Sepanjang Silinder dan Bola ....................................................................... 11

2.8. Heat Exchanger ....................................................................................................... 13

BAB III PEMBAHASAN ..................................................................................................... 15 3.1. Jawaban Tugas Contoh Kasus ................................................................................ 15

3.2. Jawaban Tugas Perhitungan ................................................................................... 18

BAB IV PENUTUP .............................................................................................................. 31

4.1. Kesimpulan ............................................................................................................. 31

DAFTAR PUSTAKA


4/33

3

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Karakteristik Udara pada Tekanan Atmosferik ...................................................... 20

Tabel 2. Rangkuman Relasi Empiris untuk Konveksi Bebas pada Rongga ......................... 21

Tabel 3. Data Tube HE dan Kondensor ................................................................................ 27

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Peta Konsep Perpindahan Kalor Konveksi. .......................................................... 6

Gambar 2. Ilustrasi Aliran pada Plat Datar ............................................................................ 8

Gambar 3. (a) Profil Lapisan Batas, (b) Distribusi Kecepatan pada Aliran Sepanjang

Silinder, dan (c) Pola Umum Aliran Sepanjang Silinder. ..................................................... 12 Gambar 4. Ilustrasi Peletakan Kaleng pada Posisi Horizontal dan Vertikal. ........................ 18

Gambar 5. Ilustrasi Bejana Penyimpan Minyak ................................................................... 19

Gambar 6. Aliran Cross-Flow dan Profil Temperatur .......................................................... 22

Gambar 7. Plot Faktor Koreksi untuk Aliran Single-Pass Cross-Flow Exchanger , Unmixed ............................................................................................................................................... 23

Gambar 8. Efektivitas untuk Cross-Flow Exchanger, Unmixed ........................................... 25

Gambar 9. Grafik Re vs JH pada Tube .................................................................................. 28

Gambar 10. Grafik Re vs JH pada Shell ................................................................................ 29


5/33

4

BAB I

PENDAHULUAN

1.1.

Latar Belakang

Kalor merupakan energi yang berpindah dari suatu zat yang bersuhu tinggi ke

suatu zat yang suhunya lebih rendah. Salah satu cara perpindahan kalor adalah melalui

konveksi. Konveksi merupakan proses perpindahan kalor yang disertai dengan

perpindahan partikelnya. Dalam kehidupan sehari-hari, kita sering menemukan

berbagai peristiwa perpindahan kalor baik itu yang kita sadari maupun tidak. Sebagai

contoh, saat kita memanaskan makanan kaleng dalam air panas diatas kompor,

panas/kalor dari air akan berpindah ke kaleng sehingga makanan didalam menjadi

matang parpindahan panas yang terjadi pada kegiatan tersebut adalah perpindahan

panas secara koveksi.

Perpindahan panas secara konveksi sebenarnya dapat dibagi menjadi 2 yaitu

konveksi paksa dan konveksi alami, namun pada kasus-kasus tertentu, sistem

perpindahan kalor mempunyai kedua cara konveksi tersebut secara bersamaan.

Perpindahan panas secara konveksi ternyata banyak sekali terjadi di dalam kehidupan

manusia, termasuk dalam industri. Heat Exchanger (HE) adalah salah satu aplikasi dari

perpindahan panas konveksi dalam dunia industri. HE adalah suatu sistem yang

direkayasa untuk mendinginkan atau memanaskan aliran fluida dari pipa. Oleh karena

itu, makalah ini akan membahas mengenai perpindahan panas secara konveksi baik

paksa maupun alami serta prinsip kerja HE.

1.2. Tujuan Pembelajaran

Dalam penulisan laporan ini, penulis memiliki beberapa tujuan sebagai berikut:

Mempalajari hukum Newton dan bilangan-bilangan tak berdimensi yang berkaitan

dengan konveksi

Memahami prinsip konveksi, jenis aliran, lapisan batas aliran dan lapisan batas

termal

Menentukan persamaan perpindahan panas konveksi sesuai dengan rejim aliran

pada kasus

Menentukan cara penyelesaian untuk setiap kasus dalam konveksi alami

Menentukan cara penyelesaian untuk setiap kasus dalam konveksi paksa


6/33

5

Mengenalkan rumus-rumus empiris pada panas konveksi paksa pada aliran dalam

pipa dan tabung

Mengenalkan prinsip pada panas konveksi paksa pada aliran melewati bola,

silinder dan dilinder dalam tabung

Mengenalkan cara memecahkan masalah pada sistem HE, meliputi: penentuan

koefisien perpindahan kalor menyeluruh, faktor pengotor dan efisiensi HE

Mengenalkan Jenis-jenis HE

Menyelesaikan masalah pada HE menggunakan pendekatan LMTD dan NTU –

efektivitas


7/33

6

1.3. Peta Konsep

Gambar 1. Peta Konsep Perpindahan Kalor Konveksi.

(Sumber: Dokumen Pribadi)


8/33

7

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1. Hukum Newton pada Konveksi

Penentuan laju perpindahan kalor konveksi menggunakan Hukum Newton

tentang Pendinginan:

̇ = ℎ ∞ Dari persamaan tersebut dapat disimpulkan bahwa perpindahan kalor konveksi

bergantung pada h (koefisien perpindahan kalor konveksi), A (luas permukaan

penampang), dan gradien suhu antara dinding dan fluida. Koefisien perpindahan kalor

konveksi (h) sering juga disebut konduktansi lapisan ( film conductance) karena

berhubungan dengan proses konduksi pada lapisan fluida tipis stasioner pada

permukaan dinding.

2.2. Pengaruh Gesekan Fluida dengan Perpindahan Kalor

Gaya gesek pada dinding dapat dirumuskan dengan menggunakan koefisien

gesek Cf:

= Metode lain untuk menentukan gaya gesek pada dinding adalah dengan

menggunakan hukum Fourier, distribusi kecepatan dan ketebalan lapisan batas:

= , ⁄

Dengan menggabungkan dua persamaan tersebut, akan didapatkan persamaan

ketiga dengan solusi eksaknya pada persamaan keempat. Persamaan ketiga dapat ditulis

ulang dalam bentuk persamaan kelima, di mana suku di sebelah kiri adalah bilangan

Stanton. Penulisan ulang dari persamaan kelima adalah persamaan keenam yang

disebut analogi Reynolds-Colburn (hubungan antara gesekan fluida dan perpindahan

kalor untuk aliran laminar pada plat datar).

= ,

⁄ = 0,323 −/

= 0,332 −/

=

= 0,332

−/

−/

⁄ = 0,332 / =


9/33

8

2.3. Bilangan - Bilangan Tak Berdimensi dalam Perpindahan Kalor Konveksi

a. Bilangan Reynold (Re)

Bilangan ini menunjukkan jenis suatu aliran (laminar/transisi/turbulen).

Re = ρxμ b. Bilangan Prandtl (Pr)

Bilangan ini memberikan hasil pengukuran dari efektivitas relatif dari

perpindahan energi dan momentum melalui difusi masing-masing pada lapisan batas

termal dan kecepatan.

Pr = Cμk = vα c. Bilangan Nusselt (Nu)

Bilangan ini setara dengan gradien temperatur tak berdimensi pada

permukaan yang menunjukkan ukuran perpindahan kalor konveksi pada permukaan:

Nu = hLk d. Bilangan Stanton (St)

Bilangan ini menunjukkan rasio antara kalor yang ditransfer pada fluida

dengan kapasitas kalor fluida.

St = . e. Bilangan Grashof (Gr)

Bilangan ini menunjukkan perbandingan antara gaya apung dengan gaya

viskos pada aliran konveksi alami.

G = gβw−xv 2.4. Aliran Viscos, Aliran Tidak Viscos ( Inviscid), dan Rejim Aliran

Gambar 2. Ilustrasi Aliran pada Plat Datar

(Sumber: Holman, 2009)


10/33

9

Berawal dari leading edge (pada gambar merupakan ujung plat sebelah kiri),

rejim aliran terbentuk pada lokasi di mana gaya viskos terasa. Gaya viskos

dideskripsikan sebagai = , dengan μ adalah koefisien viskositas dinamik. Rejimaliran yang terbentuk dari ujung plat di mana efek viskositas teramati disebut lapisan

batas (boundary layer ). Transisi dari aliran laminar ke turbulen terjadi saat

∞ =∞ > 5 × 1 0

di mana u∞ adalah kecepatan aliran bebas (m/s), x adalah jarak dari ujung plat

(m), dan v adalah viskositas kinematik (m2/s). Lebih lanjut, persamaan di atas dapat

dinyatakan dengan bilangan Reynold

untuk aliran pada pipa, bilangan Reynold dapat dinyatakan dengan

untuk aliran turbulen. Namun, terdapat rentang umum bilangan Reynold yaitu

untuk aliran transisi. Biasanya jika bilangan Reynold nilainya dibawah 2000

maka aliran akan laminar.

2.5. Tipe - Tipe Perpindahan Panas Konveksi Bebas

Konveksi Bebas pada Plat Rata Vertikal

Pada dinding, kecepatan fluida adalah nol karena terdapat kondisi gelincir (no

slip), kecepatan itu bertambah terus sampai mencapai nilai maksimum dan kemudian

menurun lagi hingga nol pada tepi lapisan batas. Untuk menganalisisnya, dibuat

persamaan diferensial gerakan lapisan batas itu dengan gaya bobot, yaitu –ρg , dengan

persamaan :

2

2

y

ug

x

p

y

uv

x

uu

dengan g

x

p

. Lalu perbedaan densitas diperoleh dengan ( ρ∞- ρ) = βρ(T -T ∞).


11/33

10

Konveksi Bebas pada Bidang dan Silinder Vertikal

Kriteria umum ialah bahwa silinder vertikal dapat ditangani sebagai plat rata

vertikal apabila

di mana D ialah diameter silinder. Untuk permukaan isotermal, nilai untuk

konstanta-konstanta tsb diberikan pada Lampiran 3. Terdapat indikasi dari usaha

analitis Bayley, dan dari perhitungan fluks kalor referensi 22 bahwa rumus berikut

lebih baik

Koefisien perpindahan-kalor rata-rata untuk kasus fluks-kalor tetap tidak dapat

dievaluasi. Untuk daerah laminar, dengan menggunakan persamaan dibawah ini untuk

mengevaluasi hx:

Persamaan untuk kasus fluks-kalor-tetap jika angka Nusselt rata-rata didasarkan

atas fluks kalor dinding dan beda suhu pada pusat plat (x = L/2) hasilnya adalah :

dimana

Konveksi Bebas dari Silinder Horizontal

Persamaan yang lebih rumit, yang dapat digunakan untuk rentang Gr Pr yang

luas, diberikan oleh Churchill dan Chu:

Persamaan yang lebih sederhana juga terdapat pada rujukan 70, tetapi berlaku

hanya pada aliran laminar dari 10-6 < Gr d Pr < 109 :

Sifat-sifat dalam persamaan tersebut ditentukan pada suhu film. Perpindahan

kalor dari silinder horizontal ke logam cair dapat dihitung menurut


12/33

11

Konveksi Bebas dari Plat Horizontal

Koefisien perpindahan-kalor rata-rata dari plat-rata horizontal dihitung dengan

Persamaan memakai konstanta yang diberikan pada Tabel 7. Kesesuaian dengan data

percobaan bisa dicapai bila dimensi karakteristik dihitung dari

di mana A adalah luas, dan P merupakan wetter perimeter permukaan itu. Dimensi

karakteristik ini juga berlaku untuk bidang berbentuk tak simetri.

Fluks kalor tetap pada plat horizontal. Untuk permukaan yang dipanaskan

menghadap keatas, maka

Angka Nusselt dibentuk oleh

Konveksi Bebas dari Permukaan Miring

Untuk plat miring menghadap kebawah dengan fluks kalor hampir tetap, didapatkan

korelasi berikut untuk angka Nusselt rata-rata

2.6. Hubungan Empiris pada Aliran di Pipa dan Tabung pada Konveksi Paksa

Untuk sistem seperti diatas, total energi yang ditambahkan ke dalam sistem

dengan melihat perbedaan temperatur bulk adalah: dengan konstan di semua titik didalam pipa.

Besar perubahan q dalam setiap perubahan posisi x dapat diketahui juga melalui

Hal yang menjadi masalah pada aliran konveksi pada tabung, adalah mencari

nilai h (koefisien perpindahan panas konveksi).

2.7. Aliran Sepanjang Silinder dan Bola

Perpindahan kalor yang terjadi pada aliran di bagian luar silinder juga tak kalah pentingnya dibandingkan aliran dalam silinder dan plat datar. Jika lapisan batas pada


13/33

12

silinder ini tetap laminar dan stabil maka perhitungan perpindahan kalor dapat

dilakukan dengan cara seperti yang telah dibahas sebelumnya. Gradien tekanan perlu

diperhitungkan, karena dapat membentuk daerah aliran terpisah yang mengarah ke arah

sebaliknya saat kecepatan aliran bebas (

∞) cukup besar.

Gambar 3. (a) Profil Lapisan Batas, (b) Distribusi Kecepatan pada Aliran Sepanjang Silinder, dan (c)

Pola Umum Aliran Sepanjang Silinder.

(Sumber: Holman, 2010 dan Cengel)

Hal ini sesuai dengan teori lapisan batas, tekanan yang melalui lapisan batas bernilai konstan pada posisi x manapun (diukur dari titik diam/stagnation point seperti

pada Gambar 1c). Saat aliran terbentuk melewati silinder, tekanan pada lapisan batas

akan mengikuti aliran. Saat mencapai bagian depan silinder, tekanan akan berkurang

dan meningkat ke arah sebaliknya. Perubahan tekanan ini akan menyebabkan

kecepatan pada sisi depan lebih besar daripada sisi belakang, membentuk aliran balik

(terjadi di permukaan-lapisan batas) yang menurunkan kecepatan aliran bebas (pada

dinding - lapisan batas).

Dengan mengasumsikan tekanan konstan sepanjang lapisan batas, pembentukan

aliran balik terjadi pada lapisan batas yang dekat dengan permukaan (karena

momentum lapisan fluida dekat permukaan tidak cukup untuk melawan kenaikan

tekanan). Daerah ini disebut titik pemisahan (Gambar 1b; daerah di mana gradien

kecepatan pada permukaan = 0):

Pembentukan aliran balik ini menyebabkan adanya gaya tarik/drag force pada

bagian depan silinder. Gaya tarik pada silinder adalah akibat dari gabungan tahanan


14/33

13

gesekan ( frictional resistance) dan tarikan tekanan ( pressure drag), menyebabkan

daerah bertekanan rendah pada bagian belakang silinder akibat pemisahan aliran.

2.8. Heat Exchanger

Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh dan Jenis – Jenis Heat Exchanger

Biasanya heat exchanger (HE) berbentuk pipa, maka perpindahan kalor

menyeluruh dapat dinyatakan dengan

dengan r 0 adalah jari-jari dalam pipa dan r i adalah jari-jari luar pipa. Sedangkan

koefisien perpindahan kalor menyeluruh dinyatakan sebagai (subskrip i menunjukkan

sisi dalam dan o menunjukkan sisi luar dari pipa yang lebih kecil):

HE terdiri dari berbagai macam jenis, namun yang umum digunakan di industriadalah jenis shell and tube dan cross-flow. Jika pada shell and tube, aliran dua jenis

fluida akan paralel satu dengan yang lainnya, sedangkan pada cross-flow, aliran fluida

yang satu akan tegak lurus dengan aliran fluida yang lain. Pada shell and tube, fluida

mengalir di dalam tabung dalam, sedangkan fluida lain dipaksa untuk mengalir di

bagian shell dan di sisi luar tabung dalam. Sedangkan untuk cross-flow, gas dipaksa

untuk mengalir melewati selongsong tabung (tube bundles) dan fluida lain digunakan

di dalam tabung untuk keperluan pemanasan atau pendinginan. Gas yang mengalir

melewati tabung disebut aliran bercampur (mixed stream) sedangkan fluida yang ada

dalam tabung disebut unmixed stream. Berikut merupakan ilustrasi dan skema jenis

shell and tube dan cross-flow.

Faktor Penggagal dalam HE ( Fouling Factor)

Alat penukar kalor yang telah dipakai beberapa lama sering menimbulkan kerak

atau lapisan tambahan tahanan terhadap aliran kalor yang disebut pengotor. Pengaruh

menyeluruh dari pengotor dinyatakan dengan faktor pengotoran (R f )


15/33

14

Rf = oo bsi

Pendekatan LMTD

Dalam menganalisis perpindahan panas pada alat penukar kalor (heat exchanger )

dalam aliran sejajar maupun aliran lawan arah, dapat dilakukan dengan metode LMTD.

Metode ini cocok digunakan dalam mendesain heat exchanger . Namun, metode ini

digunakan bila temperatur fluida masuk dan temperatur fluida keluar dapat diketahui

nilainya sehingga nilai dari ∆Tmdapat ditentukan. Secara umum, persamaan yangdigunakan dalam menentukan besarnya perpindahan panas dalam metode LMTD

adalah :

q = U . A . ∆ Tm dimana nilai dari ∆Tm, yaitu :Tm = − c−− c( c) c

Jika suatu penukar kalor yang bukan jenis pipa ganda digunakan, perpindahan

kalor dihitung dengan menerapkan faktor koreksi terhadap LMTD. Bentuk persamaan

perpindahan kalor menjadi :

q = U . A . F . ∆ Tm

Pendekatan NTU-Efektifitas

Jika dalam suatu alat penukar kalor hanya temperatur fluida masuk atau fluida

keluar yang diketahui, penggunaan metode LMTD menjadi tidak praktis. Oleh karena

itu, lebih baik menggunakan metode lain, yaitu dengan metode effectiveness-NTU ( – NTU method ). Metode ini cocok digunakan untuk analisis performa dari suatu heat

exchanger . Nilai dari UA/C disebut dengan jumlah satuan perpindahan ( Number of

Transfer Unit = NTU). Persamaan yang digunakan dalam menentukan efektivitas

adalah

Untuk Parallel Flow (jika fluida dingin merupakan fluida minimum)

= −xp[−

+]

+

Untuk Counter Flow (jika fluida dingin merupakan fluida minimum)

= −xp[−

+

]+ xp[−

−]


16/33

15

BAB III

PEMBAHASAN

3.1. Jawaban Tugas Contoh Kasus

Apakah membangun unit refrigerasi yang lebih besar akan menyelesaikan masalah?

Jawab:

Pada kasus ini, pembahasan utamanya adalah optimasi heat exchanger. Optimasi

heat exchanger melibatkan banyak kriteria yang akan menjadi landasan untuk

mendesain suatu heat exchanger. Kriteria ini meliputi biaya awal minimum, biaya awal

dan biaya operasi minimum, berat atau bahan minimum, volume atau panas area

perpindahan permukaan minimum, daerah frontal minimal, jumlah bagian minimum,dan sebagainya. Sebuah desain heat exchanger terdapat persyaratan tertentu, seperti

transfer panas yang dibutuhkan, penurunan tekanan yang diizinkan, pembatasan tinggi,

lebar dan / atau panjang exchanger, dan sebagainya. Dalam hal ini, persyaratan menjadi

masalah optimasi.

Jika telah ditentukan ukuran maksimum dari suatu heat exchanger , maka hal

tersebut adalah batas atas (upper limit ), di mana terdapat dua batas dari penentuan

karakteristik dimensi heat exchanger , yaitu batas atas (upper limit ) dan batas bawah

(lower limit ). Di luar batas tersebut, heat exchanger tidak bekerja sebagaimana

mestinya, bahkan dapat menyebabkan kerusakan pada heat exchanger . Kerusakan

dapat terjadi karena dalam penentuan batas atas dari besar (diameter dan panjang) heat

exchanger , variabel penurunan tekanan ( pressure drop) juga akan dipengaruhi.

Pada soal, ditanyakan apakah dengan membangun heat exchanger yang lebih

besar akan mengoptimalkan pendinginan fluida. Berikut ini merupakan sebab-akibat

membangun heat exchanger yang lebih besar dengan beberapa faktor.

Dengan membangun unit refrigerasi (heat exchanger ) yang lebih besar, maka

luas kontak antara fluida dingin (B) dengan fluida panas (A), akan semakin besar.

Akibatnya, nilai koefisien perpindahan kalor secara menyeluruh menjadi lebih besar.

Namun, luas kontak antara fluida panas dan dingin ini dibatasi oleh ukuran dari heat

exchanger . Apabila kita memperbesar ukuran heat exchanger maka, akan memerlukan

biaya tambahan.

Selain itu, dengan membangun unit refrigerasi (heat exchanger ) yang lebih besar,

maka faktor pengotor juga akan semakin meningkat. Faktor pengotor akan membuat


17/33

16

aliran panas akan terhambat. Dengan meningkatnya nilai faktor pengotor, maka aliran

panas dari fluida panas ke fluida dingin mengalami hambatan yang semakin besar

seiring membesarnya nilai faktor pengotor.

Faktor lain yang mempengaruhi efektifitas dari heat exchanger adalah nilai

koefisien perpindahan panas menyeluruh U, yang merupakan kombinasi dari beberapa

parameter seperti koefisien perpindahan panas konveksi fluida kerja yang mengalir di

dalam dan di luar pipa h, konduktivitas termal bahan K, tahanan termal pengotor atau

lapisan fouling yang mungkin terbentuk di permukaan di dalam dan di luar pipa Rf.

1 =

1ℎ

1

ℎ ln 2

Lapisan fouling biasanya akan terbentuk pada permukaan perpindahan panas

beberapa lama setelah alat tersebut dioperasikan. Fouling yang terbentuk umumnya

mempunyai konduktivitas termal yang cukup rendah sehingga akan mengakibatkan

menurunkan besarnya koefisien global perpindahan panas di dalam heat exchanger ,

akibatnya laju pertukaran energi panas di dalam APK menjadi lebih rendah dan

efektifitas perpindahan panas di dalam heat exchanger pun menurun. Dalam keadaan

yang ekstrim, fouling yang terbentuk dapat meningkatkan kerugian tekanan.

Akumulasi fouling pada permukaan heat exchanger dapat menimbulkan

kenaikan pressure drop (penurunan tekanan). Hal tersebut disebabkan karena lapisan

fouling mempengaruhi laju alir kecepatan fluidanya, sehingga fluida tidak dialirkan

secara sempurna. Pada heat exchanger , penurunan tekanan berpengaruh pada tabung

atau pipa yang ada di alat tersebut. Apabila kita asumsikan, laju alir fluida diperbesar

seiring bertambahnya ukuran heat exchanger , maka dengan meningkatkan laju alir

fluida panas maupun dingin akan memperbesar nilai koefisien perpindahan panas

secara menyeluruh. Namun, apabila laju alir fluida terlalu tinggi, maka akan

mengakibatkan pressure drop antara inlet dan outlet pada heat exchanger akan

semakin tinggi pula, sehingga akan menyebabkan adanya biaya tambahan untuk

pumping fluida yang masuk ke dalam heat exchanger . Pressure drop ini juga dapat

menyebabkan perubahan faktor gesek ( friction factor ). Perubahan faktor friksi ini

mengakibatkan berubahnya angka Reynold dan angka Nusselt, sehingga nilai

koefisien perpindahan kalor konveksinya berubah dan koefisien perpindahan kalor

menyeluruh pun akan ikut berubah. Penurunan tekanan disebabkan oleh adanya gaya

gesek antara fluida yang mengalir dengan dinding tabung/pipa. Penurunan tekanan ini

mempengaruhi kecepatan aliran, profil aliran dan juga berkaitan dengan friction loss.


18/33

17

Hal inilah yang menyebabkan kinerja kerja alat menurun akibat efisiensi hasil yang

didapat menurun karena aliran tidak berjalan dengan sempurna.

Kita asumsikan bahwa apabila ukuran heat exchanger diperbesar, maka

diameter tube yang dilalui oleh fluida panas dan dingin akan membesar. Apabila laju

alir fluida pada heat exchanger yang tersedia sama dengan heat exchanger yang

diperbesar ukurannya, maka hal ini akan menyebabkan bilangan Reynold yang

semakin kecil atau tingkat turbulen yang dimiliki aliran fluida panas maupun dingin

akan berkurang seiring dengan bertambahnya ukuran diameter tube. Apabila bilangan

reynoldnya berkurang hingga mencapai zona aliran laminar, maka aliran laminar

tersebut akan menjadi tahanan termal, sehingga perpindahan panas yang terjadi antara

fluida panas dan dingin menjadi berkurang.

Untuk mengoptimalkan pendinginan, dapat digunakan perpindahan kalor secara

augmentasi. Ketika menggunakan tabung paduan tinggi di penukar panas (baja tahan

karat, titanium, paduan nikel, baja stainless dupleks, dll), menerapkan augmentasi

dengan tepat dapat sangat signifikan mengurangi biaya yang dibutuhkan. augmentasi

mungkin tidak hanya mengurangi biaya pipa, tetapi juga ukuran dari kepala dan

tubesheets (diameter lebih kecil, ketebalan dinding yang lebih kecil, lebih sedikit

lubang tabung untuk dibor, dll).

Ada banyak keuntungan termal dengan memanfaatkan augmentasi. Bagi banyak

peningkatan kecil untuk kapasitas produksi (10 sampai 30%), pembelian dan

pemasangan penukar yang baru tidak dapat efektif secara ekonomi. Namun, ketika

penukar panas adalah "bottleneck " dari unit operasi, maka augmentasi dapat menjadi

solusi yang tepat. Kelebihan utama dari memperkenalkan augmentasi adalah

kemungkinan substansial meningkatkan thermal duty untuk memenuhi kebutuhan

kondisi proses baru atau tujuan produksi. Hal ini dapat dicapai baik oleh:

1.

Instalasi bahan yang dapat dilepas di dalam tabung,

2.

Mengganti tabung bundel yang dapat dilepas dengan tabung bundel baru dengan

performa yang ditingkatkan,

3. Mengganti penukar panas dengan penukar panas tabung baru dengan performa

yang ditingkatkan dengan ukuran yang sama atau lebih kecil.

Dua cara pertama ini dapat diselesaikan tanpa modifikasi pada penukar panas

sendiri sementara ketiga dapat dilaksanakan tanpa perubahan pada koneksi pipa asli

dan untuk mendukung nya. Oleh karena itu, cara ini memiliki manfaat karenamemiliki efek minimal pada jadwal operasi dari pabrik produksi.


19/33

18

3.2. Jawaban Tugas Perhitungan

Nomor 1

Minuman kaleng berukuran panjang 150mm, diameter 60mm dengan suhu 27°C

akan didinginkan dengan meletakkannya di dalam lemari pendingin pada suhu

4°C. Untuuk memaksimalkan laju pendinginan, apakah sebaiknya kaleng minuman

tersebut diletakkan secara horizontal atau vertikal?

Jawab:

Gambar 4. Ilustrasi Peletakan Kaleng pada Posisi Horizontal dan Vertikal.


Asumsi:

Di dalam lemari pendingin, udara dialirkan dengan kecepatan 1 / Tidak ada konduksi pada dinding tabung yang menyentuh dinding pendingin

Suhu diketahui 4°C adalah suhu pada bagian terluar kaleng

Kita mencari sifat-sifat lapisan batas kaleng:

= 2 7 42 = 15,5 ℃ = 288,5 =0,02533/℃

= =1,7893×10−

1,2315 =1.4529×10−/

=1,005608 /℃ = =1005,608×1,7893×10−

0,02533 =0,71035 Berdasarkan diameter kaleng, kira mencari Reynolds:

= ∞ =1/0,15

1.4529×10−/ =10324,18

= × ∞

/

u

u


20/33

19

Berdasarkan Tabel 6-2 (Holman, Heat Transfer 10th Edition), C = 0,193 n = 0,618,

sehingga:

= 0, 193× ∞

,/ =29,558

ℎ = =29,558 0,025330,06 = 124,784 /℃ Silinder diletakan vertikal, berarti bidang bawah hilang sehingga:

A = A tutup +A selimut = 0,0678 = ℎ ∞ = 124,7840,06782 7 4 =194,588 W

Silinder diletakan horizontal, maka bagian yang hilang adalah sepanjang L silinder

dengan lebar sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Sehingga:

A = 2A tutup + A selimut = 0,0792 = ℎ ∞ = 124,7840,07922 7 4 =227,306 W Karena laju kehilangan kalor dari silinder yang diletakan horizontal lebih besar

dibandingkan dengan yang diletakan vertikal, maka meletakkannya horizontal akan

memaksimalkan laju pendinginan.

Nomor 2

Sebuah bejana besar digunakan untuk menyimpan minyak panas dengan suhu 400 o F. Di sekeliling bejana dipasang selongsong yang didinginkan hingga suhu

140 o F. Ruang udara yang memisahkan tong dengan selongsong yang

mengelilinginya berukuran tinggi 35 cm dan tebal 3 cm. Ilustrasikan sistem diatas!

Perkirakan laju konveksi bebas per-meter persegi luas permukaan!

Jawab:

Gambar 5. Ilustrasi Bejana Penyimpan Minyak


Minyak

panas,

T∞

Udara,

Tw

L

δ


21/33

20

T∞ = 400oF = 477,59 K Tw = 140

oF = 333,15 K

L = 0,35 m δ = 0,03 m

Asumsi:

- Steady-state

- Bejana berada pada posisi vertikal dan tertutup

-

Konveksi bebas

- Geometri ruang yang ditempati udara (annulus/rongga pipa vertikal) menyerupai

plat vertikal

- Permukaan bejana isothermal

- Tekanan atmosferik

Laju konveksi bebas per-meter persegi luas permukaan dapat dihitung dengan rumus

= ∞ Maka nilai k e harus diketahui terlebih dahulu dengan

=

dimana = − . Maka langkah pertama yang harus kita lakukan adalahmenghitung suhu film:

= ∞2 = 477,59333,152 = 405,37 β =

=

, =0,00247−

Suhu tersebut digunakan untuk menentukan nilai v, k, dan Pr dari udara dengan

menggunakan Tabel 1 (Appendix A Holman, 2010).

Tabel 1. Karakteristik Udara pada Tekanan Atmosferik



22/33

21

Maka diperoleh:

Nilai k

405,37400

450400= 0,03365

0,037070,03365

k = 0,034 W/mK

Nilai v

405,37400450400 =

25,9031,7125,90

v = 26,52 × 10-6 kg/m3

Nilai Pr

405,37400

450400 =

0,689

0,6830,689

Pr = 0,6884

Sehingga:

= ∞

= 9,810,00247477,59333,150,03

26,52×10− 0,6884 =92493,46

Dengan merujuk pada Tabel 2 (Tabel 7-3 Holman, 2010), maka kita dapat

menentukan nilai parameter lainnya yaitu:

Tabel 2. Rangkuman Relasi Empiris untuk Konveksi Bebas pada Rongga


C = 0,197 n = 1/4 m = -1/9


23/33

22

Sehingga:

= = 0,0340,19792493,46 ⁄ 0,350,03

− ⁄ =0,0889

= ∞ = 0,0889 477,59333,150,03 =428,02 Maka, laju konveksi bebas per-meter persegi luas permukaan adalah 428,02 W/m2.

Nomor 3

Gas panas dialirkan dalam tabung bersirip pada alat penukar kalor aliran silang,

untuk memanaskan 2.5 kg/det air dari suhu 35°C menjadi 85°C. Gas panas tersebut(cp = 1.09 kJ/kg.°C) masuk pada suhu 200°C dan keluar pada 93°C. Koefisien

perpindahan kalor menyeluruh sebesar 180 W/m 2 .°C. Hitunglah luas area perpindahan kalor dengan menggunakan pendekatan : (a) LMTD, dan (b) NTU-

Efektivitas.

Diketahui :

̇ = 2.5 kg/s Tc1 = 35°C Tc2 = 85°C cp = 1.09 kJ/kg.°CTh1 = 200°C Th2 = 93°C U = 180 W/m2.°C

Jawab:

(a) Mencari nilai luas area perpindahan kalor dengan pendekatan LMTD

Asumsi:

o Yang digunakan adalah Heat Exchanger Aliran Silang

o Kedua fluida (Air dan Gas) pada Heat Exchanger tidak bercampur

Gambar 6. Aliran Cross-Flow dan Profil Temperatur

(Sumber: http://eprints.undip.ac.id/41578/3/BAB_II.pdf)

Metode LMTD

Pada dasarnya, proses transfer kalor pada Heat Exchanger berlaku:

Qditerima = Qdilepas


24/33

23

Dimana, nilai perpindahan kalor yang ditransfer sebesar

= ̇ ∆ = 2 , 5

4180

85 35

=522500 . Dalam metode LMTD ini q juga dapat diukur dengan persamaan berikut, dimana

dapat dipakai untuk menentukan luas Heat Exchanger

= . . . ∆ Mencari Nilai ∆

∆ =

ln /

∆ = 20085 9335ln 2008593 35

∆ = 57ln1,98 =83,2Mencari nilai F (faktor koreksi), dengan menggunakan grafik factor koreksi untuk

Heat Exchanger Aliran Silang sekali lintas, kedua fluida tak campur.

Gambar 7. Plot Faktor Koreksi untuk Aliran Single-Pass Cross-Flow Exchanger, Unmixed


Untuk mencari nilai F dari grafik, maka harus menghubungkan korelasinya dengan P

dan R:

= 21ℎ21 = 85 3520035 =0,3


25/33

24

= ℎ2ℎ121 =200938 5 3 5 =2,14

Sehingga didapatkan F = 0.93. Untuk mencari nilai A, pakai persamaan diatas yaitu

= . . . ∆ = ..∆

= 522500180 0,93 83,2 = ,

Metode NTU- Efektivitas

Mencari laju alir massa gas

Qditerima = Qdilepas

̇ ∆ = ̇ ∆ ̇ = ̇ ∆ ∆

̇ = 2,5 .4180 . 85 351090 . 200 93 ̇ = 4,48

Mencari nilai laju kapasitas kalor

= ̇ =2,5 .4180=10450 ℃ = ̇ = 4,48 .1090 = 4883,2 ℃

Diketahui bahwa < , maka gas yang memiliki laju kapasitas merupakanfluida minimum. Sehingga

= =4883,210450

=0,467 Nilai efektivitas untuk system ini akibat fluida panas yang merupakan fluida

minimum :

∈ = ∆ ℎ∆ =

∈= 2009320035 ∈=0,648

Selanjutnya untuk mencari nilai A, maka digunakan persamaan NTU yang didapatkan

nilainya dengan pendekatan grafik.


26/33

25

= Grafik yang digunakan merupakan grafik efektivitas untuk Heat Exchanger aliran

silang pada fluida tak campur.

Gambar 8. Efektivitas untuk Cross-Flow Exchanger, Unmixed


Dimana nilai NTU max yang didapat dari pendekatan tersebut adalah :

=1,4 Maka nilai luas Heat Exchanger adalah

=

= . = 1,4 . 4883,2 /℃180 ℃

= ,

Nomor 475.000 lb/jam etilen glikol dipanaskan dari suhu 1000 F menjadi 2000 F

menggunakan uap pada suhu 2500 F. Untuk tujuan tersebut, telah disediakan HE

1-2 dengan diameter dalam 17,25 inch. HE tersebut memiliki 224 tabung jenis 14

BWG dengan diameter luar tabung 0,75 inch dan panjang 16’0’’. Tabung disusun

dengan susunan triangular pitch 15/16 inch dan jarak antar baffles 7 inch. Berapa

faktor pengotor dari HE tersebut?

Jawab :


27/33

26

Misalkan subskrip 1 digunakan untuk etilen glikol dan subskrip 2 digunakan untuk

uap air.

Etilen glikol merupakan fluida yang akan dinaikkan suhunya (cold fluid ), maka

etilen glikol mengalir pada tube sedangkan uap air mengalir pada shell sebagai hot

fluid .

Uap air diasumsikan mempunyai sifat termal yang sama dengan air untuk

mempermudah penentuan nilai viskositas.

Kalor yang dilepas oleh uap air tidak membuat uap air turun temperaturnya, namun

hanya mengubah fasa dari uap menjadi cair.

Mengasumsikan juga bahwa tidak ada perpindahan kalor dari sistem ke lingkungan.

Diketahui :m etilen glikol = 75.000 lb/jam

T1 in = 1000F

T1 out = 2000F

T2 in = T2 out = 2500F

Spesifikasi HE :

Inner Diameter (ID) shell = 17,25 inch

Outer Diameter (OD) tube = 0,75 inch

Jumlah tube (Nt) = 224

Jenis tube 14 BWG

Pitch tube 15/16 inch

Panjang tube (L) = 16 ft

Jarak baffles = 7 inch

Pass tube side = 2

Pass shell side = 1

Untuk menentukan faktor pengotor (R f ), langkah – langkah yang dilakukan adalah

sebagai berikut.

a. Menentukan massa uap air yang masuk

Menggunakan asas Black,

ℎ = ℎ × = × × ∆

×900 =75.000 ×0,63 × 200 100


28/33

27

=5.250 b.

Menghitung ΔTm menggunakan LTMD

∆ =∆−∆

∆−∆

∆ = ln ∆ = −−−−−−

= 91, 02 ℉ c. Menghitung hio pada tube (aliran etilen glikol) dan ho untuk menentukan koefisien

perpindahan kalor menyeluruh untuk keadaan bersih (U bersih)

Menentukan hio. Diketahui dari Tabel 10 buku Kern, at’ = 0,268 in2 dan karena

OD tube = 0,75 dan 14 BWG, maka ID tube = 0, 584 in.

= × × dengan = ×′ . = ×,

× = 0,2084

Setelah memperoleh at kita dapat mencari Gt

Tabel 3. Data Tube HE dan Kondensor

(Sumber: Kern, 1950)

= = . /, = 25.191,94 . =302.303,28 .


29/33

28

= , ×.,

., ×, .

=470847,44 (aliran turbulen).Berdasarkan nilai Re yang didapat, kita dapat menentukan JH dengan

menggunakan grafik berikut.

Gambar 9. Grafik Re vs JH pada Tube


Didapatkan JH (sumbu y) sebesar 800.

Memasukkan nilai JH ke rumus

ℎ = × × × / =800 × , ×0,63 ℉ × 10 × 0,055 × 10− ./ =

96,22 .℉ =13.855 .℉ ℎ = ℎ ×

=13.855

℉ × 0,04867

0,0625 =10.789

. ℉

Mencari ho pada shell (uap air)

Tube pitch adalah penjumlahan dari diameter tube dan jarak antar tube (C’).

C’ = pitch – ODtube = (15/16) – ¾ = 0,1875 in.

as merupakan luas penampang yang tegak lurus arah aliran pada shell.

= ... = , ×, × × =0,1677

=

=.

, =447,209

.


30/33

29

viskositas (μ) air pada 2500F = 394,3 K = 0,2381 x 10-3 kg/m.s = 575,98 x 10-3

lb/ft.jam (dari Appendix A2-11 buku Geankoplis)

=.

=

1,4375 .447,209 .575,98 ×10− . =1116,12

Nilai JH kemudian dapat ditentukan dari nilai Re yang didapat dengan bantuan

grafik berikut.

Gambar 10. Grafik Re vs JH pada Shell


Didapatkan JH sebesar 17. Memasukkan nilai JH yang didapat ke dalam rumus

ℎ = × × .

= 1 7 × , ×900 .575,98 ×10− .

= 95 .℉ Uclean =

.+ = .+ =94,17 .℉.

d.

Menghitung Faktor Pengotor

Menghitung Utotal

a’’ = 0,1963 ft2 menunjukkan surface per lin ft (ft2), outside.


31/33

30

A = N.L.a’’ = 224. 16’’0’.0,1963 ft2 = 703,54 ft2

Udirt =

.∆ =..

, .,℉ = 73,79 Btu/jam.ft2.0F

Rf =−. =

,−,,., =

, ..℉

Jadi, faktor pengotor adalah sebesar 0,00293 jam.ft2.0F/ Btu.


32/33

31

BAB IV

PENUTUP

4.1. Kesimpulan

Perpindahan panas secara konveksi terbagi menjadi 2 jenis berdasarkan penyebab

terjadinya konveksi, yaitu konveksi alamiah dan konveksi paksa. Konveksi alami

terjadi karena perubahan densitas dari fluida yang mengalami pemanasan sehingga

fluida akan bergerak naik. Konveksi paksa yaitu perpindahan panas dimana fluida

mengalami gaya dorong oleh permukaan perpindahan kalor.

Besar laju perpindahan panas secara konveksi dipengaruhi oleh koefisien

konveksi, luas permukaan dari benda yang bersinggungan dengan fluida, dan

perbedaan suhu antara benda dan fluida. Nilai koefisien konveksi dipengaruhi oleh

beberapa faktor, yaitu viskositas fluida, kecepatan fluida, perbedaan suhu antara benda

dan fluida, kapasitas panas fluida, dan densitas fluida. Nilai koefisien konveksi dapat

dicari dengan menggunakan bilangan Nusselt (Nu) yang merupakan fungsi dari

bilangan Prandtl (Pr) dan atau bilangan Grashof (Gr).

Perpindahan panas secara konveksi banyak diterapkan dalam merancang alat-alat

yang digunakan dalam pabrik, salah satu alat yang sangat berkaitan dengan prinsip perpindahan panas secara konveksi yaitu heat exchanger . Heat exchanger digunakan

untuk proses perpindahan kalor antara aliran panas dan aliran dingin.


33/33

DAFTAR PUSTAKA

Anonim. 2015. Convection Heat Transfer. Tersedia di:

http://higheredbcs.wiley.com/legacy/college/kaminski/0471268739/addtl_content/ch1

2.pdf diakses pada: 14 April 2016

Anonim. 2016. Entry Flow in a Duct. Tersedia di:

http://nptel.ac.in/courses/112104118/lecture-31/31-1_entry_flow.htm. Diakses pada:

21/04/16

Anonim. BAB II Dasar Teori. http://eprints.undip.ac.id/41163/3/BAB_II.pdf. (Diakses pada

23 April 2016)

Anonim. Proses terjadinya angin darat dan laut. 2013. http://fisikazone.com/perpindahan-

kalor-kelas-10/proses-terjadinya-angin-darat-dan-laut/ (Diakses pada 23 April 2016)Cengel, Y.A. Heat Transfer . Edisi Kedua. New York: McGraw-Hill Companies, Inc.

D.Q. Kern, 1950. Process Heat Transfer . International edition Edition. McGraw-Hill

Education (ISE Editions).

Faghri, Amir, dkk. 2016. Natural Convection in Enclosures. Tersedia di:

http://www.thermalfluidscentral.org/e-resources/download.php?id=57. Diakses pada:

14 April 2016

Holman, Jack P. 2010. Heat Transfer 10th Edition. McGraw-Hill Companies, Inc. New

York

Holman, Jack P. (2002). Heat Transfer, 10th ed. New York: McGraw-Hill International

Incropera, F.P., dan Dewitt, D.P.2002. Fundamental of Heat and Mass Transfer . New

York: John Wiley & Sons.

Kreith, Frank. 1997. Prinsip-prinsip Perpindahan Panas. Edisi 3. Jakarta: Erlangga

Kern, D.Q. 1965. Process Heat Transfer . New York: McGraw Hill Book Company Inc

Pitts, Donald R dan Leighton E. Sissom. 1987. Teori dan Soal-Soal Perpindahan Kalor .

Jakarta: Erlangga

Wibawa, I. 2012. Heat Exchanger [ONLINE] Diakses pada 23 April 2016 dari

https://indrawibawads.files.wordpress.com
http://nptel.ac.in/courses/112104118/lecture-31/31-1_entry_flow.htmhttp://eprints.undip.ac.id/41163/3/BAB_II.pdfhttp://fisikazone.com/perpindahan-kalor-kelas-10/proses-terjadinya-angin-darat-dan-laut/http://fisikazone.com/perpindahan-kalor-kelas-10/proses-terjadinya-angin-darat-dan-laut/http://fisikazone.com/perpindahan-kalor-kelas-10/proses-terjadinya-angin-darat-dan-laut/http://fisikazone.com/perpindahan-kalor-kelas-10/proses-terjadinya-angin-darat-dan-laut/http://eprints.undip.ac.id/41163/3/BAB_II.pdfhttp://nptel.ac.in/courses/112104118/lecture-31/31-1_entry_flow.htm

laporan pemicu ii perpindahan kalor konveksi alami dan konveksi paksa

Documents