makalah kelompok pemicu 4: perpindahan kalor 2013

Upload: rizqi-pandu-sudarmawan

Post on 10-Feb-2018

252 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    1/26

    MAKALAH PERPINDAHAN KALOR

    PEMICU IV: PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI PAKSA DAN ALATPENUKAR KALOR

    Kelompok 2

    Adilfi Finasthi Kusuma Putri (1106018594)

    Ikhsan Nur Rosid (1106007691)

    Nuri Liswanti Pertiwi (1106015421)

    Rizqi Pandu Sudarmawan (0906557045)

    Wahyudi Maha Putra (1106005742)

    Departemen Teknik Kimia

    Fakultas Teknik Universitas Indonesia

    Depok 2013

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    2/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 2

    Peta Konsep

    Konveksi Paksa

    Konsep Dasar

    Definisi

    Mekanisme

    Temperatur Bulk

    Aplikasi: Alat

    Penukar Kalor

    Cara Kerja

    Komponen

    Fenomena pada

    Alat Penukar Kalor

    Pressure Drop

    Fouling

    Parameter Kinerja

    Faktor Pengotor

    LTMD

    Efektifitas NTU

    Jenis Alat Penukar

    Kalor

    Shell and Tube

    Arus Silang

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    3/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 3

    Daftar Pustaka

    Peta Konsep ................................................................................................. 2

    Daftar Isi...................................................................................................... 3

    Pendahuluan

    Latar Belakang ................................................................................... 4 Perumusan Masalah ........................................................................... 4 Tujuan Penulisan ............................................................................... 4

    Jawaban Pertanyaan

    1. Tugas I Soal 1 ........................................................................................ 5 Soal 2 ........................................................................................ 6 Soal 3 ........................................................................................ 9

    2. Tugas II Soal 1 ........................................................................................ 12 Soal 2 ........................................................................................ 12 Soal 3 ........................................................................................ 13 Soal 4 ........................................................................................ 15

    3. Soal Perhitungan Soal 1 ........................................................................................ 17 Soal 2 ........................................................................................ 21

    Kesimpulan ................................................................................................. 25

    Daftar Pustaka ............................................................................................. 26

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    4/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 4

    Pendahuluan

    I. Latar BelakangProses produksi dalam suatu pabrik tidak dapat lepas dari proses perpindahan

    panas yang terjadi antara dua fluida yang memiliki perbedaan temperatur. Alat

    yang digunakan adalah penukar panas (heat exchanger). Penukar panas adalah

    peralatan proses yang digunakan untuk memindahkan panas dari dua fluida

    yang berbeda dimana perpindahan panasnya dapat terjadi secara langsung

    (kedua fluida mengalami pengontakan) ataupun secara tidak langsung

    (dibatasi oleh suatu dinding pemisah atau sekat). Fluida yang mengalami

    pertukaran panas dapat berupa fasa cair-cair, cair-gas, dan gas-gas.

    II. Perumusan Masalah1. Apakah yang dimaksud dengan alat penukar kalor?2. Bagaimanakah prinsip kerja alat penukar kalor?3. Apa saja komponen penyusun alat penukar kalor?4. Apa saja jenis-jenis alat penukar kalor?5. Fenomena-fenomena apa saja yang dapat terjadi pada alat penukar kalor?6. Parameter apa sajakah yang diperlukan untuk mengetahui kinerja suatu

    alat penukar kalor?

    III. Tujuan Penulisan1. Mengetahui definisi alat penukar kalor.2. Mengetahui prinsip kerja alat penukar kalor.3. Mengetahui jenis-jenis alat penukar kalor.4. Mengetahui fenomena-fenomena yang terjadi pada alat penukar kalor.5. Mengetahui parameter kinerja dari alat penukar kalor.

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    5/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 5

    Jawaban Pertanyaan

    Tugas I:

    1. Apa yang anda ketahui tentang alat penukar kalor dan bagaimana prinsipkerjanya?

    Jawab:

    Alat penukar kalor adalah alat yang difungsikan untuk melakukan perpindahan

    sejumlah kalor atau panas dari suatu fluida ke fluida yang lainnya. Tujuan

    perpindahan panas ini di dalam proses produksi adalah untuk memanaskan

    ataupun mendinginkan suatu fluida hingga mencapai temperatur tertentu yang

    diinginkan ataupun juga bertujuan untuk mengubah keadaan (fase) fluida darisatu fase ke fase yang lainnya. Biasanya, medium pemanas dipakai uap lewat

    panas (super heated steam) dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water).

    Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida

    dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak,

    baik antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya

    bercampur langsung begitu saja. Pada alat penukar kalor ini perpindahan panas

    dapat terjadi secara konduksi, konveksi ataupun radiasi tergantung dari tipe dan

    konstruksi alat tersebut.

    Prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari dua fluidapada temperatur berbeda di mana transfer panas dapat dilakukan secara langsung

    ataupun tidak langsung.

    a. Secara kontak langsungPanas yang dipindahkan antara fluida panas dan dingin melalui permukaan

    kontak langsung berarti tidak ada dinding antara kedua fluida. Transfer panas

    yang terjadi yaitu melalui interfase atau penghubung antara kedua fluida. Sebagai

    contoh aliran steam pada kontak langsung yaitu dua zat cair yang immiscible

    (tidak dapat bercampur), gas-liquid, dan partikel padat-kombinasi fluida.

    b. Secara kontak tak langsungPerpindahan panas terjadi antar fluida melalui dinding pemisah. Dalam sistem

    ini, kedua fluida akan mengalir. Kalor mengalir dari fluida yang bertemperatur

    tinggi ke fluida yang bertemperatur rendah.

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    6/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 6

    2. Jelaskan jenis alat penukar kalor berdasarkan kompleksitas alat!Jawab:

    a. Double Pipe Heat ExchangerDouble Pipe Heat Exchanger adalah salah satu tipe APK yang memiliki

    konfigurasi paling sederhana. Alat ini terdiri dari dua concentric circular tubes

    dengan suatu fluida mengalir di bagian dalam tube dan fluida yang lain mengalir

    di dalam annular space di antara tubes. Umumnya digunakan dalam proses

    pendinginan fluida di mana dibutuhkan luas perpindahan panas yang kecil. Alat

    ini dapat didesain dengan berbagai pengaturan aliran (parallel flow & counter

    flow), dan dapat pula disusun seri atau paralel dengan APK lain dalam suatu

    sistem.

    Gambar 1. Double Pipe Heat Exchanger

    (Sumber:http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-

    exchanger-design/#imgn_0)

    http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0
  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    7/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 7

    Gambar 2. Double Pipe Heat Exchanger Counter Flow

    (Sumber:http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-

    exchanger-design/#imgn_1)

    Gambar 3. Double Pipe Heat Exchanger Parallel Flow

    (Sumber:http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-

    exchanger-design/#imgn_2)

    b. Shell and Tube Heat ExchangerAPK jenis ini sangat banyak digunakan sebagai power condensers, oil coolers,

    preheaters, dansteam generators. Alat ini terdiri dari banyak tubes yang disusun

    sejajar satu sama lain dalam suatu cylindrical shell. Aliran dapat diatur secara

    parallel flow, counter flow, atau cross flowdan dapat juga merupakan kombinasi

    dari aliran-aliran tersebut. Desainshell and tube heat exchangermemiliki standar

    yang ditetapkan oleh TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association).

    Tabel 1. Advantages and Disadvantages of Shell & Tube Heat Exchangers

    http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0
  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    8/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 8

    (Sumber:http://www.hcheattransfer.com/selection.html)

    Gambar 4. Shell & Tube Heat Exchanger

    (Sumber:http://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-

    and-tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistance)

    c. Compact Heat ExchangerAPK jenis ini sangat bergantung pada penggunaan extended surface untuk

    meningkatkan overall surface area dengan tetap mempertahankan ukuran

    minimum alat. Umumnya digunakan sebagai oil coolers, automotive radiators,intercoolers, cryogenics, dan electronics cooling applications. Yang termasuk

    dalam golongan APK tipe ini adalah:

    Plate & frame heat exchanger (gasketed, semi-wielded,wielded)

    Spiral heat exchanger

    http://www.hcheattransfer.com/selection.htmlhttp://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-and-tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistancehttp://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-and-tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistancehttp://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-and-tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistancehttp://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-and-tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistancehttp://www.hcheattransfer.com/selection.html
  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    9/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 9

    Blazed plate & frame heat exchanger Plate-fin heat exchanger Printed circuits heat exchanger

    Tabel 2. Advantages and Disadvantages of Compact Heat Exchangers

    (Sumber:http://www.hcheattransfer.com/selection.html)

    3. Bagaimana fenomena foulingdan pressure dropdapat menurunkan kinerja darialat penukar kalor?

    Jawab:

    a. Faktor Pengotor (Fouling Factor)Fouling dapat didefinisikan sebagai akumulasi endapan yang tidak diinginkan

    pada permukaan perpindahan panas alat penukar kalor. Pengotoran ini dapat

    terjadi endapan dari fluida yang mengalir, juga disebabkan oleh korosi pada

    komponen dari alat penukar kalor akibat pengaruh dari jenis fluida yang

    dialirinya. Selama heat exchanger ini dioperasikan pengaruh pengotoran pasti

    akan terjadi. Terjadinya pengotoran tersebut dapat menganggu atau

    mempengaruhi temperatur fluida yang mengalir, temperature dinding tube serta

    kecepatan aliran fluida. Selain itu, juga dapat menurunkan ataau mempengaruhikoefisien perpindahan panas menyeluruh dari fluida tersebut. Oleh sebab itu,

    perancang heat exchanger akan memasukkan nilai koefisien fouling pada saat

    penentuan koefisien keseluruhan (overall coefficient heat transfer) untuk

    memastikan bahwa heat exchanger tersebut nantinya ketika dioperasikan tidak

    http://www.hcheattransfer.com/selection.htmlhttp://www.hcheattransfer.com/selection.html
  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    10/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 10

    mengalami masalah dalam jangka waktu yang cepat. Faktor pengotoran (fouling

    factor,Rf) dapat dicari dengan menggunakan persamaan berikut.

    (1)

    dimana U pipa yang sudah tua tersebut dapat dihitung dengan menggunakan

    rumus sebagai berikut :

    (2)

    Jika nilaifouling factordi atas sudah memiliki nilai sedemikian besar, maka alat

    penukar kalor tersebut tersebut dapat disimpulkan sudah tidah baik kinerjanya.

    Nilai faktor pengotoran untuk berbagai fluida ditunjukkan pada Tabel 1 berikut.

    Tabel 3. Faktor Pengotoran Untuk Beberapa Fluida

    (Sumber: Holman, J.P. 2009. Heat Transfer 10th

    Edition. New York: McGraw-

    Hill, hal 527)

    b. Penurunan Tekanan (Pressur e Dr op)Perhitungan Pressure Drop pada aliran dalam pipa alat penukar kalor sangat

    penting karena mempengaruhi desain heat exchanger secara keseluruhan.

    Kekasaran pipa, panjang pipa, diameter pipa, jenis fluida yang mengalir,kecepatan dan bentuk aliran fluida yang terjadi sangat berhubungan dengan

    penurunan tekanan pada sistem alat penukar kalor.

    Aliran fluida didalam pipa pada kenyataannya mengalami penurunan tekanan

    seiring dengan panjang pipa yang dilalui fluida tersebut. Menurut teori dalam

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    11/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 11

    mekanika fluida, hal ini disebabkan karena fluida yang mengalir memiliki

    viskositas. Viskositas ini menyebabkan timbulnya gaya geser yang sifatnya

    menghambat. Untuk melawan gaya geser tersebut diperlukan energi sehingga

    mengakibatkan adanya energi yang hilang pada aliran fluida. Energi yang hilang

    ini mengakibatkan penurunan tekanan aliran fluida atau disebut juga kerugian

    tekanan (head loses). Akibatnya, pada sistem heat exchanger membutuhkan

    energi tambahan untuk meningkatkan energi pompa untuk mengalirkan fluida.

    Presure drop pada shell heat exchanger dapat dihitung dengan persamaan berikut.

    (3)dimana:

    Nb= jumlah baffle

    Gs = laju aliran massa per satuan

    luas

    fs = friction factor

    De= diameter ekivalen

    s= rasio viskositas

    = massa jenis fluida dalam

    shell

    Ds= Diameter dalam shell

    Pressure drop dalam tube heat exchanger dapat dihitung dengan menggunakan

    persaman Nikuradse.

    (4)Dimana,

    L = panjang tube

    Np= jumlah laluan tube/pass

    f = fanning friction factor

    di = diameter dalam tube

    = massa jenis fluida dalam tube

    v = kecepatan alir fluida dalam

    tube

    Pada saat fluida dalam tube berubah arah ketika melakukan pass (bila pass rubeN1>1) maka akan terjadi pressure drop tambahan yang disebabkan oleh kontraksi

    dan ekspansi pipa.

    (5)

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    12/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 12

    Dimana:

    V = velocity of fluid

    Sg = spesific gravity

    G = konstanta gravitasi

    Maka pressure drop total (PT) sisi tube:

    (6)Pressure Dropbertambah seiring dengan meningkatnyafouling factorpada heat

    exchanger. Pressure Drop yang terlalu tinggi dapat menyebabkan kavitasi dan

    getaran pada pipa sehingga menghambat kerja sistem alat penukar kalor.

    TUGAS II:

    1. Pada perpindahan kalor konveksi paksa didefinisikan suatu temperatur yangdisebut Temperature Bulk.Beikan penjelasan tentang Temperature Bulk?

    Jawab:

    Suhu limbak / ruah (Temperature Bulk), , merupakan suhu fluida yang dirata-ratakan energinya di seluruh penampang tabung dan menunjukkan energi rata-rata

    dan dapat dihitung dengan :

    p

    r

    pr

    bucdrr

    TucdrrTT

    ..2

    ..2

    0

    0

    0

    0

    (7)

    x

    TruTT cb

    2

    00

    96

    7

    (8)

    Perbedaan suhu limbak / ruah digunakan untuk menentukan energi total yang

    ditambahkan dalam suatu aliran tabung. Sedangkan suhu limbak / ruah itu sendiri

    digunakan untuk menentukan perpindahan kalor total dan koefisien perpindahan

    kalor (kalor yang ditambahkan).

    2. Jabarkan neraca energi yang terjadi pada alat penukar kalor!Jawab:

    Dalam neraca entalpi pendingin dan pemanas didasarkan pada asumsi bahwa

    dalam penukar kalor tidak terjadi kerja poros, sedang energi mekanik, energi

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    13/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 13

    potensial, dan energi kinetik semuanya kecil dibandingkan dengan suku-suku lain

    dalam persamaan neraca energi. Maka, untuk satu arus dalam penukar kalor

    Q = m (Hb-Ha) (9)

    Dimana,

    m = laju aliran massa dalam arus tersebut

    t

    Qq

    = laju perpindahan kalor ke dalam arus

    Hadan Hb = entalpi per satuan massa arus pada waktu masuk dan pada

    waktu keluar.

    Penggunaan laju perpindahan kalor dapat lebih disederhanakan dengan asumsi

    salah satu dari fluida dapat mengambil kalor dan melepaskan kalor ke udara

    sekitar jika fluida itu lebih dingin dari udara. Perpindahan kalor dari atau ke udarasekitar dibuat sekecil mungkin dengan isolasi yang baik sehingga kehilangan kalor

    tersebut diabaikan terhadap perpindahan kalor yang melalui dinding tabung yang

    memisahkan udara panas dan udara dingin. Dengan asumsi tersebut, perpindahan

    kalor pada fluida panas adalah:

    mh(HhbHha) = qh (10)

    sedangkan untuk fluida dingin adalah :

    mc(HcbHca) = qc (11)

    Tanda qc positif sedangkan tanda qhnegatif karena fluida panas menerima kalorsedangkan fluida dingin melepas kalor. Dengan asumsi tidak ada kalor yang

    terbuang ke lingkungan, maka

    qc= -qh (12)

    Maka persamaan neraca entalpi keseluruhan adalah

    mhCph(ThbTha) = mcCpb.(TcbTca) = qc (13)

    3. Bagaimana mekanisme dan hubungan empiris untuk perpindahan kalor konveksipaksa pada aliran sejajar dengan benda?

    Jawab:

    Suhu limbak atau bulk temperature menunjukkan energi rata-rata atau kondisi

    seperti pada Gambar ? dibawah ini

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    14/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 14

    Gambar 5. Perpindahan Kalor Menyeluruh Dinyatakan dengan Beda Suhu

    Ruah

    (Holman, J.P, dan E. Jasjfi. 1991.Perpindahan Kalor. Erlangga: Jakarta)

    dimana perpindahan kalor menyeluruh dinyatakan dengan beda suhu limbak,

    sesuai dengan rumus berikut ini :

    (14)

    Energi total yang ditambahkan dapat dinyatakan dengan beda suhu limbak, dengan

    syarat Cp sepanjang aliran tersebut tetap. Kalor dq yang ditambahkan dalam

    panjang diferensial dx dapat dinyatakan dengan beda suhu limbak atau dengan

    koefisien perpindahan kalor yaitu :

    (15)dimana Tw dan Tb masing-masing adalah suhu dinding dan suhu limbak pada

    posisi x tertentu. Perpindahan kalor total dapat pula diyatakan sebagai:

    (16)

    Untuk aliran turbulen yang sudah jadi atau berkembang penuh (fully

    developed turbulent flow) dalam tabung licin, disarankan menggunakan persamaan

    berikut :

    (17)

    Untuk persamaan ini, sifat-sifat ditentukan pada suhu fluida limbak dan nilai

    eksponen n adalah sebagai berikut :

    n = 0,4 (untuk pemanasan)

    n = 0,3 (untuk pendinginan)

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    15/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 15

    Persamaan diatas berlaku untuk fluida dengan angka Prandtl antara 0,6 hingga

    100. Bentuk paling sederhananya adalah fungsi eksponen dari masing-masing

    parameter, sehingga didapat :

    (18)

    dimana C, m, dan n ialah konstanta yang harus ditentukan dari data percobaan.

    4. Apa yang anda ketahui tentang faktor kekotoran keseluruhan (overall dirty factor= fouling factor)? Bagaimana menentukan suhu rata-rata log atau log mean

    temperature difference (LMTD) pada alat penukar kalor?

    Jawab:

    a. Fouling FactorFouling factor adalah besaran yang menyatakan seberapa besar kekotoran suatu

    alat penukar kalor. Kekotoran yang dimaksud adalah deposit pada dinding alatpenukar kalor yang diakibatkan oleh adanya pengotor dari fluida yang mengalir

    dalam alat penukar kalor atau hasil korosi dari interaksi fluida dan dinding alat

    penukar kalor. Deposit ini akan menyebabkan tambahan hambatan termal pada

    alat penukar kalor, sehingga dapat mempengaruhi performa alat penukar kalor.

    Pengaruh dari pengotor tersebut dinyatakan dalam besaran fouling factor.Fouling

    factor dapat dihitung dengan persamaan dalam buku Perpindahan Kalor edisi 6

    karangan J.P. Holman:

    (19)Nilai faktor pengotor untuk berbagai fluida dapat dilihat lebih lengkap di Daftar10-2 pada buku Perpindahan Kalor Edisi 6 karangan J.P. Holman di halaman 486.

    Nilai faktor pengotor ini kemudian dimasukkan ke dalam persamaan untuk

    menghitung koefisien perpindahan kalor menyeluruh bersama tahanan termal lain

    dalam sistem.

    b. Log Mean Temperature Difference(LTMD)Untuk menganalisis suatu alat penukar kalor, digunakan persamaan:

    (20)dimana q adalah laju perpindahan kalor, U adalah koefisien perpindahan kalor

    menyeluruh dan T adalah perbedaan suhu dalam alat penukar kalor. Untuk

    menyelesaikan persamaan tersebut, maka salah satu besaran yang dibutuhkan

    adalah perbedaan suhu dalam alat penukar kalor.

    Profil suhu pada alat penukar kalor aliran parallel dapat digambarkan menjadi:

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    16/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 16

    Gambar 6. Profil suhu pada alat penukar kalor aliran paralel

    (sumber: Cengel, Y.A. 2009.Heat Transfer: A Practical Approach, Second

    Edition.McGraw-Hill, halaman 681)

    Dengan mengasumsikan bahwa pertukaran kalor yang terjadi hanyalah antar fluida

    dalam alat penukar kalor dan mengabaikan energi kinetik serta potensial, maka

    neraca energi dalam alat penukar kalor dapatdituliskan menjadi:

    (21)

    (22)dimana merupakan laju perpindahan kalor, merupakan laju massa, cmerupakan kalor jenis dan dT adalah perbedaan suhu. Transkrip c dan h

    menyatakan fluida dingin dan panas. Pada fluida panas, neraca energinya bertanda

    negatif karena fluida melepaskan panas. Persamaan di atas dapat diselesaikan

    untuk dT sehingga didapatkan:

    (23) (24)Selisih dari persamaan di atas adalah:

    (25)Laju perpindahan kalor juga dapat dituliskan dengan persamaan:

    (26)

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    17/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 17

    Dengan mensubstitusi persamaan (26) ke persamaan (25) dan menyusunnya

    kembali, maka akan didapatkan:

    (27)Persamaan (27) kemudian diintegrasikan dari keadaan inlet hingga keadaan outletsehingga didapatkan:

    (28)Persamaan (28) kemudian kita substitusikan ke persamaan (21), dan setelah

    penyusunan ulang, maka akan didapatkan perbedaan suhu dalam alat penukar

    kalor yang juga disebut log mean temperature difference(LTMD):

    (29)T1menyatakan perbedaan suhu pada inlet dan T2menyatakan perbedaan suhu

    pada bagian outlet alat penukar kalor. Persamaan ini dapat digunakan untuk aliran

    paralel maupun berlawanan.

    SOAL PERHITUNGAN

    1. Helium mengalir dengan kecepatan 5 gr/dtk dalam pipa sebuah alat penukarkalor pipa ganda dengan aliran berlawanan arah. Helium masuk pada suhu 300 K

    dan keluar pada suhu 84 K, diameter dalam pipa 2 cm. Gas nitrogen mengalir

    dalam annulus berlawanan dengan He pada kecepatan 35 gr/dtk. Keadaan

    annulus dapat diekivalenkan dengan pipa yang diameternya 8 cm. Suhu N278 K.

    Sifat-sifat fisis He dan N2sbb:

    He: Cp=1,25 kal/groC; =0,018 cp; k=0,082 btu/jam.ft.

    oF

    N2: Cp=0,25 kal/groC; =0,0165 cp; k=0,014 btu/jam.ft.

    oF

    Hitunglah:

    a. Perpindahan kalor antara He dan N2b. Suhu nitrogen keluar dari alat penukar kalorc. LMTDd. hN2e. Panjang pipa jika U1=400 btu/jam.oF.ft2

    Jawab:

    Diketahui:

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    18/26

    He = 5 gr/s

    N2= 35 gr/sTinHe = 300 K

    TinN2= 78 K

    ToutHe = 84 K

    DN2= 8 cm = 0,08 m

    DHe= 2 cm = 0,02 m

    CpHe = 1,25 kal/groC = 5,23x10

    3

    J/kg.K

    CpN2 = 0,25 kal/groC = 1,05x10

    3

    J/kg.K

    Ditanyakan:

    a) qb) ToutN2c) LMTD

    d) hN2e) panjang pipa jika U1=400

    btu/jam.oF.ft

    2

    Penyelesaian:

    Asumsi:

    c. Tidak ada faktor pengotor dalam alat penukar kalord. Tidak ada perpindahan kalor lain yang terjadi selain perpindahan kalor secara

    konveksi antara helium dan nitrogen

    Skema sistem:

    a) Menghitung perpindahan kalor antara helium dan nitrogenPerpindahan kalor antara helium dan nitrogen dapat dihitung dari kalor yang

    dilepas oleh helium dengan persamaan:

    Tanda negatif menandakan bahwa helium melepas kalor.

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    19/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 19

    b) Suhu nitrogen keluar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan yangdigunakan di bagian (a), dengan mengasumsikan bahwa kalor yang

    dikeluarkan oleh helium sama dengan kalor yang diterima oleh nitrogen

    c) Nilai LMTD dihitung dengan menggunakan persamaan (29):

    [ ]

    (tak berdimensi)

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    20/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 20

    d) Nilai hN2dapat dihitung dengan persamaan:

    e) Untuk menghitung panjang dengan jika U1=400 btu/jam.oF.ft2 atau 2271,28

    J/s.m2.0K, maka digunakan persamaan:

    (10)dimana F adalah faktor koreksi. Faktor koreksi didapatkan dari Figure 10-9 pada

    buku Heat Transfer 10th

    Edition karangan J.P. Holman halaman 534. Untuk

    mendapatkan faktor koreksi, maka dibutuhkan parameter P dan R yang didapatkan

    dengan persamaan:

    .(11)

    (12)

    Dengan nilai R = 0,71 dan P = 0,97, didapatkan nilai F = 0,75. Nilai F kemudian

    dimasukkan ke dalam persamaan (10) untuk mendapatkan nilai A:

    Nilai A kemudian digunakan untuk menghitung panjang pipa:

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    21/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 21

    2. Sebanyak 96000 lb zat cair A akan didinginkan dari suhu 400 oF menjadi 200oF.

    Sebagai pendingin digunakan zat cair B yang akan naik suhunya dari 100oF

    menjadi 200oF. Alat yang tersedia untuk tersedia untuk keperluan ini adalah

    sebuah alat pertukaran kalor shell and tube dengan ID shell = 29 in, jumlah

    tube/pipa dalam shell= 338 buah. Diameter pipa OP = 1 in (BWG 14), panajng

    16 ft. letak pipa triangular pitch PT = 1,25 in, jarank antara 2 penghalang/baffle

    10 in. Aliran pipa 4 pass dan aliran dalam shell 1 pass. Diketahui sifat-sifat fluida

    (konstan terhadap suhu) sebagai berikut.

    A: Cp = 0,4 BTU/lb.F; = 0,6 cp; k= 0,07 BTU/jam.ft.FB: Cp = 0,6 BTU/lb.F; = 0,8 cp; k= 0,08 BTU/jam.ft.F

    Hitunglah:

    a. Jumlah zat cair B yangbisa dipanaskanb. Koefisien perpindahan kalor dalam pipac. Koefisien perpindahan kalor dalam shelld. Koefisien perpindahan kalor menyeluruh jika dalam kedaan baru (bersih)e. Fouling factor (Rd)

    Gambar 7. Heat Exchanger Shell and Tube

    (Sumber: Cengel. 2010. Heat Transfer 2nd

    Edition)

    Jawab:

    Diketahui:

    Jenis heat exchanger = shelland tube (4 pass, 1 shell)

    TA,in = 400oF = 204,4oC TA,out = 200oF = 93,33oC

    TB,in = 100oF = 37,78oC TB,out = 200oF = 93,33oC Diameter shell (inner) = 29 in

    = 0,7366 m

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    22/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 22

    Diameter tube (outer) = 1 in = m

    L tube = 16 ft = 4,877 m Jumlah tube = 338

    Jarak baffle = 10 in = 0,254 m PT = 1,25 in = 96000 lb/jam

    Asumsi

    Aliran fluida adalah steady state Heat exchanger terinsulasi sehingga tidak ada kalor yang terbuang ke

    lingkungan

    Energy potensial dan energy kinetikk dari fluida diabaikan Aliran fluida adalah counter flow

    Bagian 2a

    Menentukan massa zat cair B yang dipanaskan

    Gambar 8. Penampang Sederhana dari Heat Exchanger Shell and Tube

    (Sumber: Cengel. 2010. Heat Transfer 2nd

    Edition)

    ( ) ( ) ( ) ( )

    Bagian 2b

    Menentukan nilai Q

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    23/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 23

    ( )

    Menentukan nilai P, R, dan F

    Dari soal diketahui

    TA,in = t1 = 400oF = 204,4oC TA,out = t2 = 200oF = 93,33oC

    TB,in = 100oF = 37,78oC TB,out = 200oF = 93,33oC

    Menentukan nilai F dari grafik berikut

    Gambar 9. Grafik hubungan P, R, dan F(Sumber: Cengel. 2010. Heat Transfer 2

    ndEdition)

    Nilai F tidak ada yang memenuhi sehingga asumsikan nilai F = 1

    Menentukan dan

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    24/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 24

    Nilai tidak dapat ditentukan, oleh karena itu digunakanlah nilai , karenanilai tidak berbeda jauh (error sekitar 1%) dengan nilai apabilaperbedaan lebih dari 40%. *+ Menentukan A tube, A shell, dan A baffle

    Bagian 2b (Menentukan nilai U

    tube)

    Bagian 2c (Menentukan U shell)

    ( )

    Bagian 2d (Menentukan U

    menyeluruh)

    Bagian 2e (Menentukan nilai R)

    Asumsikan nilai U kotor = 80% U

    bersih =

    * +

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    25/26

    Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 25

    Kesimpulan

    1. Alat penukar kalor adalah alat yang difungsikan untuk melakukanperpindahan sejumlah kalor atau panas dari suatu fluida ke fluida yang

    lainnya. Tujuan perpindahan panas ini di dalam proses produksi adalah untuk

    memanaskan ataupun mendinginkan suatu fluida hingga mencapai temperatur

    tertentu yang diinginkan ataupun juga bertujuan untuk mengubah keadaan

    (fase) fluida dari satu fase ke fase yang lainnya.

    2. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida terdapatdinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung begitu

    saja. Pada alat penukar kalor ini perpindahan panas dapat terjadi secara

    konduksi, konveksi ataupun radiasi tergantung dari tipe dan konstruksi alat

    tersebut.

    3. Jenis-jenis alat penukar kalor antara lain double pipe heat exchanger, shelland tube heat exchanger, compact heat exchanger dan lain-lain. Masing-

    masing jenis memiliki kompleksibilitas dan tujuan penggunaan yang berbeda.

    4. Pressure drop dan fouling dapat terjadi pada pengoperasian alat penukarkalor.

    5. Parameter untuk mengukur kinerja alat penukar kalor antara lain faktorpengotor, LTMD, dan efektifitas NTU.

  • 7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013

    26/26

    Makalah Konveksi Paksa Kelompok 2 26

    Daftar Pustaka

    Cengel, Y. 2006.Heat Transfer 2

    nd

    Editon. USA: McGraw-Hill

    Holman, J.P. 2009.Heat Transfer 10th

    Edition. New York:McGraw-Hill

    Anonim. 2013. Diakses dari

    http://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-and-

    tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistance

    http://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-and-tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistancehttp://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-and-tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistancehttp://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-and-tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistancehttp://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-and-tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistance