makalah pk pemicu 2

8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2

1/40

MAKALAH PEMICU II

MATA KULIAH PERPINDAHAN KALOR

PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI

Disusun oleh:

Kelompok 10

Akbar Pandu Wijaksono 1406607786

Annisa Nurqomariah 1406608082

Faracitra Akuwalifah Kusumadewi 1406607861

Kevin Antonio 1406568091

M. Ruby Mujakki 1406608012

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS INDONESIA

DEPOK

2016


2/40

ii

DAFTAR ISI

DAFTAR ISI ........................................................................................................... i

PETA KONSEP ..................................................................................................... ii

BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 1

BAB II PEMBAHASAN ........................................................................................ 5

2.1.Soal Contoh Kasus ..................................................................................... 5

2.2.Soal Perhitungan ........................................................................................ 7

Nomor 1 ....................................................................................................... 7

Nomor 2 ..................................................................................................... 17

Nomor 3 ..................................................................................................... 22

Nomor 4 .................................................................................................... 31

BAB III Kesimpulan ............................................................................................ 39

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 40


3/40

iii

PETA KONSEP

Konveksi

KonveksiAlamiah

Gaya yangmempengaruhi

Buoyancy force

Body forceBilangan tak berdimensi Gr, Pr, Re,

Ra, NuHubungan empiris

untuk berbagai bentuk Plat silinderdan vertikal

Plat silinder danhorizontal

Permukaan miringdan bola

Ruang tertutup

KonveksiPaksa

Prinsipdasar

Suhu

limbak Koefisien

gesek fluida

Analisis dinamikafluida

Mekanisme danhubungan empiris

Pipa/silinder

Bola

RangkunantabungHeat

exchanger

Definisi dan carakerja

Tipe-tipe HE dan peran industri

Faktor yangmempengaruhi

Foulingfactor

Pressuredrop

Faktorlainnya

Metode analisis

LMTD

NTU-efektivitas


4/40

4

PENDAHULUAN

Semua unsur merupakan susunan dari molekul dan atom. Atom ini bergerak dalam

bentuk/cara yang berbeda-beda (translasi, rotasi, dan vibrasi). Gerakan dari atom dan

molekul akan menghasilkan energi kalor/panas. Semakin banyak/cepat gerak dari

molekul atau atom ini, energi kalor yang dihasilkan akan semakin besar. Perpindahan

kalor dibagi menjadi 3 bagian, yaitu perpindahan kalor secara konduksi, konveksi,

dan radiasi. Perpindahan kalor yang akan dibahas pada makalah ini adalah

perpindahan kalor secara konveksi. Konveksi itu sendiri di definisikan sebagai

perpindahan kalor pada suatu zat yang diseratai perpindahan partikel – partikel padazat tersebut. Konveksi sendiri terbagi menjadi dua yaitu konveksi secara alamiah dan

konveksi secara paksa, konveksi secara alamiah merupakan pergerakan aliran kalor

karena perbedaan masa jenis, contohnya yang terjadi pada ventilasi rumah, asap pada

cerobong pabrik. Sedangkan konveksi paksa, merupakan suatu kejadian dimana aliran

panas dipaksa dialirkan ke tempat yang dituju dengan bantuan alat tertentu contohnya

blower atau heat exchanger. Contoh konveksi paksa ini dapat ditemukan pada alat

pengering rambut dan sistem pendingin mesin pada mobil. Pada konveksi, banyak

sekali variable yang terlibat dalam perhitungan, untuk mengurangi jumlah variabel

yang terlibat dalam perhitungan dapat digunakan bilangan tak berdimensi, yaiitu

bilangan nuselt, reynolds, dan prandtl.


5/40

5

Contoh Kasus

Suatu produk yang berharga terjual dengan larisnya secepat produk tersebut dapat

dibuat di pabrik kimi. Pihak manajemen ingin meningkatkan produksi tapi tidak

mampu melakukannya. Analisis setiap tahap produksi menunjukkan bahwa yang

menjadi bottleneck adalah unit refrigasi. Unit ini adalah unit heat exhanger yang

sederhana, tempat aliran cairan panas didinginkan dengan melewatkannya melalui

sebuah pipa yang kontak dengan aliran cair dingin. Panas berpindah dari aliran panas

ke aliran dingin.Sayangnya unit refrigasi ini tidak mendinginkan aliran cairan panas

sampia ke suhu yang diinginkan agar dapat diproses pada tahap selanjutnya. Intruksi

yang diberikan untuk menyelesaikan masalah ini: “Rancang dan pasang unit

refrigasi yang lebih besar”. Karena instruksi ini maka rancangan unit refrigasi yang

lebih besar segera dilakukan. Setelah anda lihat lagi sistem tersebut anda menemukan

informasi bahwa ukuran maksimum unit refrigerasi adalah ukuran unuit yang ada

sekarang. Apakah membangun unit refrigerasi yang lebih besar akan menyelesaikan

masalah?

Jawab :

Penukar panas atau dalam industri kimia populer dengan istilah bahasa Inggrisnya,

heat exchanger (HE), adalah suatu alat yang memungkinkan perpindahan panas dan

bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium

pemanas yang dipakai adalah 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. Penukar panas

sangat luas dipakai dalam industri seperti kilang minyak, pabrik kimia maupun

petrokimia, industri gas alam, refrigerasi, pembangkit listrik. Salah satu contoh

sederhana dari alat penukar panas adalah radiator mobil di mana cairan pendingin

memindahkan panas mesin ke udara. Penukar panas merupakan alat yang dapat


6/40

6

memindahkan panas dari satu sistemke sistem yang lain tanpa terjadi perpindahan

massa dari dari sistem satu ke sistem lainnya. Adapun tujuan perpindahan panas

antara lain:

a.

Memanaskan :

Menaikkan suhu

Merubah fase ( Menguapkan, melarutkan, melelehkan)

Mempertahan suhu proses (memberi panas proses yang membutuhkan-

endhoterm)

b. Mendinginkan :

Menurunkan suhu

Merubah fase ( Mengembunkan, membekukan,dsb)

Mempertahan suhu proses (mengambil panas proses yang menghasilkan panas

– eksotherm)

Alat penukar panas merupakan suatu alat yang menghasilkan perpindahan panas dari

suatu fluida yang temperaturnya lebih tinggi ke fluida yang temperaturnya lebih

rendah. Proses perpindahan panas tersebut dapat dilakukan secara langsung dan tidak

langsung, dimana:

a.

Alat penukar panas kontak langsung Pada alat ini fluida yang panas akan

bercampur secara langsung dengan fluida dingin (tanpa adanya pemisah)

dalam suatu bejana atau ruangan. Misalnya ejector, daerator dan lain-lain.

b. Alat penukar panas kontak tak langsung Pada alat ini fluida panas tidak

berhubungan langsung (indirect contact) dengan fluida dingin. Jadi proses

perpindahan panasnya itu mempunyai media perantara, seperti pipa, plat, atau

peralatan jenis lainnya. Misalnya kondensor, ekonomiser air preheater dan

lain-lain.

Apakah membangun unit refrigerasi yang lebih besar akan menyelesaikan

masalah?


7/40

7

Tidak, unit refrigerasi yang dibuat sekarang sudah sangat optimal. Pembuatan unit

refrigerasi bergantung pada performansi heat exchanger (HE) yang dapat ditinjau dari

beberapa parameter yaitu koefisien perpindahan panas keseluruhan (U), luasan area

(A), dan pressure drop. Semakin tinggi luasan area dan pressure drop, akan membuat

performansi HE dikatain baik. Dengan membuat fluida masuk melalui HE pada

kecepatan yang tinggi akan membuat koefisian perpindahan kalor keseluruhan makin

meningkat. Peningkatan koefisien karena kecepatan ini akan meningkatkan pressure

drop dimana akan meningkatkan biaya pemompaan. Jika luas permukaan

ditingkatkan, maka pressure drop dan koefisien perpindahan kalor akan berkurang

sehingga pemompaan tidak memperbesar biaya. Dapat disimpulkan bahwa

peningkatan besar HE akan mempengaruhi performansi dari HE tersebut. Pada kasus

ini industri yang dimaksud diharapkan dapat meningkatkan performa HE tanpa harus

memikirkan biaya yang ditambahkan walaupun HE tidak dapat diperbesar lagi, hal

yang harus diperhatikan agar dapat meningkatkan performansi HE adalah sebagai

berikut:

a. Peningkatan pressure drop, dimana akan meningkatkan kecepatan fluida yang

berkaitan dengan peningkatan koefisien perpindahan kalor keseluruhan

b. Mengevaluasi faktor pengotor yang terdapat pada HE. Faktor pengotor dapat

dikurangi dengan melakukan pemberishan secara rutin pada HE. Dengan

faktor pengotor yang rendah, akan memiliki performasin HE yang tinggi

c. Mempertimbangkan menggunakan HE finned tubes, inserts, twisted tubes,

atau baffle termodifikasi. Bentuk HE yang disebut di atas memiliki nilai

koefisien perpindahan kalor yang lebih tinggi dikarenakan geometrinya.

PERHITUNGAN

NOMOR 1

Minuman kaleng berukuran panjang 155 mm, diameter 60 mm, dengan suhu 27°C

akan didinginkan dengan meletakkannya dalam lemari pendingin pada suhu 4°C.


8/40

8

Untuk memaksimalkan laju pendinginan, apakah sebaiknya kaleng minuman tersebut

diletakkan secara horizontal atau vertikal di dalam lemari pendingin?

Teori Dasar

Konveksi merupakan suatu mekanisme perpindahan panas antara permukaan

benda padat dan fluida (cairan atau gas) yang bergerak. Dengan kondisi ada medium,

medium ikut berpindah, dan driving force berupa perbedaan suhu.

Bila ada fluida yang bergerak terhadap suatu permukaan, dan kedua suhunya

tidak sama, maka akan terjadi mekanisme perpindahan panas secara konveksi.

Semakin cepat gerakan fluida tersebut, maka semakin besar laju perpindahan panas

konveksinya. Bila fluida tidak bergerak, maka mekanisme perpindahan panas akan

menjadi mekanisme perpindahan konduksi kembali.

Gambar 1. Perpindahan kalor dari permukaan panas ke udara dengan

konveksi

https://nurulimantmunib.files.wordpress.com/2011/09/convection-heat-transfer.jpg


9/40

9

(a) (b)

Gambar 2(a). Pendinginan telur panas pada lingkungan dingin dengan

konveksi alamiah; (b) Penghangatan cola dingin pada lingkungan hangat

dengan konveksi alamiah.

Karena konveksi terjadi akibat adanya gerakan fluida, maka dikenal istilah

konveksi alami dan konveksi paksa. Konveksi alami (konveksi bebas) terjadi karena

fluida bergerak secara alamiah dimana pergerakan fluida tersebut lebih disebabkan

oleh perbedaan massa jenis fluida akibat adanya variasi suhu pada fluida tersebut.

Logikanya, jika suhu fluida tinggi, maka fluida tersebut akan menjadi lebih ringan

dan mulai bergerak keatas.

Disebut juga konveksi alamiah (natural convection), terjadi karena fluida

mengalir secara alamiah/tidak dipompa/tidak dihembus. Fluida dapat mengalir

secara alamiah karena adanya perubahan sifat fisis (terutama rapat massanya) dan

pengaruh dari gaya apung (bouyancy force).

Buoyancy force adalah gaya yang menyebabkan terdorongnya fluida dengan

densitas lebih rendah sehingga mengalami gerak vertikal ke atas. Gaya – gaya apung(buoyancy forces) yang menyebabkan terjadinya konveksi alamiah disebut sebagai

body force (gaya badan).

Dalam perpindahan kalor konveksi alami, fluida yang mengalami kontak

dengan benda yang memiliki suhu lebih tinggi akan mengalami peningkatan

temperatur. Peningkatan temperatur akan mengakibatkan ekspansi fluida yang

berdampak pada penurunan densitas fluida, sehingga akan tampak gradien densitas

antara fluida dengan temperatur yang berbeda. Fluida yang lebih panas dan lebih

ringan (karena densitasnya yang lebih rendah) akan mengalami gerak vertikal ke atas

dan digantikan dengan fluida yang lebih berat dengan densitas lebih tinggi

(umumnya berada dalam kondisi ambien). Peran kedua gaya di atas tampak dalam


10/40

10

proses pergerakan fluida tersebut (di mana kedua gaya merupakan faktor yang

menyebabkan terjadinya pergerakan vertikal fluida).

Batasan agar proses perpindahan kalor dikatakan konveksi alami, antara lain:

o

Fluida berubah densitasnya karena proses pemanasan.

o Fluida bergerak naik karena mengalami gaya apung (bouyancy force) apabila densitas

fluida di dekat permukaan perpindahan kalor berkurang akibat proses pemanasan.

o Fluida hanya mengalami sesuatu gaya dari luar seperti gravitasi

Sementara konveksi paksa terjadi karena bergeraknya fluida bukan karena

faktor alamiah. Fluida bergerak karena adanya alat yang digunakan untuk

menggerakkan fluida tersebut, seperti kipas, pompa, blower dan sebagainya.

Laju perpindahan panas konveksi dirumuskan melalui hukum pendinginan Newton

( Newton’s Law of Cooling ) yang dinyatakan dengan: = . . ( − ∞) dimana h adalah koefisien konveksi, A luas permukaan konveksi, T w adalah suhu

permukaan sementara T ∞ adalah suhu fluida. Satuan untuk koefisien

konveksi h adalah W/(m2.K).

Koefisien konveksi bukan merupakan properti dari suatu fluida. h merupakan

parameter yang diperoleh berdasarkan experimen yang mana nilainya bergantung

kepada semua variabel yang mempengaruhi proses konveksi seperti geometri

permukaan, sifat aliran fluida, properti fluida dan kecepatan fluida.

Koefisien perpindahan panas konveksi (h ) pada konveksi alamiah juga sangat

dipengaruhi oleh sifat fisis fluida dan bentuk geometri benda.

Sifat fisis fluida ini dievaluasi pada suhu lapisan film (T f ) dengan,

= − ∞

2

Penyelesaian umum pada persamaan perpindahan panas konveksi memunculkan

suatu parameter berupa bilangan tak berdimensi yang disebut dengan bilangan

Grashof (Gr).

= − ∞32


11/40

11

dimana :

- g : percepatan gravitasi, m/s

2

- β : koefisien ekspansi volum (1/Tf ), 1/K

= − ∞2 - υ : viskositas kinematik fluida, m

2/s

- Tw : suhu permukaan benda, K

- T∞ : suhu fluida pada jarak tak hingga dari benda, K

- L : panjang karakteristik, m

Selain bilangan Grashof ( Gr), koefisien perpindahan panas pada konveksi bebas juga

dipengaruhi oleh bilangan Prandtl.

= = = . = = viskositas kinematis = . = difusifitas termal

Koefisien perpindahan panas konveksi bebas rata-rata untuk berbagai situasi

dapat didekati dengan persamaan empiris sebagai berikut:

= = (.) = () dengan k: konduktivitas termal fluida; L: panjang karakteristik; dan Ra : bilanganRayleigh = Gr.Pr. Nilai C dan n tergantung pada geometri benda dan daerah aliran

yang dikarakterisasikan dalam bilangan Rayleigh.

Beberapa persamaan empiris untuk kasus-kasus perpindahan panas konveksi

bebas pada berbagai geometri benda terangkum dalam table 9-1 (Cengel,2003).

Bentuk geometri yang ditinjau meliputi:

1.

Plat tegak (vertical plate)2. Plat datar (horizontal plate)

3. Plat yang dimiringkan (inclined plate)

4. Silinder


12/40

12

5. Bola


13/40

13

Diketahui

L = 155 mm = 0,155 m

D = 60 mm = 0,06 m

T w = 27°C

T ∞ = 4°C

Ditanyakan

Perbedaan Q jika kaleng diposisikan vertikal (tegak) dengan horizontal.

Gambar

Asumsi

o Minuman kaleng berbentuk silinder.

o Kaleng hanya kontak dengan udara dalam lemari pendingin.

o Panas yang hilang hanya disebabkan oleh beda suhu antara minuman kaleng

dengan lemari pendingin.

o Tidak ada gaya luar yang menyebabkan aliran udara sehingga perpindahan

panas mengikuti mekanisme konveksi bebas.

o Perpindahan panas terjadi pada steady-state.

o Udara di dalam lemari pendingin dianggap sebagai gas ideal.

o Tekanan udara 1 atm.

4°C

27°C 2 7 ° C


14/40

14

Jawaban

Sifat-sifat fisis udara ditentukan berdasarkan suhu film (T f )

T w = Suhu minuman kaleng = 27°C = 300,15 K

T ∞ = Suhu lemari pendingin = 4°C = 277,15 K

= ∞ + − ∞2

= 277,15 + 300,15− 277,152

= 288,65 Berikut adalah data sifat fisis udara pada suhu 15,5°C dan tekanan 1 atm

k = 25.3456 × 10-3

W/m.K

ρ = 1,20866 kg/m3

μ = 1,8008 × 10-5 kg/m.s

Cp = 1006,62 J/kg.K

o Viskositas kinematis : = = (1,8008×10−5) .1,20866 3 = 1,48991 × 10−5 2 o Koefisien ekspansi volum : = 1 = 1288,65 = 3,464 × 10−3 1 o Percepatan gravitasi, g = 9,8 m/s

2

o

Bilangan Prandtl (Pr)

= . = 1,8008 × 10−5 . 1006,62 .

25.3456 × 10−3 .= 0,715201572

o Luas permukaan silinder = + 42 = . 0,06. 0,155+

4(0,06)2 = 0,0482


15/40

15

Pada kaleng dengan posisi vertikal (silinder tegak)

Gambar 2. Skema Kaleng Posisi Vertikal

Panjang karakteristik = L = tinggi kaleng = 155 mm = 0,155 m.

o Bilangan Grashof (Gr)

= − ∞3

2=9,8 2 3,464 × 10−3 1 300,15− 277,15(0,155)331,48991 × 10−5 2 2

= 13098055,29

o Bilangan Rayleigh (Ra) = . = 13098055,290,715201572 = 9367749,733 o Silinder tegak dapat disamakan dengan plat tegak jika

≥ 35¼ 35¼ = 350,15513098055,29¼ = 0,090177468

diketahui diameter silinder = 60 mm =0,06 m (> 0,09 m) , sehingga untuk

kasus ini persamaan Nu yang digunakan sama dengan persamaan untuk plat

tegak pada kisaran Ra 109 ̶ 10

13 = 0,11 3 = 0,1(9367749,733)1 3 = 21,08

o Koefisien perpindahan panas konveksi bebas

= . = . = 25.3456 × 10

−3 . 21,080,155 = 3,447 2.

o Panas hilang

27°C 4°C


16/40

16

= . . − ∞ = 3,447 2 . 0,0482. 300,15− 277,15 = 3,812

Pada kaleng dengan posisi horizontal

Gambar 3. Skema Kaleng Posisi Horizonta;

o Panjang karakteristik = D = diameterkaleng = 60 mm = 0,06 m.

o Bilangan Grashof (Gr)

= − ∞32=9,8 2 3,464 × 10−3 1 300,15− 277,15(0,06)33

1,48991 × 10

−5

2

2

= 759740,8461

o Bilangan Rayleigh (Ra) = . = 759740,84610,715201572 = 543367,8473 o Persamaan Nu yang digunakan sama dengan persamaan untuk Ra ≤ 10

12

= 0,6 + 0,3871 61 + 0,559/9/168/272

= 13,47

o

Koefisien perpindahan panas konveksi bebas = . = . = 25.3456 × 10

−3 .13,470,155 = 5,69 2.

o Panas hilang

4°C

2 7 ° C


17/40

17

= . . − ∞ = 5,69 2 . 0,0482. 300,15− 277,15 = 6,295

Kesimpulan

o Persentase perbedaan Q pada posisi verikal dengan horizontal

% = × 100 % = 60,56 % Maka posisi terbaik untuk proses pendinginan minuman kaleng dalam lemari

pendingin adalah dengan posisi horizontal karena memiliki nilai

=

6,295 , sedangkan dengan osisi vertikal hanya memiliki nilai sebesar = 3,812 .NOMOR 2

Sebuah tong besar digunakan untuk menyimpan minyak panas dengan suhu

400°F. Di sekeli li ng tong dipasang selongsong yang didinginkan hingga suhu

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

mengeli li nginya berukur an tinggi 35 cm dan tebal 3 cm. I lustrasikan sistem di

atas. Perki rakan l aju konveksi bebas per-meter persegi luas permukaan.

Tz = 35 cm

δ = 3 cm

S

Tong penyimpan minyak

TT = 400°F

Selongsong

TS = 140°F


18/40


19/40

19

= 1−232 ……………………………..(1) Pada angka Grashof yang sangat rendah, terdapat sangat sedikit arus konveksi-

bebas dan perpindahan kalor yang berlangsung terutama oleh konduksi yang melintasi lapisan

tersebut. Pada angka Grashof yang lebih tinggi, terdapat berbagai ragam aliran

dan perpindahan kalor pun meningkat dengan teratur, seperti dinyatakan melalui

angka Nusselt :

= ……………………………….(2) Fluks panas dihitung dengan cara

= = 1 − 2 = 1 − 2 …………..(3) Persamaan di atas dapat dinyatakan dalam bentuk alternative dari konduktivitastermal efektif, yaitu

= 1−2 ……………………………(4) Dengan mencocokkan persamaan (3) dan (4), kita dapatkan

≡ ……………………………..(5) di mana dalam buku Heat Transfer 10

th edition, bentuk umum persamaan

dinyatakan sebagai

= …………………..(6) Konstanta C, n, dan m dapat ditentukan berdasarkan tabel di bawah.


20/40

20

Sumber: Holman, J.P. 2009. Heat Transfer 10 th edition. New York: McGraw-Hill.

Asumsi:

Tidak ada perbedaan suhu antara permukaan tabung ataupun selongsong

Tabung beserta selongsong dalam memiliki tutup di atas dan di bawah,sehingga sistem tersebut tertutup dan terisolasi sempurna. Tidak ada

perpindahan kalor dari sistem ke udara luar.

Penyelesaian:

Tm =TT + TS

2=

400 + 140

2= 270℉ = 132,22℃ = 405,22 K

Suhu rata-rata didapatkan sebesar 405,22 K, maka sifat udara pada suhu tersebut

dengan melihat Appendix A Tabel A-5, kita dapat menentukan propertinya.


21/40

21

Sumber: Holman, J.P. 2009. Heat Transfer 10 th edition. New York: McGraw-Hill.

Untuk nilai v

405.37− 400450− 400 = − 25.931.71− 25.9 = 26.52 × 10−6 m2 s

Untuk nilai k

405.37

−400

450− 400=

−0.03365

0.03707− 0.03365

= 0.034 W m℃ Untuk nilai Pr

405.37− 400450− 400 = − 0.6890.683− 0.689 = 0.688

= 1

=1

405.37

= 2.47 × 10−3K−1 GrδPr = gβTT − TSδ3

v2Pr

GrδPr = 9,82,47 × 10−3400− 140 59 0,03326,5 × 10−62 0,688 = 92.487,77


22/40

22

GrδPr = 9,25 × 104

Dari tabel 7-3 (J.P. Holman, 2010), C = 0.197, n = ¼, dan m = -1/9, sehingga

Nuδ = k ek

= 0,197GrδPr14 Lδ−19 Nuδ = 0,1979,25 × 1041/4 35

3−1/9 = 2,61

Kemudian, nilai laju konveksi bebas per-meter persegi luas permukaan dapat

dihitung dengan

q

A = qw = hTT − TS = Nuδk

δ TT − TS qA

= 2,610,034

0,03400− 140 5

9 = , /

Jadi, nilai laju konveksi bebas per-meter persegi luas permukaan antara tong

penyimpan minyak dengan selongsong adalah sebesar 427,27 W/m2.

NOMOR 3

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

memanaskan 2.5 kg/detik air dari suhu 35oC menjadi 85

oC. Gas panas tersebut (Cp =

1,09 kJ/ kg.oC) masuk pada suhu 200

oC dan keluar pada 93

oC. Koefisien perpindahan

kalor menyeluruh sebesar 180 W/m.oC. Hitunglah luas area perpindahan kalor dengan

menggunakan pendekatan : (a) LMTD dan (b) NTU-efektivitas.

Diketahui :

U =180 W/m.oC

Air Gas

Qair = 2.5 kg/s Cp = 1,09 kJ/ kg.oC

T1 = 35oC T1 = 200

oC

T2 = 85oC T2 = 93

oC

Ditanya:


23/40

23

A perpindahan kalor pada (a) LMTD dan (b) NTU-efektivitas.

Teori Dasar

Pendekatan Metode Log Mean Temperature Di f ference (LMTD)

Gambar 6. Penukar kalor pipa ganda

Perhatikan penukar-kalor pipa-ganda pada Gambar 6. Fluida pada pipa dapat

mengalir dalam aliran-sejajar maupun aliran-lawan-arah, dan profil suhu untuk kedua

kasus itu ditunjukkan pada Gambar 7. Rumus perpindahan kalor dalam susunan pipa-

ganda ini adalah: = ∆………………………. (1) dimana :

U = koefisien perpindahan-kalor menyeluruh

A = luas permukaan perpindahan-kalor yang sesuai dengan definisi U

= beda suhu rata-rata yang tepat untuk digunakan dalam penukar-kalor

Gambar 2. Menunjukkan bahwa beda suhu antara fluida-panas dan fluida-

dingin pada waktu masuk dan pada waktu keluar tidaklah sama, dan kita perlu

menentukan nilai rata-rata untuk digunakan dalam persamaan (1). Untuk penukaran-

kalor aliran-sejajar seperti Gambar 7, kalor yang dipindahkan melalui unsur luas dA

dapat dituliskan sebagai: = − = ……….(2) Dimana subskrip h dan c masing-masing menandai fluida-panas dan fluida-dingin.

Perpindahan kalor dapat juga dinyatakan dengan rumus: = − …………….......(3)


24/40

24

Gambar 7. Profil suhu untuk (a) aliran sejajar dan (b) aliran lawan arah dalam

penukar kalor pipa ganda

Pada persamaan (2), hasil kali dan dapat dinyatakan dalam perpindahankalor total q dan beda-suhu menyeluruh antara fluida-panas dan fluida-dingin

sehingga:

= 1−2…………………..(4) = 2−1…………………….(5) Melalui subtitusi, kita mendapatkan rumus:∆ = 2−2−(1−1)

ln [2−21−1]

............(6)

Rumus perbedaan suhu diatas disebut beda-suhu rata-rata log (log mean temperaturedifference = LMTD). Rumus diatas ialah rumus beda-suhu pada satu ujung penukar

kalor dikurangi beda suhu pada ujung yang satu lagi dibagi dengan logaritma alamiah

daripada perbandingan kedua beda-suhu tersebut. Semakin besar LMTD, semakin


25/40

25

banyak panas yang ditransfer. Penggunaan LMTD muncul dari analisis penukaran

panas (heat exchangers) dengan laju alir konstan dan sifat termal fluida.

Penurunan dua LMTD diatas menyangkut dua pengandaian : (1) kalor spesifik

fluida tidak berubah menurut suhu, dan (2) koefisien perpindahan-kalor konveksi

tetap untuk seluruh penukar kalor. Kedua pengandaian ini sangat penting karena

pengaruh pintu-masuk, viskositas fluida, perubahan konduktivitas-termal, dan

sebagainya.

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

kalor dihitung dengan menerapkan faktor koreksi terhadap LMTD untuk susunan

pipa-ganda aliran-lawan-arah dengan suhu fluida-panas dan suhu fluida-dingin yang

sama sehingga bentuk persamaan kalor menjadi:

= ∆………………………. (7) Nilai faktor koreksi F digambarkan dalam Gambar 7. Sampai dengan Gambar

.9 untuk berbagai jenis penukar kalor. Bila terdapat perubahan fase, seperti

kondensasi atau didih (penguapan), fluida biasanya berada pada suhu yang pada

hakekatnya tetap, sehingga persamaan-persamaan itu menjadi lebih sederhana. Untuk

kondisi ini, nilai P atau R menjadi nol dan kita mendapatkan:

F=1,0 untuk pendidihan atau kondensasi

Gambar 7. Grafik faktor koreksi untuk penukar kalor dengan suhu lintas selongsong

dan dua, empat, atau masing-masing kelipatan dari lintas tabung tersebut.


26/40

26

Gambar 8. Grafik faktor koreksi untuk penukar kalor dengan dua lintas-selongsong,

dan empat, delapan, atau masing-masing kelipatan dari lintas-tabung

Pendekatan Metode NTU-Efektivitas

Jika harus menentukan suhu masuk atau suhu keluar, analisis kita akan

melibatkan prosedur iterasi karena LMTD merupakan suatu fungsi logaritma. Oleh

karena itu, analisis akan lebih mudah dilaksanakan dengan menggunakan metode

yang didasari oleh efektivitas penukar kalor dalam memindahkan jumlah kalor

tertentu. Metode efektivitas ini juga memiliki beberapa keuntungan untuk

menganalisis soal-soal tertentu dimana kita harus membandingkan berbagai jenis

penukar kalor untuk memilih jenis yang terbaik untuk melaksanakan sesuatu tugas

pemindahan kalor tertentu.

Efektivitas penukar kalor (heat-exchanger effectiveness) dirumuskan sebagai

berikut:

=∈= Perpindahan kalor yang sebenarnya (actual) dapat dihitung dari energi yang

dilepaskan oleh fluida-panas atau energi yang diterima oleh fluida-dingin. Perhatikan

kembali penukar kalor aliran sejajar dan aliran lawan arah pada Gambar 1. Untuk

penukar kalor aliran sejajar dapat dirumuskan sebagai berikut: = 1 − 2 = 2 − 1


27/40

27

Sementara untuk penukar kalor aliran lawan arah dapat dirumuskan: = 1 − 2 = 1 − 2 Untuk menentukan perpindahan kalor maksimum bagi penukar kalor kalor tersebut,

harus diketahui 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 adlaah fluida yang memiliki nilai minimumkarena neraca energi menyatakan bahwa energi yang diterima oleh fluida yang satu

mesti sama dengan energi yang dilepas oleh fluida yang satu lagi. Jika fluida yang

memiliki nilai yang lebih besar yang kita buat mengalami beda suhu maksimum,maka fluida yang satu lagi harus mengalami perubahan suhu yang lebih besar darimaksimum, dan ini tentu saja tidak mungkin. Jadi, rumus perpindahan kalor

maksimum yang mungkin dinyatakan sebagai : = () ( − ) Fluida minimum terdiri dari fluida minimum panas dan fluida minimum dingin,

tergantung dari laju aliran massa dan kalor spesifik. Untuk penukar kalor aliran

sejajar dapat dirumuskan sebagai berikut:

∈= 1

− 2

1 − 1 = 1

− 2

1 − 1 ∈= 2 − 1 1 − 1 = 2 − 11 − 1 Subskrip dalam lambang efektivitas menunjukkan fluida yang memiliki nilai yang minimum. Untuk penukar-kalor aliran-lawan arah, maka:

∈= 1 − 2 1 − 2 = 1 − 21 − 2

∈= 2

− 1

1 − 2 = 2

− 1

1 − 2 Secara umum efektivitas dapat dinyatakan sebagai:∈= ∆ ( )

Persamaan untuk efektivitas dalam aliran sejajar dapat kita turunkan sebagai berikut :


28/40

28

2 − 21 − 1 = − 1 + 1 = −1 + Atau

2 − 21 − 1 = exp − 1 + Jika fluida dingin adalah fluida minimum, maka:

∈= 2 − 11 − 1 Dengan mensubtitusi persamaan, rumus efektivitas juga dapat ditulis sebagai berikut:

∈= 1− exp − 1 + 1 +

Dapat dibuktikan bahwa persamaan tersebut juga dihasilkan sebagai efektivitas bila

fluida panas merupakan fluida minimum, kecuali disini disubtitusi dengan . Akibatnya, efektivitas secara umum ditulskan sebagai:∈= 1− exp − 1 +

1 +

Dimana C =

dinamakan laju kapasitas (capacity rate).

Analisis yang sama dapat pula diterapkan pada kasus aliran lawanh arah, dan

didapatkan perssamaan efektivitas berikut:

∈= 1− exp − 1− 1− exp − 1−

Kelompok suku UA/Cmin dinamakan jumlah stuan perpindahan (number of transfer

unit or NTU) karena member petunjuk tentang ukuran penukar kalor.

Jawab :

Pendekatan Metode Log Mean Temperature Di f ference (LMTD)

Perpindahan-kalor total ditentukan dari energi yang diserap air : = ∆ = 2,5418085− 35 = 522500 /


29/40

29

Oleh karena semua suhu fluida diketahui, LMTD dapat dihitung dengan

menggunakan skema suhu pada Gambar 4. :

∆ = 200− 93 − (85− 35)

ln

200

−93

85−35 = 74.92

℃

Mencari nilai F :

Untuk mendapatkan nilai F pada grafik, dibutuhkan data P dan R:

T1= 35oC T2= 85

oC t1= 200

oC t2= 93

oC

= 2 − 11 − 1 = 93− 20035− 200 = 0.65 = 1 − 22 − 1 = 35− 8593− 200 = 0.467 Mencari nilai F :

Gambar 9. Grafik faktor koreksi untuk penukar-kalor aliran-silang sekali-lintas,

kedua-fluida tak-campur

Karena nilai R tidak tepat pada garis, kita menggunakan metode interpolasisaat :

Nilai P = 0.65 dan nilai R = 0.4, nilai F = 0.935

Nilai P = 0.65 dan nilai R = 0.6, nilai F = 0.890

Interpolasi : − 0.9350.890− 0.935 = 0.467− 0.40.6− 0.4 = 0.919

Nilai luas area perpindahan kalor : = ∆


30/40

30

= ∆ = 522500180

0.919

74.92

= . Jadi, luas area perpindahan kalor dengan menggunakan metode LMTD adalah 42.16m

2

Pendekatan NTU-Efektivitas

Langkah 1 : Menentukan nilai Cmin/Cmaks = . .∆ = . .∆ = 2,5 4180 .℃85℃− 35℃

= 522500 = 522500 200℃− 93℃ = 522500 m h ch = 4883,18 W℃ = 2 − 1 = 52250085℃− 35℃

m ccc = 10450 W

℃

Langkah 2 : Menghitung efektivitas Heat Exchanger

Dari data sebelumnya kita dapat mengetahui bahwa fluida minimum adalah fluida

yang nilai aliran massanya lebih kecil dibandingkan yang lain sehingga fluida

minimum adalah gas panas. Efektivitas heat exchanger dapat dihitung dengan

rumus :

= ∆ − − =1 − 21 − 1 = 200℃− 93℃200℃− 35℃ = 0.648 = 64.8

=

4883,18

10450= 0.467

Langkah 3: Menentukan jumlah satuan perpindahan NTU


31/40

31

Berdasarkan Tabel diatas, nilai NTU dapat ditentukan dengan rumus dibawah ini.

Nilai NTU untuk aliran silang Cmaks campur dan Cmin tak-campur, maka didapatkan

nilai NTU :

= − ln 1 + 1 1 − = − ln 1 + 10.467

1− (0.467 0.648 = − 1.477 Langkah 4: Menentukan luas permukaan Heat Exchanger

= = = = (1,477)(4883,18)180

= . Jadi, luas area perpindahan kalor dengan menggunakan metode NTU adalah

40.069 m2

NOMOR 4.

75.000 lb/jam etilen glikol dipanaskan dari suhu 100oF menjadi 200

oF menggunakan

uap pada suhu 250oF. Untuk tujuan tertentu, telah disediakan HE 1-2 dengan diameter

dalam 17 ¼ inch. HE tersebut memiliki 224 tabung jenis 14 BWG dengan diameter

luar tabung ¾ inch dan panjang 16’0’’. Tabung disusun dengan susunan triangular


32/40

32

pitch 15/16 – inch dan jarak antar baffles 7 inch. Berapakah faktor pengotor dari HE

tersebut ?

Teori Dasar

Fouling atau pengotor merupakan pembentukan lapisan deposit pada permukaan dari

bahan atau senyawa pada proses perpindahan panas yang tidak diinginkan. Bahan

atau senyawa itu berupa kristal, sedimen, senyawa biologi, produk reaksi kimia,

ataupun korosi. Pembentukan lapisan deposit ini akan terus berkembang selama alat

penukar kalor dioperasikan. Penumpukan lapisan deposit pada permukaan alat

penukar kalor menimbulkan kenaikan pressure drop dan menurunkan efisiensi

pertukaran panasnya. Untuk menghindari penurunan performa alat penukar kalor

yang terus berlanjut, maka diperlukan suatu informasi yang jelas tentang tingkat

pengotoran untuk menentukan jadwal pembersihan. Lapisan pengotor dapat berasal

dari partikel-partikel atau senyawa lainnya yang terbawa oleh aliran fluida.

Pertumbuhan lapisan ini dapat didukung oleh permukaan deposit yang terbentuk

mempunyai sifat adhesif yang cukup kuat. Gradien temperatur yang cukup besar

antara aliran dengan permukaan dapat juga meningkatkan kecepatan pertumbuhan

deposit.

Faktor pengotoran didefinisikan sebagai

= 1 − 1 Diketahui :

= 75.000

1,

= 100

(

)

1,

= 200 ( ) 2, = 250 2, = 250 () Karakteristik Heat Exchanger :


33/40

33

Diameter dalam shell (ID) = 17,25 in

Jarak antar baffles (b) = 7 inch

Diameter luar tube (OD) = 0.75 inch

Panjang tube (L) = 16 ft

Jenis tube = 14 BWG

Pitch tube ( P t )= 15/16 inch

Jumlah tube ( N t ) = 224

Passes tube side (n pass) = 2

Passes shell side = 1

Ditanya : R f = ?

Asumsi :

Pada Heat Exchanger , steam (fluida panas) mengalir pada tube sedangkan etilen

glikol (fluida dingin) mengalir pada shell . Pemilihan fluida ini disebabkan karena

uap yang terkondensasi bersifat korosif sehingga perawatan heat exchanger akan

lebih mudah jika uap dialirkan di dalam tube.

Steam diasumsikan memiliki sifat-sifat termal yang sama dengan air untuk

menentukan

nilai viskositas.

Tidak ada aliran kalor antara sistem dan lingkungan.

Kalor yang dilepas oleh steam hanya digunakan untuk berubah wujud menjadicair dan

tidak digunakan untuk menurunkan suhunya.

Langkah-Langkah untuk Menghitung nilai R f :

1. Menentukan ∆ dengan metode LMTD∆ = 2, − 1, −2, − 1,

ln

2, −1,

2,

−1,

=250− 200 − 250− 100

ln

250−200250

−100

= 91,024 2. Menentukan Besarnya Kalor yang Berpindah (Q) dan Massa Steam yang

Masuk


34/40

34

Berdasarkan literatur, didapatkan nilai kalor jenis ethylene glycol pada rentang

suhu 100-200°F sebesar 0,62 Btu/lb.oF dan kalor laten penguapan air sebesar

945,5 Btu/lb

= × × ∆= 75.000 × 0,62 . × (200 − 100)

= 4,65 × 106 Menggunakan Asas Black = ( )

×

=

×

×

∆

× 945,5 = 4,65 × 106 = 4918 / 3. Aliran dalam shell (aliran steam)

Tabel 1 Data Heat Exchanger (Sumber : Kern, D. Q., 1965. Process Heat Transfer.

Paris: McGraw-Hill Book Company, Inc)

Berdasarkan tabel diatas, maka didapatkan data untuk OD tube sebesar ¾ in dan

14 BWG adalah


35/40

35

ID = 0,584 in = 0,0487 ft ′ = 0,268 in2 = 1,861×10-3 ft2 Selain itu, berdasarkan literatur, viskositas steam pada suhu 250°F sebesar 0,013

cp.

= ID × ′Pr× 144 = N × ′144 × = 224 × (1.861 × 10−3)144 × 2 = 1,447 × 10−3 2 = = 4918

1,447 × 10−3 2 = 3,4 × 106 2 .

= × = 0,0487 × 3,4 × 106 2 .0,013 × 2,42 . . = 5,263 × 106

Karena bilangan Reynold sebesar 5,263 × 106, maka aliran steam dalam heat

echanger merupakan aliran yang turbulen.

Gambar 10. Grafik Re vs jH (Sumber : Kern, D. Q., 1965. Process Heat Transfer.

Paris: McGraw-Hill Book Company, Inc)

Karena bilangan Reynold sebesar 5,263 × 106 dan bilangan Reynold tersebuttermasuk ke dalam zona turbulen, maka

= 0,8 = 5,263 × 1060,8 = 2,4 × 105


36/40

36

= × × −1

3 −0,14 → =

×

−1

3

−0,14

×

Berdasarkan literatur, diketahui nilai cp untuk steam sebesar 0,41 . dan kuntuk steam sebesar 9,9 × 10−3 /. . =

2,4 × 105

0,41 .×0,013 ×2,42 . . 9,9×10−3 / . .

−13 0,013

1 −0,14×

9,9 × 10

−3

/

.

.

0,0487 = 2,9 × 104 2 . 4. Aliran dalam tube (aliran ethylene glycol )

Berdasarkan literatur, nilai viskositas dari etilen glikol sebesar 5 cp atau 11,17/ 2 Tube pitch merupakan penjumlahan dari diameter tube dan jarak ruangan (C’).

Jadi :

′ = − = 1516− 3

4= 0,1875

= × ′ × = (17,25 ) × (0,1875 ) × ( 7 )1516

= 24,15 2= 0,1677 2

=

=

75000

0,1677 2

= 4,5 × 105

2

.

Menentukan De

= 4 × 12 × 0,86 − 18 212 =

4 × 12

×15

16× 0,86 ×

15

16− 1

80,752

1

2(0,75)


37/40

37

= 0,536 = 0,0447 Menentukan Bilangan Reynold

= × = 0,0447 × 4,5 × 105 2 .11,17 . = 1,8 × 103

Karena bilangan Reynold sebesar 1,8 × 103 maka aliran steam dalam heat

echanger merupakan aliran yang laminer. Berdasarkan gambar 1, didapatkan

nilai hio.

Berdasarkan literatur, nilai k etilen glikol sebesar 0,1503 /. . dan cpetilen glikol sebesar 0,62

.

= 1,86 × 1

3 0,14 = 1,86 1,8 × 10

3

0,62

.

×

11,17

.

0,1503 . . 16

0,0447 1

3

5

1 0,14

0,1503

.

.

0,0447 = 2426 2.

5. Menghitung R f

= ×

+

=

2426 × 2,9 × 104

2426 + 2,9 × 104= 2238,72

2 .

.

Menghitung Utotal

Berdasarkan tabel 1, didapatkan a”=0,1963 ft2 = × × ′′ = 224 × 16 × 0,1963 2 = 703,54 2

Menghitung Udirty


38/40

38

= × ∆ = 4,65 × 106

(703,54 2) × 91,024 = 72,6 2 . .

=

− × =

2238,72

−72,6

2238,72 × 72,6= 0,01333

.

2 .

Jadi, dirt factor sebesar 0,01333 h.ft2.oF/Btu


39/40

39

BAB III

KESIMPULAN

1. Konveksi merupakan peristiwa perpindahan kalor yang disertai dengan

perpindahan zat pengantar.

2. Konveksi dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu konveksi alamiah dan konveksi

paksa. Konveksi alamiah merupakan peristiwa perpindahan panas yang terjadi

tanpa stimulus khusus dari lingkungan, saat dua fluida pembawa kalor mengalir

secara alami disebabkan oleh perbedaan suhu dari daerah bersuhu tinggi ke

daerah yang bersuhu rendah. Konveksi paksa merupakan peristiwa perpindahan

panas yang terjadi dengan adanya stimulus khusus dari lingkungan.

3.

Lapisan batas termal didefinisikan sebagai daerah di mana terdapat gradien suhuyang terjadi karena proses pertukaran kalor fluida dan dinding.

4. Dalam penghitungan konveksi secara empiris, dilibatkan beberapa bilangan tak

berdimensi di antaranya Bilangan Nusselt, Bilangan Grashoft, Bilangan Prandtl,

dan bilangan Rayleigh.

5. Konveksi alami pada permukaan bergantung pada geometri permukaan. Faktor

lainnya yang memengaruhi konveksi alami adalah variasi suhu pada permukaan

dan sifat termofisika dari fluida yang terlibat.

6. Analisis dinamika fluida tersebut merupakan suatu metode untuk

mengidentifikasi suatu fluida yang bersifat dinamis atau tidak tetap.

7. Prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari 2 fluida pada

temperatur berbeda di mana transfer panas dapat dilakukan secara langsung

ataupun tidak langsung.

8. Kemampuan suatu alat penukar kalor (APK) dalam memindahkan panas

dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain: faktor pengotoran, koefisien

perpindahan panas, luas permukaan permindahan panas, beda suhu rata-rata,

jumlah lintasan, dan penurunan tekanan APK.

9. Metode untuk menentukan laju kalor pada konveksi paksa (APK) adalah metode

beda suhu rata-rata (LMTD) dan metode NTU-efektivitas.


40/40

DAFTAR PUSTAKA

Holman, J. P. 1997. Perpindahan Kalor, terj. E. Jasfi. Edisi Keenam. Jakarta:

Erlangga.

Kern, D. Q., 1965. Process Heat Transfer. Paris: McGraw-Hill Book Company, Inc

Pitts, Donald R dan Leighton E. Sissom. 1987. TeoridanSoal-SoalPerpindahanKalor .

Jakarta :Erlangga

Anonim. Log Mean Temperature Difference.

http://eprints.undip.ac.id/41163/3/BAB_II.pdf (Diakses tanggal 18 April 2016)
http://eprints.undip.ac.id/41163/3/BAB_II.pdfhttp://eprints.undip.ac.id/41163/3/BAB_II.pdfhttp://eprints.undip.ac.id/41163/3/BAB_II.pdf

makalah pk pemicu 2

Documents