modul 204 perpindahan panas konveksi

8/12/2019 Modul 204 Perpindahan Panas Konveksi

http://slidepdf.com/reader/full/modul-204-perpindahan-panas-konveksi 1/26

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

-1/26-

MODUL 2.04 Perpindahan Panas Secara Konveksi

I. Pendahuluan

Perpindahan panas adalah salah satu faktor yang sangat menentukan operasional

suatu pabrik Kimia. Penyelesaian soal-soal perpindahan kalor secara kuantitatif biasanya

didasarkan pada neraca energi dan perkiraan laju perpindahan kalor. Perpindahan panas

akan terjadi apabila ada perbedaan temperatur antara 2 bagian benda. Panas akan

berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Panas dapat berpindah

dengan 3 cara, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Pada peristiwa konduksi, panas

akan berpindah tanpa diiukti aliran medium perpindahan panas. Panas akaan berpindah

secara estafet dari satu partikel ke partikel yang lainnya dalam medium tersebut. Pada

peristiwa konveksi, perpindahan panas terjadi karena terbawa aliran fluida. Secara

termodinamika, konveksi dinyatakan sebagai aliran entalpi, bukan aliran panas. Pada

peristiwa radiasi, energi berpindah melalui gelombang elektromagnetik.

Ada beberapa alat penukar panas yang umum digunakan pada industri. Alat-alat

penukar panas tersebut antara lain: double pipe, shell and tube, plate-frame, spiral, dan

lamella.Penukar panas jenis plate and frame mulai dikembangkan pada akhir tahun 1950-

N. Banyak penelitian yang telah dilakukan pada penukar panas jenis ini, namun

umumnya fluida operasi yang digunakan adalah air.

Pada praktikum ini, fluida yang digunakan adalah udara. Fluida udara

dimanfaatkan sebagai fluida operasi karena kalor yang dihasilkan flue gas dari operasi

suatu pabrik belum dimanfaatkan secara maksimal. Praktikum ini juga merupakan salah

satu usaha pengakjian lebih dalam mengenai flue gas.

Hasil praktikum diharapkan tampil dalam bentuk korelasi b

RE NU a.N N = .

Dengan demikian didapat korelasi antara bilangan Reynolds dengan bilangan Nusselt.





Modul 2.04 Perpindahan Panas Halaman 2 dari 26

II. Tujuan

Tujuan praktikum Modul Perpindahan Panas adalah:

1. Praktikan mempelajari peristiwa/ fenomena perpindahan panas melalui percobaan

penukar panas jenis plate and frame

2. Praktikan mampu memilih konfigurasi sistem perpindahan panas yang paling baik

III. Sasaran

Pada akhir praktikum diharapakan :

1.

Praktikan dapat menentukan koefisien perpindahan panas keseluruhan untuk variasitertentu seperti laju alir, temperatur masuk, arah aliran, dan/atau letak fluida

2. Praktikan menentukan nilai koefisien perpindahan panas secara empiris

3. Praktikan dapat memperoleh konfigurasi dengan koefisien perpindahan panas terbaik

4. Praktikan menemukan korelasi antara bilangan Retnolds dengan bilangan Nusselt.

IV. Tinjaun Pustaka

Pengoperasian suatu pabrik tidak lepas dari proses perpindahan panas yang

terjadi antara dua fluida yang berbeda temperaturnya. 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 langsusng (kedua fluida mengalami pengontakan) ataupun secara

tidak langsung (dibatasi oleh suatu dinidng pemisah/ sekat). Fluida yang mengalami

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

Dalam melakukan perancangan penukar panas harus diperhitungkan faktor

perpindahan panas pada fluida dan kebutuhan daya pompa mekanis untuk mengatasi gaya

gesek dan menggerakkan fluida. Penukar panas untuk fluida kerja yang memiliki rapatmassa besar (fluida cair), energi yang hilang akibat gesekan reletif lebih kecil daripada

energi yang dibutuhkan sehingga pengaruh yang merugikan ini jarang diperhitungkan.

Sedangkan untuk fluida yang rapat massanya rendah seperti gas, penambahan energi

mekanik dapat lebih besar dari laju panas yang dipertukarkan. Pada sistem pembangkit






daya termal, energi mekanik dapat mencapai 4 sampai 10 kali energi panas yang

dibutuhkan.

Ada tiga tipe penukar panas yang sering digunakan, yakni plate and frame/

gaskette plate (umumnya disebut plate exchanger ), spiral plate, dan lamella. Kesamaan

dari ketiga konfigurasi ini adalah permukaan pemindahan panas sama-sama terdiri dari

paralel lempeng logam yang dipisahkan permukaan kontak dan panas yang diterima

mengubah aliran fluida pada saluran tipis.

Penukar panas jenis plate adalah penukar panas yang dapat memindahkan panas

lebih baik dari 2 konfigurasi lainnya. Kelebihan lain penukar panas jenis plate ini adalah:

1. fleksibel dalam penyusunan arah alir fluida

2.

memiliki laju perpindahan panas yang tinggi3. mudah dalam pengecekan/ inspeksi dan perawatan.

Proses pertukaran panas di industri digunakan untuk pemenuhan kebutuhan unit

proses dan untuk konservasi energi. Penukar panas yang baik adalah yang memiliki laju

perpindahan panas seoptimal mungkin. Ketidakoptimalan laju perpindahan panas

ditentukan nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan (U). Hasil-hasil penelitian yang

telah dipublikasikan menunjukkan bahwa perubahan fluks massa udara dapat

meningkatkan nilai U untuk setiap laju alir massa flue gas konstan pada lat penukar panas

jenis plat. Marriot (1971) membatasi rentang bilangan Reynolds yang efektif untuk fluida

operasi gas-gas adalah 10-400. Pada bilangan Reynolds yang terlalu tinggi, laju alir

fluida juga akan tinggi, yang akan menyebabkan perpindahan panas tidak efektif.

Praktikum ini dilakukan dengan menggunakan penukar panas plate and frame

dengan beberapa karakteristik, antara lain penukar panas pelat bersaluran jamak banyak

saluran, beraliran berlawanan arah, dan beraliran menyilang. Variabel yang terlibat dalam

percobaan ini adalah besarnya laju alir massa fluida yang menentukan bilangan Reynolds

operasi. Laju alir fluida dihitung dengan menggunakan rotameter yang telah dikalibrasi

terleih dahulu. Pembacaan temperatur fluida menggunakan termokopel yang ditempatkan

pada aliran masuk dan keluar fluida panas maupun fluida dingin. Karakteristik yang akan

diamati berupa laju perpindahan panas Q, fluks kalor hilang q loss, koefisien perpindahan

panas konveksi h, bilangan Reynolds, dan bilangan Nusselt.






IV.1 Penukar Panas Jenis Pelat

Penukar panas adalah alat yang digunakan untuk mempertukarkan panas secara

kontinue dari suatu medium ke medium lainnya dengan membawa energi panas. Secara

umum ada 2 tipe penukar panas, yaitu:

1. direct heat exchanger, dimana kedua medium penukar panas saling kontak satu

sama lain.

2. indirect heat exchanger, dimana kedua media penukar panas dipisakan oleh

sekat/ dinding dan panas yang berpindah juga melewatinya.

Yang tergolong indirect HE adalah penukar panas jenis shell and tube, pelat,

dan spiral. Sedangkan yang tergolong direct HE adalah cooling tower dimana operasi

perpindahanpanasnya terjadi akibat adanaya pengontakan langsung antara air dan udara.Penukar anas jenis pelat memberikan hasil yang lebih baik dalam proses

pertuakran panas, karena:

1. menggunakan material tipis untuk permukaan penukar panas sehingga

menurunkan tahanan panas selama konduksi

2. memberikan derajat turbulensi yang tinggi yang memberikan nilai konveksi yang

besar sehingga meningkatkan nilai U dan juga menimbulkan self cleaning effect

3. Faktor-faktor fouling kecil karena:

a. aliran turbulen yang tinggimenyebabkan padatan tersuspensi

b. profil kecepatan pada pelat menjadi seragam

c. permukaan pelat secara umum smooth

d. laju korosi rendah

e. mempunyai nilai ekonomis dalam instalasi karena hanya membutuhkan

tempat 1/4 sampai 1/10 tempat yang dibutuhkan tube dan spiral

f. mudah dalam modifikasi dan pemeliharaan

g. penukar panas jenis pelat dapat memindahkan panas secara efisien

bahkan pada beda temperatur sebesar 10C sekalipun

h. penukar panas jenis pelat juga fleksibel dalam pemeliharaan aliran.

Menurut Bell (1959) ada beberapa tipe aliran fluida dalam pelat heat exchanger,

yaitu:

1. seri

Pola ini digunakan untuk fluida yang laju alirnya rendah dan beda

temperaturnya tinggi






2. paralel

Pola ini digunakan untuk fluida yang laju alirnya lebih besar dan beda

temperaturnya rendah

3. seri paralel

Pola ini digunakan untuk fluida yang laju alir dan beda temperaurnya tidak

terlalu tinggi (menengah)

Penukar panas jenis pelat terdiri atas pelat-pelat tegak lurus yang dipisahkan

sekat-sekat berukuran antara 2 sampai 5 mm. Pelat-pelat ini berbentuk empat persegi

panjang dengan tiap sudutnya terdapat lubang. Melalui dua di antara lubang-lubang ini

fluida yang satu dialirkan masuk dan keluar pada satu sisi, sedangkan fluida yang lian

karena adanya sekat mengalir melalui ruang antara di sebelahnya. Struktur umum penukar panas kenis pelat yang dipublikasikan Marriot, 1971 dapat dilihat pada gambar 1

berikut.

Gambar 1 Penukar panas jenis pelat [Marriot, 1971]

Banyak pelat bergelombang, sehingga aliran turbulen sudah tercapai pada

bilanagn Reynolds antara 10-400. Pelat yang lebih tipis akan memberikan perpindahan

panas yang lebih efisien, uniform, dan proses kontrol yang lebih baik. Berdasarkan

konstruksinya, penukar panas pelat dapat dibagi menjadi 2 macam, yaitu Gasketted Plate

Heat Exchanger dan Brazed Plate Heat Exchanger.

Gasketted plate heat exchanger mudah dimodifikasi karena desiannya fleksibel.

Fungsi utama gasket adalah menjaga tekanan fluida, menjaga laju alir fluida dan

mencegah pencampuran fluida. Selain iu, gasket juga mudah dibuka untuk kontrol dan

pembersihan. Brazed plate heat exchanger adalah pengembangan jenis

gasket.Kelebihannya adalah lebih kompak, dan digunakan untuk tekanan dan temperatur

tinggi.






IV.3 Jenis-Jenis Plate Heat Exchanger

Pada percobaan ini, studi terhadap penuakr panas jenis pelat didasarkan pada

ragam aliran fluida operasi. Berdasarkan hal ini penukar panas jenis pelat dapat

dibedakan menjadi:

1. penukar panas pelat beraliran jamak (multipass plate heat exchanger )

2. penukar panas pelat berlawanan arah (countercurrent plate heat exchanger )

3. penukar panas pelat bersilangan arah (crosscurrent plate heat exchanger )

Alat penukar panas saluran jamak memiliki spesifikasi aliran berupa saluran

jamak laluan (multipass) untuk aliran udara pendingin dan saluran tunggal untuk aliran

flue gas. Penukar panas pelat secara skematik dapat dilihat pada Gambar 2. Proses

pertukaran panas pada penukar panas jenis ini secara sederhana mirip dengan proses pertukaran panas pada penuakr panas pipa ganda (double pipe heat excanger ).

Perbedaannya terletak pada bentuk alur laluan fluida. Pada pipa ganda alur laluan fluida

pendinginnya sejajar dengan alur laluan fluida panasnya. Baik fluida dingin maupun

panas memiliki alur aliran yang lurus ( smooth ). Sedangkan pada penukar panas pelat

beraliran jamak alur laluan fluida dingin membentuk hutuf U dan sejajar dengan alur

laluan fluida panas.

Gambar 2 Penukar panas jenis pelat berlairan jamak (multi-pass)

Pada alat penukar panas berlawanan arah, kedua fluida, flue gas, dan udara

pendingin mengalir masuk ke penukar panas dalam arah yang berlawanan dan keluar

sistem dalam arah yang berlawanan juga. Gambar 3 menunjukkan skema arah aliran pada

penukar pelat berlawanan arah.






Gambar 3 Penukar panas pelat berlawanan arah (counter current )

Pada penukar panas pelat bersilangan arah, udara bergerak menyilang melalui

matriks perpindahan panas yang dilalui oleh flue gas. Arah matriks perpindahan panas

pada penukar panas jenis ini dapat dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4 Penukar panas bersilangan arah (cross-current )

IV.4 Koefisien Perpindahan Panas

Perpindahan panas antara dua fluida yang dipisahkan oleh pelat terjadi secara

konduksi dan konveksi. Jika konduksi dan konveksi secara berurutan, maka tahanan

panas yang terlibat (konduksi dan konveksi) dapat dijumlahkan untuk memperoleh

koefisien perpindahan panas keseluruhan (U).

Besaran 1/Uh dan 1/Uc disebut tahanan keseluruhan terhdap perpindahan panas

dan merupakan jumlah seri dari tahanan di fasa fluida panas, pelat, dan fluida dingin.Secara metemais dapat dirumuskan:

+

+=

h

cc

h

w

w

hh

dA

dAh

1

dA

dAk

x

h

1

U

1 (1)

dan






+

+=

c

h

hc

w

w

cc

dA

dA

h

1

dA

dA

k

x

h

1

U

1 (2)

panasfluidadasaratasnkeseluruha panastahananU

1

:dimana

h

=

pelattaskonduktivik pelattebalx

dinginfluidadi panasn perpindahakoefisienh

panasfluidadi panasn perpindahakoefisienh

dinginfluidadasaratasnkeseluruha panastahananU

1

w

c

h

c

==

=

=

=

Perpindahan panas menjadi:

)TU(TdA

dQch −= (3)

hw,h

hTT

dA

dQ

h−

= (4)

ccw,

cTT

dA

dQ

h−

= (5)

dQ/dA adalah fluks panas per unit perpindahan panas di maan perbedaan temperatur (Th-

Tc). U adalah koefisien perpindahan panas keseluruhan, Tw adalah temperatur dinding

pelat. Gradien temperatur pada proses konveksi paksa ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5 Gradien temperatur pada proses konveksi paksa [McCabe, 1993]






Karena harga Th dan Tc berbeda untuk tiap titik, digunakan beda temperatur rata-

rata logaritmik (∆TLMTD). Secara matematis dirumuskan:

−=

2

1

21LMTD

T

Tln

TTT (6)

Untuk fluida dengan aliran single pass, ∆TLMTD harus dikoreksi dengan faktor 0.95.

Koreksi perlu dilakukan agar nilai yang diperoleh lebih valid. Untuk memperoleh harga

faktor koreksi (Ft) perlu terlebih dahulu dicari nilai dari konstanta tak berdimensi Z dan

ηH. Dimana:

( )ic,oc,

oh,ih,

TTTTZ

−−= (7)

dan

( )( )ic,ih,

ic,oc,

TT

TTηH

−

−= (8)

Kemudian, dengan mengaluirkannilai Z dan ηH pada Gambar 6, diperoleh nilai F t.

IV.5 Variabel Keadaan

Secara matematis tujuan percobaan ini adalah mencari nilai a, b, c pada persamaan:

c

PR

b

RE NU .Na.N N = (9)

Dari persamaan si atas terlihat bahwa ada beberapa variable keadaan yang terlibat, yaitu

bilangan Reynolds, bilangan Prandtl, dan bilangan Nusselt. Bilangan Reynolds

menggambarkan karakteristik aliran fluida apakah bersifat laminar atau turbulen.

Bilangan Prandtl menunjukkan karakteristik termal fluida. Sedangkan bilangan Nusselt

menggambarkan karakteristik proses perpindahan panas.

Bilangan Reynolds merupakan bilangan tak berdimensi yang didefinisikan

sebagai perbandingan antara gaya inersia terhadap gaya viscous dalam system aliran

fluida. Secara matematis dapat dirumuskan:

µ

ρ.d.v NRE = (10)






dimana ρ = densitas fluida (kg/m3)

v = laju alir fluida (m/s2)

µ = viskositas fluida (ms2/kg)

D = diameter (m)

Gambar 6 Faktor koreksi temperatur untuk aliran cross-current [McCabe, 1993]

Berikut adalah densitas fluida udara pada tekanan atmosferik:

Temperatur (K) 273.15 288.15

Densitas (g/L) 1.2928 1.2250

Aliran fluida cair pada tube bersifat laminar bila bilangan Reynolds kurang dari

2100. Pada rentang bilangan Reynolds antara 2100-6000 fluida mengalir pada regim

transisi. Sedangkan jika bilangan Reynolds sudah lebih dari 6000 aliran fluida tergolong

turbulen.

Bilangan Prandtl merupakan bilangan tak berdimensi yang didefinisikan sebagai

pebandingan antara kapasitas panas fluida dikalikan viskositas terhadap konduktivitas

termal fluida. Secara matematis bilangan Prandtl dirumuskan sebagai:

k

.µC N

p

PR = (11)

dimana Cp = kapasitas panas fluida

µ = viskositas fluida

k = konduktivitas termal fluida

Berikut ini adalah bilangan Prandtl fluida udara pada tekanan atmosferik:






Temperatur

(K)

Bilangan

Prandtl

160

200

240

280

300

350

400

450

500

0.754

0.738

0.724

0.710

0.705

0.699

0.694

0.691

0.689

Dari tabel tersebut terlihat bahwa nilai bilangan Prandtl udara relatif konstan

sehingga korelasi bilangan tak berdimensi tersebut dapat disederhanakan menjadi:

b

RE NU a.N N = ( 12)

)(Nln baln)(Nln RE NU += (13)

Persamaan (12) dan (13) tersebutlah yang merupakan persamaan yang

menunjukkan korelasi antara bilangan Nusselt dengan bilangan Reynolds.

Bilangan Nusselt didefinisikan sebagai perbandingan antara gradien dinding

(dT/dy)w terhadap gradien temperatur (T-Tw)/D. Secara matematis dapat ditulis:

w

w NU

TT

dy

dT

D.k

hD N

−

−== (14)

Dari persamaan tersebut, terlihat ada beberapa variabel yang mempengaruhi

besarnya nilai bilangan Nusselt, yaitu koefisien perpindahan panas, konveksi h, diameter

ekivalen pelat D, dan konduktivitas termal fluida k. Nilai konduktivitas termal fluida

udara pada beerbagai suhu dapat dilihat pada tabel berikut;

Temperatur (K) 300 350 400 500 600 700 800

k udara (10-2

W/mK) 2.62 3.00 3.38 4.07 4.69 5.24 5.73

IV.6 Korelasi Data

Untuk aliran turbulen pada penukar panas jenis pelat, Marriot (1971)

memberikan korelasi sebagai berikut






d

c

PR

b

RE NUµw

µ. Na.N N

= (15)

dimana N NU = bilangan Nusselt

NRE = bilangan Reynolds

NPR = bilangan Prandtl


µw = viskositas fluida di lapisan batas

a = 0.15-0.40

b =0.65-0.85

c = 0.30-0.45

d = 0.05-0.20

Persamaan khusus yang digunakan Marriot (1971) adalah:

0.15

0.333

PR

0.668

RE NUµw

µ. N.N374.0 N

= (16)

Persamaan ini berlaku untuk fluida operasi air-air dengan rentang bilangan

Reynolds antara 10-10000. Karena µ dan µw dapat dianggap sama, maka Troupe (1960)

merumuskan hubungan di atas menjadi:

0.4

PR

0.65

RE

s

l

NU

N).N0.0505(0.383 N −= (17)

dengan besaran l adalah panjang saluran dan besaran s adalah jarak aliran lokal. Untuk

pelat dengan satu macam struktur geometri, perbandingan l/s besarnya antara 1.5 sampai

10, tetapi untuk banyak tipe seperti pelat dengan struktur geometri yang bersilangan,

perbandingan l/s sulit ditentukan. Untuk aliran laminar Sieder-State merumuskan

hubungan sebagai berikut:

0.14

w

0.333

hPR RE NUµ

µ/L).d Na(.N N

= (18)

IV.7 Neraca Massa dan Energi pada Sistem Alat Perpindahan Panas

Karakteristik alat perpindahan panas ditentukan oleh beberapa faktor, antara lain:

1. jenis fluida yang akan dipertukarkan panasnya

2. laju alir fluida

3. tipe aliran yang dipakai (co-current atau counter-current )






4. letak fluida panas dan dingin, di dalam atau di luar alat penukar panas

tersebut.

Dalam neraca entalpi pendingin dan pemanas didasarkan pada asumsi bahwa

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

dan nergi kinetik semuanya kecil dibandingkan dengan suku-suku lain dalam persamaan

neraca energi. Maka, untuk satu arus dalam penukar kalor

Q= m (H b-Ha) (19)

Dimana, m = laju aliran massa dalam arus tersebut

t

Qq = = laju perpindahan kalor ke dalam arus

Ha dan H b = entalpi per satuan massa arus pada waktu masuk dan pada waktukeluar.

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 udara sekiktar 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 (Hhb – Hha) = qh (20)

sedangakan untuk fluida dingin adalah :

mc (Hcb – Hca) = qc (21)

Tanda qc positif sedangkan tanda qh negatif karena fluida panas menerima kalor

sedangkan fluida dingin melepas kalor. Dengan asumsi tidak ada kalor yang terbuang ke

lingkungan, maka

qc = -qh (23)

Maka persamaan neraca entalpi keseluruhan adalah

mh C ph (Thb – Tha) = mc C pb.(Tcb – Tca) = qc (24)

Perhitungan perpindahan klalor didasarkan atas luas penukaran pemanasan yang

dinyatakan dalam laju panas per luas permukaan atas dasar luas bidang tempat

berlangsungnya aliran panas. Laju perpindahan kalor per satuan luas disebut fluks kalor.

Bila fluida dipanaskan atau didinginkan, suhu fluida di dalam pemanas ataupun

pendingin akan berbeda-beda. Jika fluida itu sedang mengalami pemanasan, suhu

minimum terdapat pada dinding pemanas, dan meningkat berangsur sampai ke pusat.






Suhu rata-rata dalah suhu yang dicapai bila keseluruhan fluida yang mengalir melalui

penampang dikeluarkan dan dicampurkan secara adiabatik sehingga didapatkan satu suhu

yang seragam.

Fluks panas terjadi dengan driving force perbedaan suhu yaitu Th-Tc (∆T). Th

adalah suhu rata-rata fluida panas dan Tc adalah suhu rata-rata fluida dingin. Perbedaan

suhu tersebut disebut Overall Local Temperature Difference. Dalam suatu alat penukar

panas ∆T tersebut berubah dari suatu titik ke titik lain sehingga fluks juga berubah. Fluks

lokal adalah dq/dA sebanding dengan nilai ∆T pada tiap titik menurut persamaan

dA

dq = U.∆T (25)

U adalah koefisien perpindahan panas keseluruhan (overall ).

Untuk menyelesaikan integrasi tersebut harus diasumsikan beberapa pengandaian untuk

penyederhanaan antara lain :

1. Koefisien U bernilai konstan

2. Kalor spesifik fluida panas dan fluida dingin konstan

3. Pertukaran kalor dengan lingkungan diabaikan

4. Aliran tunak dapat searah maupuin berlawanan arah

Supaya asumsi-asumsi ini dapat berlaku benar maka nilai ∆T harus kecil karena

sebetulnya parameter-parameter tersebut merupakan fungsi suhu. Perhitungan ∆T ini

dihitung secara LMTD.

V. Rancangan Percobaan

V.1 Perangkat dan Alat Ukur

Untuk dapat melaksanakan percobaan ini diperlukan beberapa peralatan.

Peralatan yang digunakan adalah:

1. Kompresor

2. Model fisik alat penukar panas jenis pelat

3. Valve (kerangan)

4. Rotameter

5. Pemanas listrik (heater )

6. Termometer-termokopel






Susunan peralatan secara skematik disajikan pada gambar 7. Aliran udara ke

penukar panas dikontrol oleh valve. Sebelum udara dialirkan ke alat penukar panas jenis

pelat oleh kompresor, udara terlebih dahulu dipaskan oleh pemanas udara (heater ) sampai

temperatur sekitar 360-400 0C. Udara pendingin yang dialirkan memiliki temperatur sama

dengan temperatur ruang dan pada tekanan atmosferik. Sedangkan laju alir udara diukur

dengan rotameter.

Gambar 7 Skema rangkaian peralatan percobaan

Termometer diletakkan pada aliran masuk dan keluar udara dan flue gas untuk

mengetahui perubahan temperatur yang terjadi pada penukar panas jenis pelat.

V.1.1 Alat Penukar Panas Saluran Jamak

Alat penukar panas saluran jamak memiliki spesifikasi aliran berupa saluran

jamak banyak laluan (multipass) untuk aliran udara pendingin dan saluran tunggal untuk

aliran flue gas. Dengan adanya saluran jamak ini, perpindahan panas berlangsung secara

bertahap sehingga laju penurunan temperatur flue gas lebih teratur.

Fluida panas ( flue gas) yang digunakan dalam penelitian ini adalah udara yang

berasal dari kerangan (valve) yang dipanaskan oleh alat pemanas udara (heater ) dan

udara ambient sebagai fluida dingin. Rancangan alat penukar panas saluran jamak

ditampikan pada gambar 8 dan gambar 9 berikut:






Gambar 8 Alat penukar panas jenis pelat saluran jamak untuk sisi udara

Gambar 9 Alat penukar panas jenis pelat saluran jamak untuk sisi flue gas

V.1.2 Alat Penukar Panas Berlawanan Arah (Counter Current Plate Heat

Exchanger )

Pada alat penukar panas berlawanan arah, kedua fluida, flue gas dan udara

pendingin mengalir masuk ke penukar panas dalam arah berlawanan dan keluar sistem

dalam arah yang berlawanan juga. Hal ini dapat dilihat pada gambar 10 dan gambar 11.

Dengan skema peralatan tersebut diharapkan hasil yang diperoleh dapat memenuhi

rentang bilangan Reynolds antara 10-400 seperti yang ditekankan Marriot (1971).






Gambar 10 Alat penukar panas jenis pelat berlawanan arah untuk sisi udara

Gambar 11 Alat penukar panas jenis pelat berlawanan arah untuk sisi flue gas

V.1.3 Alat Penukar Panas Bersilangan Arah (Cross Current Plate Heat Exchanger )

Bila kedua fluida mengalir sepanjang permukaan perpindahan panas dalam

gerakan yang tegak lurus satu dengan lainnya, maka penukar panasnya dikatakan berjenis

aliran silang (cross flow). Pada sistem ini, udara bergerak menyilang melalui matriks

perpindahan panas yang dilalui flue gas.

Aliran fluida panas dan dingin pada penukar panas pelat beraliran silang yang

akan digunakan pada percobaan ini tidak saling bercampur (unmixed ). Hal ini disebabkan






oleh adanya sekat yang memisahkan aliran kedua fluida tersebut. Skema peralatan

penukar panas pelat beraliran silang ini ditampilkan pada gambar 12.

Gambar 12 Alat penukar panas jenis pelat bersilangan arah

V.2 Bahan/ Zat Kimia

Fluida udara panas/ flue gas yang bertemperatur sekitar 400 0C dan fluida

pendingin berupa udara bertemperatur ruang.

V.3. Langkah Percobaan

Diagram alir praktikum perpindahan panas konveksi ini disajikan pada gambar

13 berikut:






Pemilihan jenis pelat

yang akan digunakan

Percobaan pendahuluan berupa kalibrasi

rotameter dan termometer

Percobaan I dan II pada jenis pelat

multipass dengan variasi laju alir fluida

panas dan fluida dingin

Percobaan III dan IV pada jenis pelatcounter current dengan variasi laju alir

fluida panas dan fluida dingin

Percobaan V dan VI pada jenis pelat

cross current dengan variasi laju alir

fluida panas dan fluida dingin

Penentuan karakteristik perpindahan

panas berupa Q, U, h, NRE, dan N NU

Pengolahan data dan

analsis hasil percobaan

Gambar 13 diagram alir percobaan perpindahan panas secara konveksi

V.4 Metoda Pengukuran

Parameter percobaan diperoleh datanya dari termometer/termokopel yang

dipasang pada aliran inlet dan outlet baik untuk fluida panas/ flue gas maupun fluida

dingin. Sedangkan pengukuran variabel percobaan diperoleh dari pengukuran laju alir

fluida dengan flowmeter yang sudah dikalibrasi. Kalibrasi flowmeter dilakukan pada

percobaan pendahuluan dengan menggunakan orifice meter.

Parameter yang diamati adalah:

1. temperatur masuk flue gas (Th,i)

2. temperatur keluar flue gas (Th,o)

3. temperatur masuk udara pendingin (Tc,i)

4. temperatur keluar udara pendingin (Tc,o)






Sedangkan variabel percobaan yang digunakan pada percobaan ini adalah laju alir massa

flue gas (mh) dan laju alir massa udara pendingin (mc).

V.5 Data Literatur

Data-data literatur berikut diperlukan dalam pengolahan data pada praktikum

Modul Perpindahan Panas antara lain:

1. Densitas fluida sebagai fungsi suhu

2. Kapasitas panas (Cp) fluida sebagai fungsi suhu

3. Viskositas fluida sebagai fungsi suhu

4. Konduktivitas fluida sebagai fungsi suhu

5. Titik didih fluida sebagai fungsi tekanan

V.6 Data Percobaan

Berdasarkan parameter-parameter percobaan pada butir V.3 nilai data-

data berikut harus didapat dari percobaan:

1. Data kalibrasi termometer

Termometer No. T es mencair (0C) T air mendidih (

0C)

2. Data kalibrasi rotameter

Skala t (s) Laju alir

3. Data Percobaan Utama yang terdiri dari:

1. Kalor yang dipindahkan fluida panas

2. Kalor yang dipindahkan fluida dingin

3. Suhu awal dan akhir fluida dingin

4. Suhu awal dan akhir fluida panas

5. Suhu awal dan akhir dinding media pertukaran panas

Jenis aliran panas : counter current / co-current

1 2 3 4 5 6 7

mh (L/s)

mc (L/s) Qh (kal)

Qc (kal)

Thi (0C)

Tho (0C)






Tci (0C)

Tco (0C)

Twi,1 (0C)

Tw1,2 (0C)

Two (0C)

V.7 Analisis Data Percobaan

Dari penjabaran di atas, diketahui bahwa data percobaan yang diperoleh berupa

Th,i, Th,o, Tc,i, Tc,o, laju alir flue gas (vf ) dan laju alir udara pendingin (vu). Dari data

percobaan ini dapat dihitung nilai dari parameter-parameter karakteristik perpindahan

panas. Paraemeter-parameter karakteristik perpindahan panas meliputi laju perpindahan

panas Q, fluks kalor hilang qloss, koefisien peprindahan panas keseluruhan U, dan

koefisien perpindahan panas konveksi h. Maisng-masing parameter dijelaskan pada

bagian berikut:

V.7.1 Laju Perpindahan Panas Q

Laju perpindahan panas dapat dinyatakan sebagai berikut:

)T(T*Cp*mQ io −=

Untuk fluida pendingin:

)T(T*C)T(T*Cp*mQc ic,oc,cic,oc,cc −=−=

Sedangkan, untuk flue gas:

)T(T*C)T(T*Cp*mQ oh,ih,hih,oh,hhh −=−=

dimana:

Q = Laju perpindahan panas, kcal/s

m = laju alir massa, kg/s

Cp = kapasitas panas fluida, kcal/kg.K

T = temperatur fluida

C = kapasitas perpindahan panas, kcal/s.Kc = pada sisi fluida dingin (cold )

h = pada sisi fluida panas (hot )

i = pada sisi inlet

o = pada sisi outlet






Dengan menggunakan persamaan-persamaan di atas dapat dihitung laju

perpindahan panas baik untuk fluida panas maupun fluida dingin (Qc dan Qh). Dari data

vu dan vf dapat kita hitung mh dan mc dengan persamaan:

A*v*m hh ρ =

dimana:

v = laju alir linier fluida, m/s

ρ = densitas fluida, kg/m3

A = luas bidang kontak, m2

V.7.2 Fluks Kalor Hilang (qloss)

Dalam proses perpindahan panas, tidak semua kalor terlibat dalam proses. Ada

sebagian kalor yang lepas ke lingkungan yang cukup mempengaruhi proses perpindahan

panas tersebut. Fluks kalor yang hilang ini didefinisikan sebagai:

( )loss

oi j

loss

qB

T-T*k

A

Q==

dimana:

Q = laju alir kalor, kcal/s

T = suhu, K

i = masuk (in)

o = keluar (out )

k j = kondukstivitas termal jaket

B = tebal kaowol

A = luas permukaan perpindahan panas

Dengan diperolehnya nilai qloss untuk masing-masing fluida maka dapat

dihitung Qoperasi untuk masing-masing fluida dengan persamaan:

Qoperasi = Q ± qA,

dimana notasi + berlaku untuk fluida idngin dan notasi – berlaku untuk fluida panas.

V.7.3 Koefisien Peprindahan Panas

Koefisien perpindahan panas yang terlibat dapat dibagi menjadi koefisien

perpindahan panas kleseluruhan U, dan koefieien perpindahan panas konveksi, h.

Penentuan nilai U dilakukan dengan menggunakan persamaan:






LMTD

operasi

T Ft a

QU

∆=

.**

Nilai Qoperasi adalah nilai fluks kalor nyata yang telah dikoreksi dengan qloss. A

menunjukkan luas area peprindahan panas. Nilai Ft diperoleh dari persamaan

( )( )

( )( )ic,ih,

ic,oc,

ic,oc,

oh,ih,

TT

TTηHdan

TT

TTZ

−

−=

−

−= dan Gambar.... Nilai TLMTD dihitung dengan

persamaan:

−=

2

1

21LMTD

T

Tln

TTT

Penentuan nilai h untuk salah satu sisi menggunakan persamaan:

ch h

1

k

x

h

1

U

1++=

Dimana U diperoleh dari persamaan di atas, x adalah tebal dinding pelat, k adalah

konduktivitas termal bahan, dan hh dan hc asing-masing adalah koefisien perpindahan

konveksi untuk sisi flue gas dan sisi fluida dingin.

Nilai hh dan hc adalah besaran yang ingin dicari secara bersamaan. Karena ada 2

variabel yang hendak dicari, maka perlu adanya penurunan persamaan. Penurrunan

persamaan yang dimaksud adalah:

( )( )

1'k

k

d

d

k

k

d

d1

U'

h

1U'

h

h

1

h

1

U'

1

h

1

h

1

h

h

h

1

U'

1

h

1

dan

h

1

h

1

k

x

U

1

c

h

h

c

c

h

h

c

1,

1,h

h

h

h

h

c

c

h

hc

ch

==

=−

−=

−

==

−=

+=+

a

N

N b

c RE

h RE

Dengan lebih sederhana persamaan tersebut menjadi:






( )

( )

+=

b

c RE

h RE

hi

N

N U

1,

1,

h 1'h

dengan

( )( )

( )( )

( )( )

( )( )

( )( )

( )( )

( )

( )

( )

( ) 211,

1,

12,

1,

2

1,

1,

1

2,

1,

2

2,

1,

2

1,

1,

1

2,

1,

2h

1,

1,

1h

''1'1'

1'1'

1'

1'

1

sehingga

1'h

1'h

hh

b

c RE

h RE

h

b

c RE

h RE

h

b

c RE

h RE

h

b

c RE

h RE

h

b

c RE

h RE

h

b

c RE

h RE

h

b

c RE

h RE

h

b

c RE

h RE

h

U U N

N

U N

N

U

N

N U

N

N U

N

N U

N

N U

N

N U

N

N U

−=

+−

+

+=

+

+

+

=

+=

+=

Dengan memasukkan nilai variabel NRE dan U’ baik sisi fluida panas maupun sisi fluida

dingin, dapat diperoleh nilai b. Dengan ketentuan notasi h dan c berlaku untuk fluida

panas dan dingin, serta notasi 1 dan 2 menyatakan data percobaan ke-1 dan ke-2. Dengan

diperolehnya nilai b dapat dihitung nilai hh dan hc.

V.8 Variabel Keadaan

Langkah berikutnya adalah menentukan nilai variabel keadaan yang terlibat, NRE

dan N NU untuk masing-masing sisi fluida panas maupun fluida dingin. Nilai NRE dihitung

denganµ

ρ.d.v NRE = dan nilai N NU dengan persamaan

w

w NU

TT

dy

dT

D.k

hD N

−

−==

Setelah memperoleh nilai masing-masing variabel keadaan, dapat ditentukan korelasi






antara NRE dan N NU dengan menggunakan persamaan: )(Nln baln)(Nln RE NU +=

Korelasi ini merupakan korelasi yang menunjukkan karakteristik spesifik dari masing-

masing jenis penukar pelat.

V.9 Langkah Pengolahan Data

1. Kalibrasi Termometer

bd

l b,ld,

T-T

T-T KalibrasiFaktor =

dimana Td,l = titik didih fluida mnurut literatur

T b,l = titik beku fluida menurut literatur

T b = titik beku air yang terbaca termometer

Td = titik didih air yang terbaca termometer

2. Penentuan ∆LMTD

a. Aliran Co-Current

)]T-)/(TT-ln[(T

)T-(T-)T-(T LMTD

cohocihi

cohocihi=

b. Aliran Counter-Current

)]T-)/(TT-ln[(T)T-(T-)T-(T LMTD

cohiciho

cohiciho=

Dimana : Tho = suhu keluar fluida panas

Thi = suhu masuk fluida panas

Tco = suhu keluar fluida dingin

Tci = suhu masuk fluida dingin

3. Penentuan NRE dan NPR

µ

ρ vd.. NRE =

k

µ.Cp N PR =

Dimana : ρ = densitas fluida

v = laju alir fluida

d = diameter saluran

Cp = kapasitas panas fluida






k = kondukrivitas termal fluida

4. Penentuan koefisien perpindahan panas konveksi (h)

Jika NRE < 2100

3

1

PR RE )l

d..N.(N

d

k h =

Jika 2100 < <10000

3

1

PR RE ) N. N.L

d .

4

k (2..

d

k h =

Jika >10000

0,023. N. N.dk h 3

1

PR

0,8

RE=

Dimana L adalah panjang pipa alat penukar panas.

5. Penentuan koefisien perpindahan panas menyeluruh (U)

a. U teoretis

Do

Di

ho D

Di

Kw

Xw

LMTD

.1

.hi

1

1 tUi,

++

=

b. U eksperimen

LMTD

eksAt

TCp.m. Ui, ∆=

Daftar Pustaka

1. Mc Cabe, W.L., Unit Operation of Chemical Engineering, 5rd Edition, McGraw-Hill

Book Co., Singapore, 1993, pp. 309-369.

2. Brown, G.G., Unit Operatons, Charles E. Tutle Co., Tokyo, 1960, pp. 415-447.

3. Perry, R., Green, D.W., and Maloney, J.O., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook,

6

th

Edition, McGraw-Hill, Japan, 1984, Section 11 pp. 11-1 to 11-314. Manual Sheet (attached at the rig ).

modul 204 perpindahan panas konveksi

Documents