perpindahan kalor 2

PERPINDAHAN KALOR

I. TUJUAN PERCOBAANSetelah melaksanakan percobaan ini diharapkan dapat- Mengetahui fenomena perpindahan kalor terutama jenis konduksi dan konveksi- Menghitung koefisien perpindahan kalor dan efisiensi kerja peralatan penukar kalor di

laboratorium OTK poltek- Melakukan praktek dengan aman

II. BAHAN DAN PERALATAN YANG DIGUNAKAN- 1 set peralatan HE- Air panas- Air dingin

III. GAMBAR ALAT (TERLAMPIR)

IV. DASAR TEORIDalam membicarakan pertukaran kalor pada alat penukar kalor diperlukan pengertian

dasar dari perpindahan kalor yang mendasari bekerjanya alat penukar kalor yang akan mendasar kerja praktik (penerapan) dari alat penukar kalor.

Perpindahan kalor dapat berlangsung berdasarkan pada 3 macam dasar, dalam berbagai kejadian sebagai berikut:1. Perpindahan kalor secara rambatan (konduksi): dimana perpindahan kalor secara rambatan

kebanykan terjadi pada benda padat, di dalam benda padat itu sendiri (atau satu titik dalam benda padat ke titik lain dalam benda padat itu sendiri) ataupun antara dua benda padat yang bersinggungan permanen.

2. Perpindahan kalor secara pancaran (konveksi): dimana kalor berpindah dari satu posisi ke posisi lainnya di dalam fluida secara memancar yang biasanya disertai dengan adanya perpindahan massa (disebabkan adanya difusi ataupun arus Eddy). Pancaran lebih sering terjadi pada media fluida cair.

3. Perpindahan kalor secara radiasi: dimana kalor berpindah dari sumber kalor menuju suatu benda secara pancaran melalui gelombang elektromagnetik tertentu tanpa memerlukan media prantara (fluida maupun padat).

Keberlangsungan ketiga proses perpindahan kalor diatas terjadi pada waktu yang bersamaan, yang amat ditentukan oleh proses yang terjadi saat perpindahan kalor.

PERPINDAHAN KALOR SECARA KONDUKSI (RAMBATAN)

Dasar perpindahan kalor secara konduksi ini adalah hukum fourier:

dQdt

=−kA dTdx

Dimana

dQdt

= jumlah kalor dipindahkan persatuanwaktuk=konstanta perpindahan kalor bahan

A=luas penampang kontak perpindahan panas−dTdx

=kecepatan perubahantemperatur yang tergantung dari jaeak dalamatauluar

Dalam keadaan tetap dy, maka harga dQ/dt dari persamaan diatas tetap sehingga dapat diganti dengn q, sehingga persamaan tersebut dapat disederhanakan menjadi :

Q=k Aavg(t 2−t 1)/( x1−x2)

Dimana

A adalah luas permukaan yang berlangsungnya perpindahan kalor rata-rata (avg) dan (t 2−t 1)merupakan daya penggerak untuk terjadinya perpindahan kalor antara 2 batas perpindahan, (x1−x2)adalah jarak perpindahan. Sebagai penghambat berlangsungnya perpindahan dapat dirumuskan sebagai berikut:

R= xk (A )

Dimana R adalah tahanan/hambatan terhadap berlangsungnya perpindahan kalor.

PERPINDAHAN KALOR PADA LEMPENGAN BERLAPIS PARAREL

Bila ada 3 padatan yang tersusun secara pararel maka perpindahan kalor persatuan waktu (q) ditentukan oleh karateristik dari ketiga padatan tersebut, maka :

q=( 1R1

+1R2

+1R3

) tPERPINDAHAN KALOR SECARA KONVEKSI

Perpindahan kalor yang terjadi antara dua fluida (cair dan gas) pada umumnya disertai dengan terjadinya perpindahan massa, baik pada konveksi alamiah ataupun konveksi paksa. Perpindahan kalor yang terjadi antara dua fluida yang dipisahkan oleh lempengan dengan adanya ketebalan dan pengaruh kotoran/keral. Pada gambar tersaji perpindahan kalor dari fluida 1 dan aliran fluida 2. Persamaan neraca energi 3 dimensi yang berlangsung dapat ditulis sebagai berikut :

Cp(Tt +Tx+Ty+ wT

2 )=( k T 2

x2 +T2

y2 +T 2

z2 )+Q+∅

Dimana adalah kalor hilang yang dipengaruhi oleh viskositas fluida. Q’= kalor diserap oleh media/reagent. Pada proses perpindahan energi antara dua fluida seperti digambarkan di atas, ada pengaruh yang terjadi di perbatasan diantara kedua fluida tersebut dengan lempeng pemisah.

Dengan adanya penyempurnaan/ penurunan berbagai persamaan untuk perpindahan kalor secara konveksi dapat disajikan oleh persamaan:

D4=hid A i (t 1−t 3 )¿hod A0 (t 5−t 7 )

KOEFISIEN PERPINDAHAN KALOR KESELURUHAN

Dalam pengujian alat penukar kalor tidak dilakukan pengukuran temperatur antara kedua fluida dengan permukaan lempeng, sehingga koefisien perpindahan kalor yang digunakan dalam perhitungan luas permukaan perpindahan digunakan koefisien perpindahan kalor keseluruhan U.

Sehingga persamaan yang digunakan berdasarkan ada perbedaan temperatur rata-rata antara kedua fluida yang mengalami penukar kalor.

Q=UA (t 1−t 7 )

Dimana Q= jumlah kalor yang berpindah dalam satuan waktuU= koefisien perpindahan kalor keseluruhan

(t 1−t 7 )= selisih temperatur/ penurunan temperatur

A= luas permukaan kontak perpindahan kalor

Pada proses perpindahan kalor cara konveksi dapat terjadi berbagai jenis konveksi, dari konveksi alamiah yang berdasarkan perbedaan density fluida, dan konveksi paksa laminer dan konveksi paksa turbulen dll. Atau konveksi yang tergantung pada fluida yang terlihat. Penggambaran dari berbagai macam faktor tersebut dapat disajikan melalui persamaan berikut:

Nnu=∅ ×N ℜ×N pr×N grNnu=bilangannuse<¿ hDkN ℜ=bilangan reynold=DG

μ

N pr=bilangan prandtl= cμkN gr=bilangan grashoff=D3ρ2 gβ∆T

μ2

Bilangan nuselt merupakan fungsi dari bilangan prandtl dan bilangan grashoff

PENUKAR KALOR LEMPENG

Penukar panas yang terjadi pada alat penukar panas lempeng didasarkan pada permukaan datar/lempengan, dimana lempengan tersusun sedemikian rupa sehingga luas permukaan pertukaran panas yang diperlukan. Penukar kalor lempengan terdapat dalam beberapa bentuk dasar :

a. Penukar kalor lempeng dimana susunan dari lempeng dinamakan plate frame heat exchanger

b. Spiral plate exchanger, yang terdiri dari lempengan bersirip, biasa digunakan untuk pesawat atau untuk proses penukaran kalor pada temperatur yang cukup rendah.

c. Plate & fine tube surfaced. Graphite block exchanger

Masing-masing alat penukar kalor mempunyai kelebihan dan kekurangan karena disesuaikan dengan kebutuhannya.

Plate HE terdiri dari lempengan standar sebagai permukaan berlangsungnya perpindahan dan rangka penyangga dimana disusun lempeng tersebut. Penurunan tekanan antar penukar kalor relatif kecil permukaan HE berlubang untuk memberikan efek turbulensi terhadap aliran. Aliran dalam penukar kalor dapat berlawanan arah dan searah. Antara kedua lempeng pada HE terdapat gasket sebagai penyekat dan juga menyediakan ruang, yang menyerupai plate dan frame filter press. Untuk perhitungan jumlah kalor yang dipertukarkan di dalam alat menggunakan :

Q=UA (Tm )

Dimana :

U=koefisien panas keseluruhan=hi+ 2k2,3D

hi=koefisien perpindahan panas lempeng logamk=konduktivitas termal danD=diameter aliran fluidaTm=perbedaanharga temperatur logaritmik rata−rata(T LMTD)

T LMTD untuk yang searah❑1−❑2

ln❑1

❑2

keterangan

T= temperatur fluida dingint= temperatur fluida panas1= masuk2= keluar

Dimana ❑1=t 1−T12=t 2−T 2

T LMTD untuk yangberlawanan arah❑1−❑2

ln❑1

❑2

Dimana ❑1=t 1−T2

2=t 2−T 1

V. LANGKAH KERJA

1. Memanaskan fluida air wadah terpisah dengan pemanasan kukus, pemanasan listrik sampai temperatur percobaan 70⁰C. lihat tabel pengisian data, selama menunggu tercapainya temperatur tersebut. Memasangkan saluran fluida/air panas ke wadah terpisah P1 penukar panas dan saluran fluida cair dingin dari jalur pendingin/ air umpan penukar panas.

2. Menghubungkan kabel pompa P, dengan sumber listrik 1 fasa terdekat. Dengan menyalakan pompa P1 untuk aliran panas dan mengatur katup tersebut

Pemberhentian Proses

1. Mematikan pemanas tangki fluida panas2. Mematikan aliran fluida dingin setelah 2 menit terlebih dahulu fluida panas3. Melepaskan hubungan pompa fluida pana s ke peralatan penukar kalor agar saluran fluida

dingin ke peralatan untuk bisa dibersihkan.

VI. DATA PENGAMATAN

KALIBRASI ROTAMETER LAJU ALIRAN DINGIN

No. Laju rotameter (L/jam) Laju sebenarnya (L/jam) Temperatur (0C) Waktu (sekon)1 200 230,4 37 52 300 367,2 37 53 400 489,5 37 54 500 612 37 5

ALIRAN PANAS TETAP

No. Fluida panas Fluida dinginLaju fluida

(L/jam)Temp.Masuk

(⁰C)Temp.Keluar

(⁰C)Laju Fluida

(L/jam)Temp. Masuk

(⁰C)Temp.Keluar

(⁰C)1 300 44 32 500 32 382 300 48 33 400 32 343 300 49 33 300 32 404 300 49 33 200 32 44

ALIRAN DINGIN TETAP

No. Fluida panas Fluida dinginLaju fluida Temp.Masuk

(⁰C)Temp.Keluar

(⁰C)Laju Fluida Temp. Masuk

(⁰C)Temp.Keluar

(⁰C)1 300 46 36 400 32 442 400 45 36 400 32 403 500 45 36 400 32 40

4 600 45 36 400 32 40

VII. PERHITUNGAN

A. Menghitung Laju sebenarnya (kalibrasi aliran fluida)- Run 1

Dik : laju rotameter = 200 L/jamT = 5 detik, V = 320 mL

Dit : Q.........?Jawab :

Q=VS

=320mL5detik

= 1 L1000mL

=3600detik1 jam

=230,4 L/ jam

- Run 2Dik : laju rotameter = 300 L/jam

T = 5 detik, V = 510 mLDit : Q.........?Jawab :

Q=VS

=510mL5detik

= 1 L1000mL

=3600detik1 jam

=367,2 L/ jam

- Run 3Dik : laju rotameter = 400 L/jam

T = 5 detik, V = 680 mLDit : Q.........?Jawab :

Q=VS

=680mL5detik

= 1 L1000mL

=3600detik1 jam

=489,6 L/ jam

- Run 4

Dik : laju rotameter = 500 L/jamT = 5 detik, V = 850 mL

Dit : Q.........?Jawab :

Q=VS

=850mL5detik

= 1 L1000mL

=3600detik1 jam

=612 L/ jam

B. Menghitung Kalor yang diserap fluida panas

Percobaan 1- Run 1

M = 300 kg/jam∆T = Tin - Tout

= (44 – 32) 0C = 12 0CCp = 4,294 kJ/kg 0C (hasil interpolasi dari tabel Cp)QH = M . Cp . ∆T = 300 kg/jam . 4,294 kJ/kg 0C . 120C = 15458, 4 kJ/jam

- Run 2M = 300 kg/jam∆T = Tin - Tout

= (48 – 33) 0C = 15 0CCp = 5,013 kJ/kg 0C (hasil interpolasi dari tabel Cp)QH = M . Cp . ∆T = 300 kg/jam . 5,013 kJ/kg 0C . 15 0C = 22558,9 kJ/jam


= (49 – 33) 0C = 16 0CCp = 4,174 kJ/kg 0C (hasil interpolasi dari tabel Cp)QH = M . Cp . ∆T = 300 kg/jam . 4,174 kJ/kg 0C . 16 0C = 20035,2 kJ/jam


= (49 – 33) 0C = 16 0CCp = 4,174 kJ/kg 0C (hasil interpolasi dari tabel Cp)QH = M . Cp . ∆T = 300 kg/jam . 4,174 kJ/kg 0C = 20035,2 kJ/jam

Percobaan 2- Run 1

M = 300 kg/jam

∆T = Tin - Tout

= (46 – 36) 0C = 10 0CCp = 4,654 kJ/kg 0C (hasil interpolasi dari tabel Cp)QH = M . Cp . ∆T = 300 kg/jam . 4,654 kJ/kg 0C . 100C = 13962 kJ/jam


= (45 – 36) 0C = 9 0CCp = 4,474 kJ/kg 0C (hasil interpolasi dari tabel Cp)QH = M . Cp . ∆T = 400 kg/jam . 4,474 kJ/kg 0C . 90C = 16106,4 kJ/jam


= (45 – 36) 0C = 9 0CCp = 4,474 kJ/kg 0C (hasil interpolasi dari tabel Cp)QH = M . Cp . ∆T = 500 kg/jam . 4,474 kJ/kg 0C . 90C = 20133 kJ/jam


= (45 – 36) 0C = 9 0CCp = 4,474 kJ/kg 0C (hasil interpolasi dari tabel Cp)QH = M . Cp . ∆T = 600 kg/jam . 4,474 kJ/kg 0C . 90C = 24159,6 kJ/jam15 0C

C. Menghitug kalor yang diserap fluida dingin ( Qc )

Percobaan 1

U = 450 Btu

hr f t 20F x

1 joule

9,84 x10−4 Btu x

1hr3600 s

x 1 ft ²

0,09m ² x

⁰F255,3K

¿¿

= 5,5286 J / s.m² k

A = 1 m²

∆T = Tout – Tin = (38 – 32 )⁰C

= 6⁰C + 273 K

= 279 K

Qc = U.A.∆T

= 5,5286 J / s.m² k. 1 m². 279 K

= 1542,4 j/s x 1kj

1000 j x

3600 s1 jam

= 5552,64 kj / jam

Note : dengan cara dan perhitungan yang sama , didapatkan nilai Qc untuk run yang lain

Run U ( j/s.m².k ) A (m²) ∆T (⁰K) Qc ( kj/jam )2 5,5286 1 275 5473,313 5,5286 1 281 5592,734 5,5286 1 285 5772,34

Percobaan II

Run U ( j/s.m².k ) A (m²) ∆T (⁰K) Qc ( kj/jam )1 5,5286 1 285 5672,342 5,5286 1 281 5592,733 5,5286 1 281 5592,734 5,5286 1 281 5592,73

D. Menghitung kalor rugi ( ∆Q )

Percobaan 1

Run 1

QH = 15458,4 kj/jam

QC = 5552,64 kj/jam

∆Q = QH – QC

= 15458,4 kj/jam – 5552,64 kj/jam

= 9905,76

Note : untuk run yang selanjutnya , dengan cara dan perhitungan yang sama didapat nilai ∆Q

Run QH ( kj/jam ) QC (kj/jam) ∆Q (kj/jam)2 22558,9 5473,31 17085,593 20035,2 5592,73 8849,744 20035,2 5772,34 14262,86

Percobaan II

Run QH ( kj/jam ) QC (kj/jam) ∆Q (kj/jam)1 13962 5672,34 8289,662 16106,4 5592,73 10513,673 20133 5592,73 14540,274 24159,6 5592,73 18566,87

E. Menghitung Effisiensi ( h )

Percobaan 1

Run 1

QH = 15458,4 kj/jam

QC = 9905,76 kj/jam

h = QH−QCQH

x 100%

= 15458,4kj / jam – 9905,76kj / jam

15458,4 kj / jam x 100%

= 96,56%

Note : Dengan cara dan perhitungan yang sama untuk mencari nilai h dengan run yang berbeda didapat

Run QC (kj/jam) h(%)2 5473,31 75,733 5592,73 724 5772,34 71,18

Percobaan II

Run QH ( kj/jam ) QC (kj/jam) ∆Q (kj/jam)1 13962 5672,34 8289,662 16106,4 5592,73 10513,673 20133 5592,73 14540,274 24159,6 5592,73 18566,87

F. Menghitung TLMTD

Percobaan 1

TLMTD=¿

( t2−T 1)−(t 1−T2 )

ln( t2−T1 )( t1−T2 )

¿ (rumus di dapat dari Kern hal 99, pers. 5-14)

Dimana :t1 = Temperatur panas masukt2 = Temperatur panas keluarT1= Temperatur dingin masukT2= Temperatur dingin keluar

- Run 1

T LMTD=(32−33 ) ( 44−38 )

ln33−3248−34

¿00C

- Run 2

T LMTD=(32−32 ) (48−34 )

ln33−3248−34

¿5,07020C

Note : Dengan cara dan perhitungan yang sama di dapat nilai TLMTD untuk run 3-4 pada tabel :

Run t1(0C) t2(0C) T1(0C) T2(0C) TLMTD(0C)3 49 33 32 40 3,64094 49 33 32 44 2,4853

Percobaan 2- Run 1

T LMTD=(36−32 ) (46−44 )

ln36−3246−44

¿2,88600C

Run t1(0C) t2(0C) T1(0C) T2(0C) TLMTD(0C)2 45 36 32 40 4,48223 45 36 32 40 4,48224 45 36 32 40 4,4822

G.Menghitung hiU = hi + 2k

2,3 DNilai K untuk zink U = hi + 2k

2,3 D =hi + 2(0,40573)

2,3(1,1290) 5,5286 = hi + 0,39832 hi= 5,13027Nilai K untuk steelU = hi + 2k

2,3 D =hi + 2(0,16)

2,3(1,1290) 5,5286 = hi + 0,12694 hi= 5,40165

H. Menghitung nilai bilangan Reynold (NRe)

Percobaan 1

Fluida panas

M=300 kg/jam

G = M = 300 kg/jam =300 kg/m.jam

A 1 m2

µ pada 37◦ C = 0,5505 kg/m.s X 3600 s

1 jam =1998,18 kg/m.jam

NRe = G .D =300 kg/m .jam x 1,1290 m

µ 1998,18 kg /m.jam

=0,16950

Note :Dengan cara yang sama dan perhitungan yang sama,didapatkan nilai NRe pada tabel

M (kg/jam) A (m2) G(kg/m.jam) µ (kg/m.jam) NRe

300 1 300 0,5505 0,16950300 1 300 0,5505 0,16950300 1 300 0,5505 0,16950

Fluida dingin


500 1 500 2057,85 0,2743400 1 400 1819,17 0,2482300 1 300 2175,354 0,1556200 1 200 2842,2 0,0794

Percobaan 2

Fluida panas

Dengan cara dan perhitungan yang sama di dapat nilai NRe


300 1 300 0,5505 0,16950400 1 400 0,5505 0,2260500 1 500 0,5505 0,2825600 1 600 0,5505 0,3390

Fluida dingin


400 1 400 0,5505 0,2260

400 1 400 0,5505 0,2260400 1 400 0,5505 0,2260400 1 400 0,5505 0,2260

I.Menghitung faktor gesek (f)

F=0,0035+ 0,264N

ℜ(0,24)

(Dari buku kern pers. 3,476)

Percobaan 1- Run 1

Fluida panas

F=0,0035+ 0,264

0,16950(0,24)

¿ 0,5598

Fluida dingin

F=0,0035+ 0,264

0,2743(0,24)

Note : dengan menggunakan rumus yang sama, maka di dapat nilai faktor gesek sbb :

Fluida Panas Fluida DinginNRe F NRe F

0,1690 0,5598 0,2743 0,45800,1690 0,5598 0,2480 0,47750,1690 0,5598 0,1556 0,41600,1690 0,5598 0,0794 0,7685

Percobaan 2

Fluida Panas Fluida DinginNRe F NRe F

0,16950 0,5598 0,2260 0,49650,2260 0,4965 0,2260 0,49650,2825 0,4524 0,2260 0,49650,3390 0,41933 0,2260 0,4965

J. Menghitung Pressure Drop (∆P)

∆ P=∆ Fa. ρ144

(dari buku kern pers. 3,45)

Fluida panas Percobaan 1

Dimana

∆ Fa= 4 FG2L2g ρ2D

= 4.0,5598.300 .12.9,8 .10002.1,1290

=3,035.10−5

Maka :

∆ P=∆ Fa. ρ144

¿ 3,035.10−5 .1000144

¿2,1076.10−4

Fluida Dingin

∆ Fa= 4 FG2L2g ρ2D

= 4.0,4580.500 .12.9,8 .10002.1,1290

=4,1394.10−5

∆ P=∆ Fa. ρ144

¿ 4,1394.10−5 .1000144

¿2,8746.10−4

Percobaan 1

Fluida Panas Fluida dingin∆Fa ∆P ∆Fa ∆P

3,035.10-5 2,1076 4,1394.10-5 2,8746.10-4

3,035.10-5 2,1076 3,3115.10-5 2,2997.10-4

3,035.10-5 2,1076 2,4836.10-5 1,7247.10-4

3,035.10-5 2,1076 1,6557.10-5 1,1498.10-4

Percobaan 2

Fluida Panas Fluida dingin∆Fa ∆P ∆Fa ∆P

3,035.10-5 2,1076.10-4 3,3115.10-5 2,2997.10-4

4,0476.10-5 2,8108.10-4 3,3115.10-5 2,2997.10-4

5,0595.10-5 3,5135.10-4 3,3115.10-5 2,2997.10-4

6,0714.10-5 4,2163.10-4 3,3115.10-5 2,2997.10-4

VIII.ANALISIS PERCOBAAN

Dari percobaan yang dilakukan dapat di analisis bahwa adanya 2 aliran fluida yang berbeda pada suatu alat HE plate maka kita dapat mengetahui fenomena perpindahan kalor yang terjadi baik itu secara konveksi, konduksi maupun radiasi.

Aliran air panas dan dingin dialirkan secara berlawanan arah. Secara teori, panas yang dilepaskan oleh air panas ialah sama dengan panas yang diterima oleh air dingin, tetapi pada praktikum ini panas yang diterima oleh air dingin berbeda. Ini dikarenakan panas yang dibeabaskan air panas tidak sepenuhnya diserap secara konveksi oleh air dingin tetapi sebagian terserap oleh plate (konduksi), hilangnya kalor disebut rugi kalor.

Pada nilai efisiensi alat, didapatkan nilai efisiensi yang lebih besar untuk aliran fluida dingin yang tetap dibandingkan aliran panas yang tetap. Semakin tinggi rugi kalor maka efisiensi alat akan semakin menurun.

IX. KESIMPULANDari percobaan yang telah dilakukan didapatkan kesimpulan bahwa :

- Nilai efisiensi alat : aliran panas tetap 67,42% dan aliran dingin tetap 70%- Semakin besar nilai bilangan reynold maka semakin baik perpindahan kalor yang terjadi dan

semakin kecil gaya gesek yang ditimbulkan.

X. DAFTAR PUSTAKA

Effendy, Syahrul. 2012.“Petunjuk Praktikum Satuan Operasi 2.POLSRI. Palembang

GAMBAR ALAT

Heat Exchanger

Laporan tetapSATUAN OPERASI 2

“Perpindahan Kalor ”

Disusun Oleh :

Kelas 4KIB

Kelompok 2:

Ami Lestari 061030401011 Bayu Akbar .H 061030401013 Etchi Yunti Reni .P 061030401016 Kartalina Seputri 061030401019

Rahmawaty 061030401025 Ricky Maruli .S 061030401026 Wiri Dinanti 061030401030

Instruktur : Ir. Selastia Yuliati M,Si

Politeknik Negeri Sriwijaya Palembang

Tahun Akademik 2012

perpindahan kalor 2

Documents