perpindahan kalor
DESCRIPTION
sistem termalTRANSCRIPT
PERPINDAHAN KALOR
1. Tujuan Percobaan
Sistem melaksanakan percobaan ini diharapkan mahasiswa dapat :
Mengetahui fenomena perpindahan kalor terutama jenis konduksi dan konveksi
Menghitung koefisien perpindahan kalor dan efisiensi kerja peralatan penukar kalor di
laboratorium OTK Politeknik Negeri Sriwijaya
Melakukan praktek dengan aman
2. Dasar Teori
Dalam membicarakan pertukaran kalor pada alat penukar kalor diperlukan pengertian
dasar perpindahan kalor yang mendasar berkerjanya alat penukar kalor yang mendasar pada
kerja praktek (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 kebanyakan terjadi pada benda padat, di dalam benda padat itu sendiri
(satu titik dalam benda padat yang bersinggungan permanen).
2. Perpindahan kalor secara pancaran (konveksi) dimana kalor berpindah dari satu
posisi ke posisi lainnya didalam 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 elektro magnetik tertentu tanpa
memerlukan media perantara (fluida atau padat)
Keberlangsungan ketiga proses perpindahan kalor di atas dapat 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
=−kAdTdx
pers 1
Dimana :
Dq/dt = jumlah kalor dipindahkan persatuan waktu
k = konstanta perpindahan kalor material/bahan
A = luas penampaang kontak perpindahan
-dT/dx = kecepatan perubahan temperatur yang tergantung dari jarak dalam/luar benda padat
Dalam keadaan steady, maka harga dQ/dt dari persamaan 1 tetap sehingga dapat
diganti dengan q, sehingga persamaan tersebut dapat disederhanakan menjadi:
Q=kAavg (t 2−t 1)
(x2−x1)pers 2
Dimana :
A adalah luas permukaan yang berlangsungnya perpindahan kalor rata-rata (avg) dan (t2-t1)
merupakan daya penggerak untuk terjadinya perpindahan kalor antara dua batas perpindahan,
(x2-x1) adalah jarak perpindahan. Sebagai penghambat berlangsungnya perpindahan dapat
dirumuskan sebagai berikut :
R = X/ (Ka) pers 3
Dimana :
R adalah tahanan/ rambatan terhadap berlangsungnya perpindahan kalor.
PERPINDAHAN KALOR PADA LEMPENGAN BERLAPIS PARALEL
Bila ada tiga padatan yang tersusun secara paralel maka perpindahan kalor persatuan
waktu (q) ditentukan oleh karakteristik dari ketiga padatan tersebut, maka :
Q = (1/R1 + 1/R2 + 1/R3) pers 4
Perpindahan Kalor Secara Konveksi
Perpindahan kalor yang terjadi antara dua fluida (cair dan gas) pada umumnya disertai
dengan perpindahan massa, baik pada konveksi alamiah ataupun konveksi paksa.
Perpindahan kalor yang terjadi antara dua fluida yang dipisahkan oleh lempengan
dengan ketebalan dan pengaruh kotoran/ kerak. Pada gambar tersaji perpindahan kalor dari
fluida 1 dengan temperatur rata-rata fluida t1 melalui lempengan sebagai pemisah antara fluida
1 dan aliran pada fluida 2 t2 temperatur fluida 2 tebal dinding pemisah antara kedua fluida.
Persamaan neraca energi tiga dimensi yang berlangsung dapat ditulis sebagai berikut :
Cp (T/t + T/x + T/y + wT/z) = (kT2/x2 + t2/y2 + T2/z2) + Q2 + ϕ pers 5
Dimana :
Φ adalah kalor hilang yang dipengaruhi oleh viskositas fluida. Q2 adalah kalor yang diserap
oleh media/ regent. Pada proses perpindahan energi antara dua fluida seperti gambar diatas,
ada pengaruh yang terjadi diperbatasan antara kedua fluida tersebut dengan lempengan
pemisah.
Dengan adanya penyempurna/ penurunan berbagai persamaan, untuk perpindahan kalor
secara konveksi dapat disajikan oleh persamaan :
Dq = hi x dAi (t1-t3) pers 6
Dq = h0 x Da0 (t5-t7) pers 7
Koefisien Perpindahan Kalor Keseluruhan
Dalam pengujian alat penukar kalor tidak dilakukan pengukuran temperatur antara
kedua fluida dengan permukaan lempengab, sehingga koefisien perpindahan kalor yang
digunakan dalam perhitungan kebutuhan luas permukaan perpindahan digunakan koefisien
perpindahan kalor keseluruhan U, sehingga persamaan yang digunakan berdasarkan pada
perbedaan temperatur rata-rata antara kedua fluida yang mengalami penukaran kalor.
Q = UA (t1-t7) pers 8
Dimana :
Q = jumlah kalor yang berpindah persatuan waktu
U = koefisien perpindahan kalor keseluruhan
(t1-t7) = selisih temperatur atau aliran rata-rata
A = luas permukaan kontak perpindahan kalor
Pada proses perpindahan kalor secara konveksi dapat terjadi berbagai jenis konveksi,
dari konveksi alamiah yang berdasarkan perbedaan density fluida, konveksi paksa laminier
dan konveksi paksa turbulen dan lain-lain. Atau konveksi yang tergantung pada fluida yang
terlibat. Penggambaran dari berbagai macam faktor tersebut dapat disajikan melalui
persamaan sebagai berikut :
NNU = φ x NRe x NPr x Ngr pers 9
Dimana :
NNU = bilangan nusselt = hD/k
NRe = bilangan reynold = DG/μ
NPr = bilangan grassof = D3ρ2gβAT/μ2
Ngr = bilangan ptandalt = cμ/k
Bilangan Russelt merupakan fungsi dari bilangan Prandalt dan bilangan Grassof
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 lempengan dinamakan PLATE FRAME
HEAT EXCHANGER
b. Spiral plate exchanger, yang terdiri dari lempengan bersirip biasa digunakan untuk
pesawat (1950) atau untuk proses penukaran kalor pada temperatur yang cukup rendah
(-100-2000)
c. Plate and fin tube surface
d. Graphiter 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 susunan lempeng
tersebut. Penurunan tekanan antara penukar kalr relative kecil, permukaan plate HE berlubang
untuk memberikan efek turbulensi terhadap aliran-aliran dalam penukar kalor dapat
berlawanan arah dan searah.
Antara kedua lempeng plate HE terdapat gasket sebagai penyekat dan juga menyediakan
ruang yang menyerupai pada flate dan frame filter press. Untuk perhitungan jumlah kalor
yang dipertukarkan didalam alat menggunakan :
Q = (UA/Tm) pers 10
Dimana :
U = koefisien panas keseluruhan = hi + 2k/2. 3D
hi = koefisien perpindahan panas lempeng logam
k = konduktivitas termal
D = diameter aliran fluida
Tm = perpindahan arah temperatur logaritmik rata-rata (TLMTD)
TLMTD = aliran searah
Keterangan :
T = temperatur fluida dingin
t = temperatur fluida panas t1 t2
1 = masuk T1 T2
2 = keluar
Dimana :
ϕ1 = t1 – T1 t1 t2
ϕ2 = t2 – T2 T2 T1
TLMTD untuk aliran berlawanan arah :
∅ 1−∅ 2
ln∅1−∅2
Keterangan :
T = temperatur fluida dingin
t = temperatur fluida panas
1 = panas
2 = dingin
Dimana:
∅ 1=t 1−T1
∅ 2=t 2−T 2
Data spesifikasi peralatan penukar kalor Lab. OTK Jurusan Teknik Kimia Politeknik
Negeri Sriwijaya :
Tipe = Penukar Panas Lempeng
Bahan = Baja 50%
Zinc 50%
Luas Permukaan Kontak = ± 1,00
Diameter aliran fluida = ± 3,8
Temp. Operasi max = 100oC
PERHITUNGAN KALOR
Kalor yang dilepas fluida pemanas Q0
Q0=M 0 Cp0 ∆ T pers 11
Dimana :
M0 = Laju massa fluida panas (kg/jam)
Cp0= Kalor spesifikasi panas pada temperatur masuk (J/kgoK)
∆T = Perbedaan temperatur fluida panas keluar masuk (oK)
Kalor yang dilepa fluida dingin Q1
Q1=M 1Cp1∆ T pers 12
Dimana :
M1 = Laju massa fluida dingin (kg/jam)
Cp0= Kalor spesifikasi dingin pada temperatur masuk (J/kgoK)
∆T = Perbedaan temperatur fluida panas keluar masuk (oK)
Teori Tambahan
Plate Heat Exchanger
Fungsi dan cara kerja:
Plate Heat Exchanger (PHE) berfungsi sebagai sistem pemanas atau pendingin dari suatu
sistem produksi. Meskipun terdapat beberapa sistem lain, tetapi dari pengalaman dilapangan dapat
disimpulkan bahwa PHE memiliki kinerja yang baik dan sulit untuk ditandingi sistem yang lain, salah
satu contoh nyata, pada industri permen sistem PHE digunakan sebagai pemanas permen (hard candy)
yang akan dicetak, dengan digunakannya sistem PHE, maka permen yang dihasilkan jauh lebih bening
dibandingkan dengan menggunakan sistem pemanas yang lainnya. Sesuai dengan bidang usaha
(rubber products), pembahasan singkat ini berfokus pada PHE Gasket (Seal PHE). Dari semua
komponen yang ada pada sistem PHE, PHE Gasket merupakan komponen yang paling sering diganti,
karena setiap pembongkaran PHE sebagian besar PHE Gasket sudah tidak dapat digunakan lagi krn
mengalami deformasi bentuk (gepeng).
PHE yang banyak dijumpai di industri dapat dikelompokan menjadi menjadi dua jenis:
Glue Type. Tipe glue ini memerlukan lem untuk memasang Gasket pada plat PHE. lem yang
digunakan hendaknya ialah lem yang mempunyai ketahanan terhadap panas yang baik.
Jika persamaan diatas dibandingkan dengan persamaan sebelumnya terlihat bahwa beda
suhu rata-rata merupakan pengelompokan suku-suku dalam kurung, Jadi,
ΔT m=(T h2−T c2 )−(Th 1−Tc 1)
ln [ (T h 2−T c2 )/(T h 1−T c1 ) ]
Beda suhu ini disebut beda suhu rata-rata log (log mean temperature difference = LMTD).
Dengan kata lain, LMTD ialah beda-suhu pada satu ujung penukar-kalor dikurangi beda-suhu
pada ujung yang satu lagi dibagi dengan logaritma alamiah dari perbandingan kedua beda
suhu tersebut.
Penurunan persamaan LMTD tersebut didasarkan atas dua asumsi :
(1) Kalor spesifik fluida tidak berubah menurut suhu
(2) Koefisien perpindahan-kalor konveksi tetap, untuk seluruh penukar-kalor.
Jika suatu penukar-kalor yang bukan jenis pipa-ganda digunakan, perpindahan-kalor
dihitung dengan menerapkan faktor koreksi terhadap LMTD untuk susunan pipa-ganda aliran
lawan-arah dengan suhu fluida-panas dan fluida dingin yang sama. Bentuk persamaan
perpindahan-kalor menjadi:
Metode NTU Efektivitas
Dalam analisis penukar-kalor, pendekatan dengan metode LMTD berguna apabila suhu
masuk dan suhu keluar fluida diketahui atau dapat ditentukan dengan mudah sehingga LMTD,
luas permukaan dan koefisien perpindahan kalor dapat dengan mudah ditentukan. Namun,
apabila kita harus menentukan terlebih dahulu suhu masuk dan suhu keluar fluida maka
analisis lebih mudah dilakukan dengan metode yang berdasarkan efektivitas penukar kalor
dalam memindahkan jumlah kalor tertentu atau disebut juga metode NTU (Number of
Transfer Unit). Metode NTU dikhususkan untuk menghitung perpindahan secara counter
currentHeat Exchanger sendiri adalah alat/perangkat yang energinya ditransfer dari satu
fluida menuju fluida lainnya melewati permukaan padat.
Metode NTU ini dijalankan/dikerjakan dengan menghitung laju kapasitas panas
(contohnya laju alir dikalikan dengan panas spesifik) Ch dan Cc berturut-turut untuk fluida
panas dan dingin. Dalam kasus dimana hanya ada temperatur awal untuk fluida panas dan cair
yang diketahui, LMTD tidak dapat dihitung sebelumnya dan aplikasi/penerapan metode
LMTD memerlukan pendekatan secara iterasi. Pendekatan yang dianjurkan adalah metode
keefektifan atau -NTU. Keefektifan dari Heat Exchanger, , didefinisikan dengan :
ε= qqmax
dimana : q adalah nilai laju sebenarnya dari perpindahan panas dari fluida panas menuju
fluida dingin, dan qmax merepresentasikan laju maksimum yang mungkin dari perpindahan
panas, yang diberikan dengan hubungan :
q=Cmin (T h, i−T c , i )dimana Cmin adalah laju kapasitas dari dua panas yang terkecil. Dengan demikian laju
perpindahan panas sebenarnya diekspresikan sebagai :
q=εCmin (Th , i−T c ,i )dan dihitung, memberikan keefektifan heat exchanger, , laju alir massa, dan panas spesifik
dua fluida dan temperatur awal.
Untuk geometris aliran, , dapat dihitung menggunakan korelasi dengan istilah “rasio
kapasitas panas” :
CT=Cmin
Cmax
dan Bilangan Satuan Perpindahan, NTU :
NTU= UACmin
dimana U merupakan koefisien perpindahan panas keseluruhan dan A adalah area
perpindahan panas.
4. Langkah Percobaan
Praktikum 1
a. Hidupkan pompa pada alat penukar kalor jenis plat, lalu atur laju alirnya dimulai dari
100 liter/jam hingga 500 liter/jam.
b. Lakukan kalibrasi pada alat heat exchanger dengan mengukur waktu yang diperlukan
untuk menampung air dengan volume 100 ml di dalam gelas kimia.
c. Lakukan langkah b untuk setiap laju alir yang berbeda.
d. Catat waktu yang diperlukan.
Praktikum 2
a. Hidupkan pompa pada alat penukar kalor jenis plat, lalu atur laju alirnya dimulai dari
300 liter/jam.
b. Diatur set point pada temperature 50oC
c. Tunggu hingga temperatur aliran masuk mencapai suhu 50oC
d. Ukur temperature masuk dan keluar air panas serta air dingin.
e. Ukur temperature plat pada sisi panas dan dingin menggunakan termokopel
f. Catat data temperature yang diperoleh
5. Data Percobaan
Praktikum 1
Kalibrasi alat penukar kalor / heat exchanger jenis plat
Flow (liter/jam) Volume (L) Waktu (t) ∆T Flow (liter/jam)
100 1 34,24 35,00 33,62 107,52
200 1 10,20 10,90 10,55 341,29
300 1 11,49 11,30 11,395 416,66
400 1 8,57 8,96 8,765 411,52
500 1 7,19 6,67 6,93 519,48
Praktikum 2
FlowAir Dingin
FlowAir Panas
T Air Panas T Air Dingin
IN OUT IN OUT
300 liter/jam 300 liter/jam 44°C 38°C 28°C 38°C
6. Perhitungan
Diketahui :
K (122oF) = 0,373 Btu/hr.ft2.oF/ft
A = 1,00m2
0,0929 m2 x ft2=10,76 ft2
ΔT = Tin air panas – T out air dingin
= 44oC – 38 oC
= 6 oC
= 42,8 oF
X = 7,6 ft
Penyelesaian :
Q = K A ΔTX
=0,373
Btuhr
. ft2 .Fft
10,76 ft 2.42,8 F
7,6 ft = 22,60 Btu/hr
7. Analisa Percobaan
Dari percobaan ini dapat dianalisa bahwa untuk memindahkan kalor pada suatu
operasi maka dibutuhkan alat penukar kalor atau alat heat exchanger. Pada percobaan ini, alat
HE menggunakan tipe plat dengan jenis konduksi yaitu perpindahan kalor secara rambatan
yang kebanyakan terjadi pada benda padat, didalam benda padat itu sendiri ataupun antara
dua benda padat yang bersinggungan permanen. Pada minggu pertama, heat exchanger
dilakukan kalibrasi terlebih dahulu. Ketika proses kalibrasi laju air panas dan laju air
dinginnya divariasikan sebanyak 5 kali, menggunakan rentang 100 liter/jam – 500 liter/jam
dengan volume 1 liter. Pada percobaan ini, waktu yang dibutuhkan untuk mencapai volume 1
liter tergantung pada laju alirnya, semakin besar laju alir fluida maka waktu yang dibutuhkan
untuk mencapai volume 1 liter semakin cepat, begitu juga sebaliknya. Akan tetapi, laju alir
yang terukur berdasarkan perhitungan tidak begitu mendekati laju alir yang sebenarnya, hal
ini dikarenakan adanya sedikit gangguan pada aliran saat percobaan dilakukan.
Pada minggu ke-2, ditentukan temperatur masuk dan keluar air panas serta air dingin
dengan satu kali percobaan menggunakan laju alir 300 liter/jam baik laju alir air panas
maupun laju alir air dingin sehingga dari data yang diperoleh dapat dihitung selisih temperatur
dan nilai kalor pada HE. Temperature air panas masuk lebih tinggi daripada temperatur air
keluar Sedangkan pada temperatur air dingin yang masuk lebih rendah daripada temperatur
keluar. Karena tipe alat HE menggunakan tipe pelat, sehingga aliran air panas dan dingin
melewati pelat-pelat yang terdapat di dalam HE dengan aliran air panas dari atas dan air
dingin dari bawah atau aliran secara berlawanan .
8. Kesimpulan
Dari praktikum yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa :
Untuk menukar kalor pada sistem operasi dibutuhkan alat heat exchanger
waktu yang dibutuhkan untuk mencapai volume 1 liter tergantung pada laju alirnya,
semakin besar laju alir fluida maka waktu yang dibutuhkan untuk mencapai volume 1
liter semakin cepat, begitu juga sebaliknya
Jenis aliran yang digunakan adalah berlawanan arah, yaitu air panas dari atas dan air
dingin dari bawah.
Alat HE yang digunakan merupakan tipe plat jenis konduksi. Kalor yang dihasilkan
dari alat HE ini adalah 22,60 Btu/hr