FLUID CIRCUIT FRICTION EXPERIMENTAL APPARATUS

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH

BAB IIIWATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH

3.1 Dasar Teori

3.1.1 Mekanisme Perpindahan Panas Energi panas dapat ditransfer dari satu sistem ke sistem yang lain, sebagai hasil dari perbedaan temperatur. Sedangkan analisis termodinamika hanya mengangkat hasil dari perpindahan panas sebagai sistem yang mengalami proses dari satu keadaan setimbang yang lain. Jadi ilmu yang berhubungan dengan penentuan tingkat perpindahan energi adalah perpindahan panas. Adapun transfer energi panas selalu terjadi dari medium suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah, dan perpindahan panas berhenti ketika dua medium mencapai suhu yang sama.

Proses perpindahan panas dapat berpindah dengan tiga cara, yaitu kondusi, konveksi dan radiasi. Semua cara dari perpindahan panas memerlukan adanya perbedaan suhu, dan semua cara berasal dari medium suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah. Di bawah ini kita memberikan gambaran singkat dari setiap cara.

3.1.2 Konduksi Konduksi adalah perpindahan energi dari partikel yang lebih energik dari suatu zat dengan yang kurang energik yang berdekatan sebagai akibat dari interaksi antara partikel. Konduksi dapat terjadi pada zat padat, cair dan gas. Pada gas dan cair, konduksi ini disebabkan oleh tabrakan dan pembauran dari gerakan molekul selama gerakan acak mereka. Pada benda padat, gerakan ini disebabkan akibat kombinasi getaran dari molekul di dalam kisi dan berpindahnya energi yang disebabkan oleh elektron bebas. Laju konduksi panas melalui media tergantung pada geometri dari medium, ketebalan, dan bahan dari medium, serta beda suhu di medium terdebut.

Pada penjelasan berikut, dapat dilihat proses perpindahan panas melalui dinding yang tebalnya dan luasnya , seperti pada gambar berikut :

Gambar 3.1: Perpindahan Panas Konduksi Melalui Dinding

Sumber: Heat Transfer, Cengel. 2003:21

Perbedaan temperatur pada dinding adalah . Percobaan dapat menghasilkan laju dari perpindahan panas melalui dinding dua kali lipat ketika perbedaan suhu di seluruh dinding atau area normal terhadap arah perpindahan panas dua kali lipat, tapi dibelah dua ketika ketebalan dinding dua kali lipat. Dengan demikian kita menyimpulkan bahwa laju konduksi panas melalui lapisan dinding sebanding dengan perbedaan suhu di seluruh lapisan dan area perpindahan panas, namun berbanding terbalik dengan ketebalan lapisan, sehingga dapat dirumuskan dengan:

Atau,

Dimana konstanta adalah konduktivitas termal material, yang merupakan ukuran kemampuan suatu material untuk menghantarkan panas. Jika , persamaan di atas tereduksi menjadi bentuk diferensial

Tanda negatif di dalam rumus memastikan bahwa perpindahan panas dalam arah- positif adalah jumlah yang positif.

3.1.3 KonveksiKonveksi adalah proses transport energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan dan gerakan mencampur. Konveksi sangat penting sebagai mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat dan cairan atau gas.

Perpindahan energi dengan cara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya di atas suhu fluida sekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap. Pertama, panas akan mengalir dengan cara konduksi dari permukaan ke partikel-partikel fluida yang berbatasan. Energi yang berpindah dengan cara demikian akan menaikkan suhu dan energi dalam partikel-partikel fluida ini. Kemudian partikel-partikel fluida tersebut akan bergerak ke daerah yang bersuhu rendah didalam fluida di mana mereka akan bercampur dengan, dan memindahkan sebagian energinya kepada, partikel-partikel fluida lainnya. Dalam hal ini alirannya adalah aliran fluida maupun energi. Energi sebenarnya disimpan di dalam partikel-partikel fluida dan diangkut sebagai akibat gerakan massa partikel-partikel tersebut. Mekanisme ini untuk operasinya tidak tergantung hanya pada beda suhu dan oleh karena itu tidak secara tepat memenuhi definisi perpindahan panas. Tetapi hasil bersihnya adalah angkutan energi, dan karena terjadinya dalam arah gradien suhu, maka juga digolongkan dalam suatu cara perpindahan panas dan ditunjuk dengan sebutan aliran panas dengan cara konveksi.

Laju perpindahan panas dengan cara konveksi antara suatu permukaan dan suatu fluida dapat dihitung dengan hubungan

Dimana :

q = Laju perpindahan panas dengan cara konveksi,

As = Luas perpindahan panas, Ts = Temperarur permukaan benda padat,

T = Temperatur fluida mengalir, h = Koefisien perpindahan panas konveksi, Perpindahan panas konveksi diklasifikasikan dalam konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced convection) menurut cara menggerakkan alirannya. Konveksi alami adalah perpindahan panas yang disebabkan oleh beda suhu dan beda rapat saja dan tidak ada tenaga dari luar yang mendorongnya. Konveksi alamiah dapat terjadi karena ada arus yang mengalir akibat gaya apung, sedangkan gaya apung terjadi karena ada perbedaan densitas fluida tanpa dipengaruhi gaya dari luar sistem. Perbedaan densitas fluida terjadi karena adanya gradien suhu pada fluida.

Konveksi paksa adalah perpindahan panas aliran gas atau cairan yang disebabkan adanya tenaga dari luar. Konveksi paksa dapat pula terjadi karena arus fluida yang terjadi digerakkan oleh suatu peralatan mekanik (contoh: pompa dan pengaduk), jadi arus fluida tidak hanya tergantung pada perbedaan densitas. Contoh perpindahan panas secara konveksi paksa adalah pelat panas dihembus udara dengan kipas/ blower.

Secara umum aliran fluida dapat diklasifikasikan sebagai aliran eksternal dan aliran internal. Aliran eksternal terjadi saat fluida mengenai suatu permukaan benda. Contohnya adalah aliran fluida melintasi plat atau melintang pipa. Aliran internal adalah aliran fluida yang dibatasi oleh permukaan zat padat, misalnya aliran dalam pipa/ saluran. Perbedaan antara aliran eksternal dan aliran internal pada suatu pipa/ saluran ditunjukkan pada Gambar 3.2.

Gambar 3.2 Aliran eksternal udara dan aliran internal air pada suatu pipa/saluran

Sumber: Heat Transfer, Cengel. 2003:21

3.1.4 Radiasi Radiasi adalah energi yang dipancarkan oleh materi dalam bentuk gelombang elektromagnetik sebagai akibat dari perubahan konfigurasi elektronik dari atom atau molekul. Tingkat maksimum radiasi yang dapat dipancarkan permukaan pada suhu mutlak diberikan oleh hukum stefaan-Boltzmann yaitu

Dimana merupakan konstanta Stefen-Boltzmann. Permukaan ideal yang memancarkan radiasi pada tingkat maksimum ini disebut benda hitam, dan radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam disebut Radiasi benda hitam. Radiasi yang dipancarkan oleh semua permukaan nyata lebih kecil dari radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam pada suhu yang sama, dan dinyatakan sebagai

Dimana adalah emisivitas permukaan yang besarnya adalah diantara . adalah luas permukaan dan adalah temperature absolute.

3.1.5 Konduktivitas Termal Konduktivitas termal adalah kemampuan suatu material untuk menghantarkan panas. Persamaan untuk laju perpindahan panas konduksi dalam kondisi stabil juga dapat dilihat sebagai persamaan penentu bagi konduktivitas termal. Sehingga konduktivitas termal dari material dapat didefinisikan sebagai laju perpindahan panas melalui ketebalan unit bahan per satuan luas per perbedaan suhu. Konduktivitas termal material adalah ukuran kemampuan bahan untuk menghantarkan panas. Harga tertinggi untuk konduktivitas termal menunjukkan bahwa material adalah konduktor panas yang baik, dan harga terendah untuk konduktivitas termal menunjukan bahwa material adalah bukan pengahantar panas yang baik atau disebut isolator. Konduktivitas termal beberapa bahan umum pada suhu kamar diberikan dalam tabel di bawah ini.

Suhu adalah ukuran energi kinetik dari partikel seperti molekul atau atom dari suatu zat. Pada cairan dan gas, energi kinetik dari partikel terjadi karena gerak translasi acak mereka serta gerakan getaran dan rotasi mereka. Ketika dua molekul yang memiliki energi kinetik yang berbeda berbenturan, bagian dari energi kinetik dari molekul lebih bertenaga ditransfer ke molekul kurang bertenaga, sama seperti ketika dua bola elastis dari massa yang sama dengan kecepatan yang berbeda berbenturan, bagian dari energi kinetik dengan bola kecepatan tinggi ditransfer ke bola yang kecepatanya lebih lambat. Makin tinggi suhu, semakin cepat molekul bergerak, semakin tinggi jumlah molekul tabrakan, dan semakin baik perpindahan panasnya. 3.1.6 Difusivitas Termal sering dijumpai dalam analisis perpindahan panas, disebut kapasitas panas material. Baik dari panas spesifik dan kapasitas panas mewakili kemampuan penyimpanan panas dari suatu material. Tapi mengungkapkan itu per satuan massa sedangkan mengungkapkan itu per satuan volume, dapat melihat dari satuan mereka masing-masing.

Sifat bahan lain yang muncul dalam analisis konduksi panas transien adalah difusivitas termal, yang mewakili bagaimana cepat panas berdifusi melalui materi dan dirumuskan dengan

Harap diingat bahwa Konduktivitas termal k merupakan seberapa baik suatu bahan menghantarkan panas, dan kapasitas panas mewakili berapa banyak menyimpan sebuah energi bahan per satuan volume. Oleh karena itu, difusivitas termal dari material dapat dipandang sebagai rasio panas yang dilakukan melalui bentuk material panas yang tersimpan per satuan volume. Bahan yang memiliki konduktivitas panas yang tinggi atau kapasitas panas yang rendah jelas akan memiliki difusivitas termal besar. Semakin besar difusivitas termal, semakin cepat penyebaran panas ke medium. Nilai diffusivitas termal yang kecil berarti panas yang sebagian besar diserap oleh material.

3.1.7 Resistansi Termal Resistansi termal merupakan salah satu properti panas dan memiliki definisi ukuran perbedaan temperatur dari material yang tahan terhadap aliran panas. Resistansi termal sendiri berbanding terbalik dengan Konduktivitas termal. Resistansi termal memiliki satuan yaitu . Aliran panas dapat dimodelkan dengan analogi rangkaian listrik di mana aliran panas diwakili oleh arus, suhu diwakili oleh tegangan, sumber panas yang diwakili oleh sumber arus konstan, resistensi termal mutlak diwakili oleh resistor dan kapasitansi termal dengan kapasitor. Diagram menunjukkan rangkaian termal setara untuk perangkat semikonduktor dengan heat sink.

3.1.8 Heat Exchanger Heat exchanger adalah perangkat yang memfasilitasi pertukaran panas antara dua cairan pada temperatur yang berbeda, sekaligus menjaga mereka dari pencampuran satu sama lain. Dalam radiator mobil, misalnya, panas dipindahkan dari air panas yang mengalir melalui tabung radiator ke udara mengalir melalui pelat tipis berjarak dekat dinding luar yang melekat pada tabung. Perpindahan panas pada Heat exchanger biasanya melibatkan konveksi di setiap cairan dan konduksi melalui dinding yang memisahkan dua cairan. Dalam analisis penukar panas, akan lebih mudah untuk bekerja dengan koefisien perpindahan panas keseluruhan yang menyumbang kontribusi dari semua efek transfer panas ini. Laju perpindahan panas antara dua cairan pada lokasi di penukar panas tergantung pada besarnya perbedaan suhu di bahwa lokasi, yang bervariasi sepanjang penukar panas. Jenis paling sederhana dari penukar panas terdiri dari dua pipa konsentris yang berbeda diameter, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.3, yang disebut double pipa panas exchanger.

Gambar 3.3 Aliran sistem heat exchanger double pipa

Sumber: Heat Transfer, Cengel. 2003:21

Salah satu cairan dalam penukar panas double-pipa mengalir melalui pipa yang lebih kecil, sementara cairan lainnya mengalir melalui ruang annular antara dua pipa. Dua jenis pengaturan aliran yang mungkin dalam double-pipa penukar panas yaitu dalam aliran paralel, baik cairan panas dan dingin memasuki panas penukar pada akhir yang sama dan bergerak ke arah yang sama. Dalam aliran counter, di sisi lain, cairan panas dan dingin memasuki penukar panas di seberang berakhir dan aliran dalam arah yang berlawanan. Tipe lain dari penukar panas, yang dirancang khusus untuk mewujudkan besar luas permukaan perpindahan panas per satuan volume, adalah penukar panas kompak. Compact exchanger memungkinkan kita untuk mencapai kecepatan transfer panas tinggi antara dua cairan dalam volume kecil, dan mereka biasanya digunakan dalam aplikasi dengan keterbatasan yang ketat pada berat dan volume penukar panas.

Sebuah penukar panas biasanya melibatkan dua cairan mengalir dipisahkan oleh dinding yang padat. Panas pertama ditransfer dari fluida panas ke dinding oleh konveksi, melalui dinding dengan konduksi, dan dari dinding ke fluida dingin lagi dengan konveksi. Jaringan tahan panas yang terkait dengan proses perpindahan panas ini melibatkan dua konveksi dan konduksi satu resistensi.

Gambar 3.4 perpindahan panas pada double pipa

Sumber: Heat Transfer, Cengel. 2003:21

Variabel dan mewakili permukaan dalam dan luar dari tabung bagian dalam. Untuk heat exchanger double pipa kita memiliki dan tahanan panas tabung dalam situasi ini adalah

Dimana adalah konduktivitas termal dari material dinding dan adalah panjang tabung. Kemudian tahan panas keseluruhan menjadi

adalah luas permukaan dalam dari dinding yang memisahkan dua cairan, dan adalah luas permukaan luar dinding. Dengan kata lain, dan adalah luas permukaan dinding yang memisahkan dan dibasahi oleh cairan dalam dan cairan luar, masing-masing.

3.1.9 Counter-flow Heat Exchanger Variasi suhu cairan panas dan dingin dalam heat exchanger counter-flow diberikan pada Gambar 3.5. Perhatikan bahwa cairan panas dan dingin masukkan pada ujung-ujung pipa, dan suhu keluar dingin cairan pada keadaan ini dapat melebihi suhu keluar panas cairan. Dalam kasus ini, cairan dingin akan dipanaskan sampai suhu inlet dari fluida panas. Namun, suhu outlet fluida dingin tidak pernah bisa melebihi inlet suhu dari fluida panas karena ini akan menjadi pelanggaran hukum kedua dari termodinamika. Hubungan di atas untuk log berarti perbedaan suhu dikembangkan menggunakan penukar panas paralel-aliran, tetapi kita dapat menunjukkan dengan mengulangi analisis atas untuk counter-flow penukar panas yang juga berlaku untuk counterflow penukar panas. Untuk inlet dan outlet suhu yang ditentukan, log rata-rata suhu perbedaan bagi penukar panas counter-flow selalu lebih besar dari itu untuk paralel-flow. Artinya, counter-flow lebih besar dari pada paralelflow dan dengan demikian lebih kecil luas permukaan yang dibutuhkan untuk mencapai laju perpindahan panas tertentu dalam counter-flow.

(a) Parallel flow

(b) Counter flowGambar 3.5 aliran (a) parallel flow, (b) counter flow, dan grafik temperatur in, out.

Sumber: Heat Transfer, Cengel. 2003:21

3.2 Tujuan Pengujian

1. Mempelajari formulasi dasar dari heat exchanger2. Perhitungan keseimbangan panas pada heat exchanger

3. Pengukuran koefisien perpindahan panas berdasarkan kuantitas aliran fluida3.3 Spesifikasi Alat Hot water sourceHeat tank with square weir

Flow rate meter (rotameter)

: 200 liter/jamTermometer pada inlet & outlet

: 0 - 100CElectrically immersion heater

: 5 kW & 3 kW

Cold water source

Head tank with square weir

Flow rate meter (rotameter)

: 500 liter/jam

Termometer pada inlet & outlet

: 0 - 100C

Heat exchangerDouble tubes water to water heat exchanger: Diameter 1 x Panjang 1000 mm

Katub pengatur aliran

: katub 3 arah

Controller unit

Hot water temperature control unit3.4 Cara Pengambilan Data

Air panas mengalir melalui tabung dan air dingin melalui jacket. Eksperimen aliran paralel dan counter flow dilakukan dengan merubah arah aliran air dingin dengan memutar katub 3 arah (A) dan (B). Dengan mengatur debit aliran air panas dan air dingin aliran laminar dan torbulen dapat diatur. Tabel berikut menjukkan kombinasi eksperimen :Tabet 3.1 Kombinasi Eksperimen

Hot WaterCold WaterHot WaterCold Water

ALaminarLaminarFLaminarLaminar

BTorbulentLaminarFTorbulentLaminar

CLaminarTorbulentGLaminarTorbulent

DTorbulentTorbulentHTorbulentTorbulent

Sumber : Modul Praktikum Laboratorium Fenomena Dasar Mesin ; 20141. Set temperatur

Atur temperatur air panas pada head tank dengan TEMP. SET pada control unit. Tunggu hingga pembacaan termometer air panas mencapai stabil.

2. Se aliran laminar dan torbulen

Dengan mengatur katub, aturlah debit air panas dan air dingin sesuai dengan tabel berikut :

Tabel 3.2 Debit

LAMINARTORBULENT

Flow Rate Meter (Hot Water) 30 l / h 100 l / h

Flow Rate Meter (Cold Water) 150 l / h 500 l / h

Sumber : Modul Praktikum Laboratorium Fenomena Dasar Mesin ; 20143. PengukuranUkurlah nilai T1, T2, t1, t2, W dan w dan tulis data dalam lembar pengambilan data yang telah disediakan.

4. Perhitungana. Hitung nilai tm

b. Hitung nilai ( T2 + T1 ) / 2 kemudian tentukan nilai vsikositas kinematic vh pada tabel properti air.

c. Hitung nilai qw dan Qw

d. Hitung nilai ( t2 + t1 ) / 2 kemudian tentukan nilai vsikositas kinematic vl pada tabel properti air.

e. Hitung nilai Rew air panas dan air dinginf. Hitung nilai efisiensi

g. Hitung nilai ULABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN