Tugas Mata Kuliah Termodinamika dan Perpindahan Panas

HEAT EXCHANGER

Oleh :KELOMPOK 8

I S M A I L H S (G621 04 042)

MUH. AKBAL (G621 06 032)

DEDI DASYAT (G621 06 035)

ABD. RAHMAN S (G621 06 050)

JURUSAN TEKNOLOGI PERTANIANFAKULTAS PERTANIAN

UNIVERSITAS HASANUDDINMAKASSAR

2008

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Perpindahan ka1or dari suatu zat ke zat lain seringkali terjadi dalam

industri proses. Pada kebanyakan pengerjaan, diperlukan pemasukan atau

pengeluaran ka1or, untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang

dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Kondisi pertama yaitu mencapai

keadaan yang dibutuhkan untuk pengerjaan, terjadi umpamanya bila pengerjaan

harus berlangsung pada suhu tertentu dan suhu ini harus dicapai dengan ja1an

pemasukan atau pengeluaran ka1or. Kondisi kedua yaitu mempertahankan

keadaan yang dibutuhkan untuk operasi proses, terdapat pada pengerjaan

eksoterm dan endoterm. Disamping perubahan secara kimia, keadaan ini dapat

juga merupakan pengerjaan secara a1ami. Dengan demikian. pada pengembunan

dan penguapan (krista1isasi) ka1or harus dikeluarkan. Pada penguapan dan pada

umumnya juga pada pelarutan, ka1or harus dimasukkan ada1ah hukum a1am

bahwa ka1or itu suatu bentuk energy.

Sama seperti bentuk lain dari energi, jumlah ka1or juga dinyatakan

da1am suatu gaya kali suatu jarak yaitu Newton ka1i meter atau Nm. 1 Nm

dinamakan 1 Joule. Untuk memberikan sedikit gambaran mengenai besarnya

energi 1 Joule tersebut, bisa diperhatikan dari ha1 berikut: Untuk penguapan 1 kg

air, diperlukan cukup banyak energi yaitu perubahan zat cair ke dalam uap ini

kira-kira membutuhkan energi 2.225.000 Joule = 2,25 MJ. Pada pembakaran 1

kg minyak akan terbebas kira-kira 45 MJ.

Ka1or mengalir dengan sendirinya dari suhu yang tinggi ke suhu yang

rendah. Akan tetapi, gaya dorong untuk a1iran ini ada1ah perbedaan suhu. Bila

sesuatu benda ingin dipanaskan, maka harus dimi1iki sesuatu benda lain yang

lebih panas, demikian pula ha1nya jika ingin mendinginkan sesuatu, diperlukan

benda lain yang lebih dingin.

Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak musnah yaitu

seperti hukum asas yang lain, contohnya hukum kekekalan masa dan momentum,

ini artinya kalor tidak hilang. Energi hanya berubah bentuk dari bentuk yang

pertama ke bentuk yang ke dua. Bila diperhatikan misalnya jumlah energi kalor

api unggun kayu yang ditumpukkan, semua ini .menyimpan sejum1ah energi

dalam yang ditandai dengan kuantitas yang lazim disebut muatan kalor bahan.

Apabila api dinyalakan, energi termal yang tersimpan di dalam bahan tadi akan

bertukar menjadi energi kalor yang dapat kita rasakan. Energi kalor ini mengalir

jika terdapat suatu perbedaan suhu. Bila diperhatikan sebatang logam yang

dicelupkan ke dalam suatu tangki yang berisi air kalor. Karena suhu awal logam

ialah T dan suhu air ialah T , dengan T >> T , maka logam 1 2 2 1dikatakan

lebih dingin daripada air. Ha1 yang penting dalam sistem yang terdiri dari air dan

logam ialah adanya suatu perbedaan suhu yang nyata yaitu (T1 – T2 ).

Kalor dapat diangkut dengan tiga macam cara yaitu:

1. Pancaran, sering juga dinamakan radiasi.

2. Hantaran, sering juga disebut konduksi.

3. Aliran, sering juga disebut radiasi.

Berdasarkan uraian di atas maka kegiatan perancangan ini dilakukan

untuk mendesain sebuah alat pindah kalor dengan system penyaluran suhu

menggunakan pipa dengan aliran fluida sejajar.

B. Tinjauan Pustaka

1. Pancaran (Radiasi)

Yang dimaksud dengan pancaran (radiasi) ia1ah perpindahan ka1or

mela1ui gelombang dari suatu zat ke zat yang lain. Semua benda

memancarkan ka1or. Keadaan ini baru terbukti setelah suhu meningkat. Pada

hakekatnya proses perpindahan ka1or radiasi terjadi dengan perantaraan foton

dan juga gelombang elektromagnet. Terdapat dua teori yang berbeda untuk

menerangkan bagaimana proses radiasi itu terjadi. Semua bahan pada suhu

mutlak tertentu akan menyinari sejumlah energi ka1or tertentu. Semakin

tinggi suhu bahan tadi maka semakin tinggi pula energi ka1or yang

disinarkan. Proses radiasi adalah fenomena permukaan. Proses radiasi tidak

terjadi pada bagian da1am bahan. Tetapi suatu bahan apabila menerima sinar,

maka banyak ha1 yang boleh terjadi. Apabila sejumlah energi ka1or menimpa

suatu permukaan, sebahagian akan dipantulkan, sebahagian akan diserap ke

da1am bahan, dan sebagian akan menembusi bahan dan terus ke luar. Jadi

da1am mempelajari perpindahan ka1or radiasi akan dilibatkan suatu fisik

permukaan.

Bahan yang dianggap mempunyai ciri yang sempurna ada1ah jasad

hitam. Disamping itu, sama seperti cahaya lampu, adaka1anya tidak semua

sinar mengenai permukaan yang dituju. Jadi da1am masalah ini kita

mengena1 satu faktor pandangan yang lazimnya dinamakan faktor bentuk.

Maka jumlah ka1or yang diterima dari satu sumber akan berbanding langsung

sebahagiannya terhadap faktor bentuk ini. Dalam pada itu, sifat terma

permukaan bahan juga penting. Berbeda dengan proses konveksi, medan

a1iran fluida disekeliling permukaan tidak penting, yang penting ialah sifat

terma saja. Dengan demikian, untuk memahami proses radiasi dari satu

permukaan kita perlu memahami juga keadaan fisik permukaan bahan yang

terlibat dengan proses radiasi yang berlaku.

Proses perpindahan kalor sering terjadi secara serentak. Misa1nya

sekeping plat yang dicat hitam. La1u dikenakan dengan sinar matahari. Plat

akan menyerap sebahagian energi matahari. Suhu plat akan naik ke satu tahap

tertentu. Oleh karena suhu permukaan atas naik maka kalor akan berkonduksi

dari permukaan atas ke permukaan bawah. Da1am pada itu, permukaan bagian

atas kini mempunyai suhu yang lebih tinggi dari suhu udara sekeliling, maka

jumlah kalor akan disebarkan secara konveksi. Tetapi energi kalor juga

disebarkan secara radiasi. Dalam hal ini dua hal terjadi, ada kalor yang

dipantulkan dan ada kalor yang dipindahkan ke sekeliling.

Berdasarkan kepada keadaan terma permukaan, bahan yang di

pindahkan dan dipantulkan ini dapat berbeda. Proses radiasi tidak melibatkan

perbedaan suhu. Keterlibatan suhu hanya terjadi jika terdapat dua permukaan

yang mempunyai suhu yang berbeda. Dalam hal ini, setiap permukaan akan

menyinarkan energi kalor secara radiasi jika permukaan itu bersuhu T dalam

unit suhu mutlak. Lazimnya jika terdapat satu permukaan lain yang saling

berhadapan, dan jikapermukaan pertama mempunyai suhu T1 mutlak

sedangkan permukaan kedua mempunyai suhu T2 mutlak, maka permukaan

tadi akan saling memindahkan kalor .

Selanjutnya juga penting untuk diketahui bahwa :

1. Kalor radiasi merambat lurus.

2. Untuk perambatan itu tidak diperlukan medium (misalnya zat cair atau gas)

2. Hantaran (Konduksi)

Yang dimaksud dengan hantaran ialah pengangkutan kalor melalui

satu jenis zat. Sehingga perpindahan kalor secara hantaran/konduksi

merupakan satu proses pendalaman karena proses perpindahan kalor ini hanya

terjadi di dalam bahan. Arah aliran energi kalor, adalah dari titik bersuhu

tinggi ke titik bersuhu rendah.

Sudah diketahui bahwa tidak semua bahan dapat menghantar kalor

sama sempurnanya. Dengan demikian, umpamanya seorang tukang hembus

kaca dapat memegang suatu barang kaca, yang beberapa cm lebih jauh dari

tempat pegangan itu adalah demikian panasnya, sehingga bentuknya dapat

berubah. Akan tetapi seorang pandai tempa harus memegang benda yang akan

ditempa dengan sebuah tang. Bahan yang dapat menghantar ka1or dengan

baik dinamakan konduktor. Penghantar yang buruk disebut isolator. Sifat

bahan yang digunakan untuk menyatakan bahwabahan tersebut merupakan

suatu isolator atau konduktor ialah koefisien konduksi terma. Apabila nilai

koefisien ini tinggi, maka bahan mempunyai kemampuan mengalirkan kalor

dengan cepat. Untuk bahan isolator, koefisien ini bernilai kecil.

Pada umumnya, bahan yang dapat menghantar arus listrik dengan

sempurna (logam) merupakan penghantar yang baik juga untuk kalor dan

sebaliknya. Selanjutnya bila diandaikan sebatang besi atau sembarang jenis

logam dan salah satu ujungnya diulurkan ke dalam nyala api. Dapat

diperhatikan bagaimana kalor dipindahkan dari ujung yang panas ke ujung

yang dingin. Apabila ujung batang logam tadi menerima energi kalor dari api,

energi ini akan memindahkan sebahagian energi kepada molekul dan elektron

yang membangun bahan tersebut. Moleku1 dan elektron merupakan alat

pengangkut kalor di dalam bahan menurut proses perpindahan kalor konduksi.

Dengan demikian dalam proses pengangkutan kalor di dalam bahan, aliran

elektron akan memainkan peranan penting .

Persoalan yang patut diajukan pada pengamatan ini ialah mengapa

kadar alir energi kalor adalah berbeda. Hal ini disebabkan karena susunan

molekul dan juga atom di dalam setiap bahan adalah berbeda. Untuk satu

bahan berfasa padat molekulnya tersusun rapat, berbeda dengan satu bahan

berfasa gas seperti udara. Molekul udara adalalah renggang seka1i. Tetapi

dibandingkan dengan bahan padat seperti kayu, dan besi , maka molekul besi

adalah lebih rapat susunannya daripada molekul kayu. Bahan kayu terdiri dari

gabungan bahan kimia seperti karbon, uap air, dan udara yang terperangkat.

Besi adalah besi. Kalaupun ada bahan asing, bahan kimia unsur besi adalah

lebih banyak.

3. Aliran (Konveksi)

Yang dimaksud dengan aliran ialah pengangkutan ka1or oleh gerak

dari zat yang dipanaskan. Proses perpindahan ka1or secara aliran/konveksi

merupakan satu fenomena permukaan. Proses konveksi hanya terjadi di

permukaan bahan. Jadi dalam proses ini struktur bagian dalam bahan kurang

penting. Keadaan permukaan dan keadaan sekelilingnya serta kedudukan

permukaan itu adalah yang utama. Lazimnya, keadaan keseirnbangan

termodinamik di dalam bahan akibat proses konduksi, suhu permukaan bahan

akan berbeda dari suhu sekelilingnya. Dalam hal ini dikatakan suhu

permukaan adalah T1 dan suhu udara sekeliling adalah T2 dengan T1 > T2 .

Kini terdapat keadaan suhu tidak seimbang diantara bahan dengan

sekelilingnya.

Perpindahan kalor dengan jalan aliran dalam industri kimia

merupakan cara pengangkutan kalor yang paling banyak dipakai. Oleh karena

konveksi hanya dapat terjadi melalui zat yang mengalir, maka bentuk

pengangkutan ka1or ini hanya terdapat pada zat cair dan gas. Pada pemanasan

zat ini terjadi aliran, karena masa yang akan dipanaskan tidak sekaligus di

bawa kesuhu yang sama tinggi. Oleh karena itu bagian yang paling banyak

atau yang pertama dipanaskan memperoleh masa jenis yang lebih kecil

daripada bagian masa yang lebih dingin. Sebagai akibatnya terjadi sirkulasi,

sehingga kalor akhimya tersebar pada seluruh zat.Pada perpindahan kalor

secara konveksi, energi kalor ini akan dipindahkan ke sekelilingnya dengan

perantaraan aliran fluida. Oleh karena pengaliran fluida melibatkan

pengangkutan masa, maka selama pengaliran fluida bersentuhan dengan

permukaan bahan yang panas, suhu fluida akan naik. Gerakan fluida

melibatkan kecepatan yang seterusnya akan menghasilkan aliran momentum.

Jadi masa fluida yang mempunyai energi terma yang lebih tinggi akan

mempunyai momentum yang juga tinggi. Peningkatan momentum ini bukan

disebabkan masanya akan bertambah. Malahan masa fluida menjadi

berkurang karena kini fluida menerima energi kalor. Fluida yang panas karena

menerima kalor dari permukaan bahan akan naik ke atas. Kekosongan tempat

masa bendalir yang telah naik itu diisi pula oleh masa fluida yang bersuhu

rendah. Setelah masa ini juga menerima energi kalor dari permukan bahan

yang kalor dasi, masa ini juga akan naik ke atas permukaan meninggalkan

tempat asalnya. Kekosongan ini diisi pula oleh masa fluida bersuhu renah

yang lain. Proses ini akan berlangsung berulang-ulang. Dalam kedua proses

konduksi dan konveksi, faktor yang paling penting yang menjadi penyebab

dan pendorong proses tersebut adalah perbedaan suhu. Apabila perbedaan

suhu .terjadi maka keadaan tidak stabil terma akan terjadi. Keadaan tidak

stabil ini perlu diselesaikan melalui proses perpindahan kalor.

Dalam pengamatan proses perpindahan kalor konveksi, masalah yang

utama terletak pada cara mencari metode penentuan nilai h dengan tepat. Nilai

koefisien ini tergantung kepada banyak faktor. Jumlah kalor yang

dipindahkan, bergantung pada nilai h. Jika cepatan medan tetap, artinya tidak

ada pengaruh luar yang mendoromg fluida bergerak, maka proses perpindahan

ka1or berlaku. Sedangkan bila kecepatan medan dipengaruhi oleh unsur luar

seperti kipas atau peniup, maka proses konveksi yang akan terjadi merupakan

proses perpindahan kalor konveksi paksa. Yang membedakan kedua proses ini

adalah dari nilai koefisien h-nya.

4. Alat Penukar Kalor

Apabila kita berhubungan dengan dua macam zat cair atau gas di

da1am proses yang akan saling bertukar ka1ornya, maka kita perlu

membincangkan tentang alat penukar ka1or yang bersesuaian dengan material

yang akan kita pindahkan. Pada industri-industri kimia, a1at penukar ka1or

biasanya digunakan untuk pemanasan dan pendinginan proses serta a1iran

produk. Ana1isa dan desain yang dilakukan digunakan untuk mengaplikasikan

secara praktis prinsip-prinsip dasar pertukaran kalor.

Lazimnya a1at penukar ka1or adalah sistim yang digunakan penukaran

ka1or diantara dua fluida yang dibatasi oleh dinding pemisah. Pada

kebanyakan sistem kedua fluida ini tidak mengalami kontak langsung. Kontak

langsung a1at penukar ka1or terjadi sebagai contoh pada gas kalor yang

terfluidisasi da1am cairan dingin untuk meningkatkan temperatur cairan atau

mendinginkan gas.

Alat penukar kalor berdasarkan fungsinya dapat digolongkan pada

beberapa nama:

1. Exchanger: Memanfaatkan perpindahan kalor diantara dua fluida proses

(steam dan air pendingin tidak termasuk sebagai fluida proses, tetapi

merupakan utilitas).

2. Heater: Berfungsi memanaskan fluida proses, dan sebagai bahan pemanas

a1at ini menggunakan steam.

3. Cooler: Berfungsi mendinginkan fluida proses, dan sebagai bahan

pendingin digunakan air.

4. Condenser: Berfungsi untuk mengembunkan uap atau menyerap ka1or

laten penguapan.

5. Boiler : Berfungsi untuk membangkitkan uap.

6. Reboiler : Berfungsi sebagai pensup1ai kalor yang diperlukan bottom

produk pada distilasi. Steam biasanya digunakan sebagai media pemanas.

7. Evaporator: Berfungsi memekatkan suatu larutan dengan cara menguapkan

airnya.

8. Vaporizer: Berfungsi memekatkan cairan selain dari air.

C. Perancangan Heat Exchanger

1. Rancangan Fungsional

Dalam perancangan ini, kami akan merancang alat pindah panas

dengan kapasitas laju perpindahan panas 50.000 watt. Alat ini kami rancang

sebagai alat untuk mendinginkan atau menurunkan suhu dari fluida panas

dengan menggunakan fluidah yang lebih rendah suhunya (cool fluida).

Rancangan ini menggunakan pipa sebagai aliran fluida panas yang

ditempatkan dalam sebuah bak yang dialiri fluida dingin. Suhu fluida dingin

yang kami gunakan adalah 200 C untuk menurunkan suhu fluida dari 800 C

sampai mencapai suhu 250 C.

Fluida suhu panas yang akan diturunkan suhunya, dalam perancangan

ini adalah susu kental manis dengan panas spesifik (Cp) = 3890 J/kg.0C-1

sedangkan pipa yang digunakan sebagai aliran fluida panas adalah pipa dari

bahan stainless, dengan koefesien pindah panas U = 900 w/m2.0C-1,

a. Perhitungan kecepatan aliran fluida dalam pipa

Diketahui =

Diameter pipa (D) = ½ inci = 1,27 cm =0,0127 m

Suhu fluida panas (T1) = 800 C

Suhu fluida output (T2) = 250C

Suhu fluida pendingin (Tf) = 200 C

Cp (panas Spesifik) = 3890 J/kg.0C-1

Koef. Pindah panas dari bak (U) = 900 w/m2.0C-1

Ditanyakan =

a. Kecepatan aliran fluida dalam aliran (m) ?

b. Panjang pipa yang dibutuhkan (L) ?

Penyelesaian :

Kecepatan aliran

dimana = q = laju perpindahan panas

Cp = panas spesifik

T1 = Suhu Fluida panas

T2 = suhu fluida output

Menghitung panjang pipa yang dibutuhkan

Jadi, panjag pipa yang dibutuhkan dalam desain alat penurun atau pemindah

kalor ini untuk menurunkan suhu susu 800 C menjadi 250 C adalah 101,4

meter dengan diameter 1/2 inci, untuk maket rancangan dipakai perkecilan

skala 1:500.

2. Rancangan Fungsional

Bentuk alat pindah panas ini adalah bak seperti kubus persegi panjang yang

dibagian tengahnya dipasangi pipa sebagai aliran fluida panas. Seperti

dijelaskan pada gambar di bawah ini :

Skala 1:500Gbr. Rancangan Alat Pindah Panas (Heat Exchanger)

Keterangan :1. Tempat penampungan air pendingin2. Pipa aliran fluida pendingin input3. Lubang fluida input4. Bak transfer suhu dingin (bak pendingin)5. Penampungan fluida panas6. Aliran input fluida panas7. Output fluida panas8. Output fluida dingin

Mekanisme kerja alat pemindah kalor (heat Exchanger)

Input Fluida Panas 800C output 250 C

Input Fluida Dingin 200 C

Gbr. Mekanisme Kerja Alat

DAFTAR PUSTAKA

Supratomo, Ir, MSc, Dr. 2006. Perpindahan Panas. Jurusan Teknologi Pertanian Universitas Hasanuddin : Makassar.

Zuhrina Masyithah, ST, MSc dan Bode Haryanto, ST, MT, 2006. Buku ajar Perpindahan Panas.Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatra Utara: Medan