BAB I PENDAHULUAN 1 -...

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2016/2017

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Tujuan Pengujian

a) Mempelajari formulasi dasar dari heat exchanger sederhana.

b) Perhitungan keseimbangan panas pada heat exchanger.

c) Pengukuran koefisien perpindahan panas berdasarkan kuantitas aliran fluida.

1.2 Dasar Teori

1.2.1 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. Perpindahan panas pada Heat exchanger biasanya

melibatkan konveksi di setiap cairan dan konduksi melalui dinding yang

memisahkan dua cairan .. Laju perpindahan panas antara dua cairan pada lokasi di

penukar panas tergantung pada besarnya perbedaan suhu dibahwa lokasi , yang

bervariasi sepanjang penukar panas . Jenis paling sederhana dari penukarpanas terdiri

dari dua pipa konsentris yang berbeda diameter , seperti yang ditunjukkan pada

gambar 1.1 , yang disebut double pipa panas exchanger.



Gambar 1.1 aliran (a) counter flow, (b) parallel flow, dan grafik temperatur in, out.

Sumber: Cengel. (2003:21)

. Dua jenis pengaturan aliran yang mungkin dalam double- pipa penukar

panas yaitu dalam aliran parallel, 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 . 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 1.2 Perpindahan panas pada pipa ganda

Sumber: Cengel. (2003:21)



1.2.2 Mekanisme Perpindahan Panas

Energi panas dapat ditransfer dari satu sistem ke sistem yang lain, sebagai

hasil dari perbedaan temperatur. 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 konduksi,

konveksi dan radiasi. Di bawah ini kita memberikan gambaran singkat dari setiap

cara.

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.

Konveksi

Konveksi 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.

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 Ts mutlak diberikan oleh hukum Stefann-

Boltzmann.

1.2.3 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.

1.2.4 Difusivitas Termal



Cp sering dijumpai dalam analisis perpindahan panas, disebut kapasitas panas

material. Baik dari Cp panas spesifik dan kapasitas panas ρCp mewakili kemampuan

penyimpanan panas dari suatu material. Oleh karena itu, difusivitas termal dari

material dapat dipandang sebagai rasio panas yang dilakukan melalui bentuk material

panas yang tersimpan per satuan volume.

1.2.5 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 (m2K)/W.

1.3 Spesifikasi Alat

Gambar 1.3 Water to Water Heat Exchanger Bench

Sumber : Laboratorium Fenomena Dasar Mesin FT-UB

Hot water source

Head tank with square weir

Flow rate meter (rotameter) : 200 liter/jam

Termometer pada inlet & outlet : 0 – 100oC

Electrically 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 – 100oC

Heat exchanger

Double tubes water to water heat exchanger : Diameter 1’ x Panjang 1000

mm

Katup pengatur aliran : katup 3 arah

Controller unit

Hot water temperature control unit

Kebutuhan Pendukung

Listrik 3 fase 200/220 Volt, 50/60 Hz, 50 Ampere

Suplai air (700 liter/jam)

1.4 Cara Pengambilan Data

Air panas mengalir melalui tabung dan air dingin melalui jacket. Eksperimen

aliran pararel dan counter flow dilakukan dengan merubah arah aliran air dingin

dengan memutar katup 3 arah (A) dan (B). Dengan mengatur debit aliran air panas

dan air dingin aliran laminar dan turbulen dapat diatur. Tabel berikut menunjukkan

kombinasi eksperimen:

Hot Water Cold Water Hot Water Cold Water

PARALLEL FLOW

A LAMINAR LAMINAR

COUNTER FLOW

E LAMINAR LAMINAR

B TURBULENT LAMINAR F TURBULENT LAMINAR

C LAMINAR TURBULENT G LAMINAR TURBULENT

D TURBULENT TURBULENT H TURBULENT TURBULENT

1) Set temperatur

Atur temperatur air panas pada head tank dengan TEMP. SET pada

control unit. Tunggu hingga pembacaan termometer air panas mencapai

stabil.

2) Set aliran laminar dan turbulen



Dengan mengatur katup no (3) dan (19) aturlah debit air panas dan air

dingin sesuai dengan tabel berikut:

LAMINAR TURBULENT

Flow Rate Meter

(Hot Water) < 30 l / h > 100 l / h

Flow Rate Meter

(Cold Water) < 150 l / h > 500 l / h

3) Pengukuran

Ukurlah nilai T1, T2, t1, t2, W dan w dan tulis data dalam lembar

pengambilan data yang telah disediakan.

4) Perhitungan

a. Hitung nilai Δtm dengan persamaan (4) dan (5)

b. Hitung nilai (T1 + T2) / 2 kemudian tentukan nilai viskositas kinematic vh

pada tabel properti air.

c. Hitung nilai qw dan QW dengan persamaan (1)

d. Hitung nilai (t1 + t2) / 2 kemudian tentukan nilai viskositas kinematic vl

pada tabel properti air.

e. Hitung nilai ReW dengan persamaan (8) dan Rew dengan persamaan (9)

f. Hitung nilai efektifitas dengan persamaan (7)

g. Hitung nilai U dengan persamaan (6)

1.4.1 Heat-Exchanger

Gambar 1.4 Double Tube Heat Exchanger

Sumber : Harlan Bengtson, (2010)

Saat fluida dengan temperatur tinggi mengalir pada tabung dan fluida

bertemperatur rendah mengalir pada jacket maka kalor sejumlah Q akan berpindah



melalui dinding tabung dalam keadaan tunak (steady state), jumlah panas yang

dilepas pada fluida bertemperatur tinggi akan sama dengan jumlah panas yang

diterima pada fluida bertemperatur rendah. Sehingga keseimbangan panasnya

menjadi:

dimana:

= kalor yang dilepas (kcal / jam)

= kalor yang diterima (kcal / jam)

T = temperatur fluida bertemperatur tinggi (oC)

t = temperatur fluida bertemperatur rendah (oC)

W = Laju alir fluida bertemperatur tinggi (kg/ jam)

w = Laju alir fluida bertemperatur rendah (kg/ jam)

CH = Panas spesifik fluida bertemperatur tinggi (kcal/kgoC)

CC = Panas spesifik fluida bertemperatur rendah (kcal/kgoC)

Jika ditentukan rata-rata perbedaan temperatur antara kedua fluida sebagai

Δtm, maka jumlah panas (q):

dimana:

q = jumlah panas yang ditukar (kcal / jam)

A = area permukaan perpindahan kalor (m2) dalam kasus tabung A = πdL

U = koefisien transmisi kalor / heat transmission coefficient (kcal/m2jam

oC)

Δtm = Rata-rata (logaritmik) perbedaan temperatur (oC)

…..(1)



Gambar 1.5 Profil Temperatur Heat Exchanger


Untuk paralel flow

Untuk counter flow

Sehingga dapat ditentukan nilai koefisien transmisi kalor (U)

Nilai efektifitas heat exchanger (ϵh)

1.4.2 Bilangan Reynolds

…..(4)

…..(5)

…..(6)



Bilangan Reynolds digunakan untuk menentukan regime aliran apakah

laminar atau turbulen. Didapatkan dengan persamaan:

d merupakan diameter pipa dan v merupakan kecepatan alir fluida didapatkan dengan

persamaan: v = W/A

Luas penampang (A) tabung dan jacket dapat diketahui dengan fungsi diameternya

seperti pada gambar 3.

Gambar 1.6 Penampang Heat Exchanger


Air panas

Passing area :

dengan

dimana W dengan satuan liter/jam dengan mensubtitusikan nilainya pada

persamaan maka:

Sehingga:



adalah viskositas kinematik (m2/s) pada temperatur rata-rata air panas dalam

tabung

Air dingin

Passing area:

Nilai d untuk perhitungan bilangan Reynold

Sehingga bilanagn Reynold untuk air dingin

dengan subtitusi besaran di atas maka:

adalah viskositas kinematik (m2/s) pada temperatur rata-rata air dingin dalam

tabung

Tabel 1.1 Properti Air



1.5 Lembar Data

1.5.1 Data Hasil Pengujian

Tabel 1.2 Data Hasil Pengujian

VARIATION

logarithmic

mean-

temperature

difference

HOT WATER COLD WATER EFFECTIVENESS

OF HEAT

EXCHANGER

COEFFICIENT OF

OVERALL HEAT

TRANSFER

T1-t1 T2-t2 ∆tm Qw Rew qw Rew q U

PA

RA

LL

EL

A

B

C

D

CO

UN

TE

R E

F

G

H



Tabel 1.3 Data Hasil Pengujian

VARIATION

HOT WATER COLD WATER KINEMATIC VISCOUSITY OF WATER

INLET OUTLET

FLOW

R.

METER

INLET OUTLET

FLOW

R.

METER

HOT WATER COLD WATER

T1 T2 W t1 t2 w (T1+T2)/2 Vh (t1+t2)/2 vl

PA

RA

LL

EL

A

B

C

D

CO

UN

TE

R E

F

G

H



1.5.2 Contoh Perhitungan

A. Untuk Menghitung Nilai Qw dan

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

..........................................................................................................................

B. Untuk Menghitung Nilai Δtm Untuk Jenis Aliran Parallel Flow

........................................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

........................................................................................................................

C. Untuk Menghitung Nilai Δtm Untuk Jenis Aliran Counter Flow

............................................................................................................................

............................................................................................................................

............................................................................................................................

............................................................................................................................

............................................................................................................................

............................................................................................................................



D. Untuk Menghitung Nilai Efektifitas Heat Exchanger ϵh

............................................................................................................................

............................................................................................................................

............................................................................................................................

............................................................................................................................

............................................................................................................................

............................................................................................................................

E. Untuk Menghitung Nilai Bilangan Reynolds

............................................................................................................................

............................................................................................................................

............................................................................................................................

............................................................................................................................

............................................................................................................................

............................................................................................................................



1.6 Grafik dan Pembahasan

1.6.1 Hubungan Efektifitas Perpindahan Panas Terhadap Regime Aliran Pada Variasi Arah Aliran



...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................



1.6.2 Hubungan Koefisien Perpindahan Panas Terhadap Regime Aliran Pada Variasi Arah Aliran



...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................

...................................................................................................................................



DAFTAR PUSTAKA

Bengtson, Harlan. 2010. Heat Exchangers - Arithmetic and Logarithmic Mean

Temperature Difference. Diakses pada tanggal : 26 September 2015.

Cenggel, Yusuf A. 2003. Heat Transfer : A Practical Approach. New York :

McGraw-Hill.

http://www.engineeringtoolbox.com/arithmetic-logarithmic-mean-temperature-d_436.html

http://www.engineeringtoolbox.com/arithmetic-logarithmic-mean-temperature-d_436.html

BAB I PENDAHULUAN 1 -...

Documents

Transcript of BAB I PENDAHULUAN 1 -...