Upload
mei-ade
View
297
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
ANALISA PERPINDAHAN PANAS PADA PERENCANAAN MENARA
PENDINGIN TIPE PLAT DATAR
Oleh :
Elfia Ridwan
0304102010023
Abstrak
Menara pendingin salah satu alat penukar panas, dimana aliran fluida panas (air) akan dikontak langsung dengan fluida dingin (udara). Analisa perpindahan panas pada perencanaan menara pendingin ini untuk memperoleh suatu alat penukar kalor yang lebih sederhana dan efisien dengan menggunakan plat datar tipis sebagai media perpindahan panas. Penggunaan plat datar bertujuan untuk memperluas permukaan perpindahan panas dimana fluida panas mengalir diatas plat dengan memperlambat laju aliran air jatuh sehingga dengan memperlambat laju aliran maka energi panas yang hilang lebih besar. Pada sistem menara pendingin ini, panas yang dibuang pada plat 1 204,68 kW dan pada saat air jatuh 296,04 kW sehingga panas total yang dibuang sebesar 3038,79 kW dengan temperatur masuk 90 0C dan keluar 82,97 0C. laju perpindahan panas ini masih bisa ditingkatkan dengan memperluas dimensi permukaan plat ataupun dengan menggunakan blower sehingga temperatur yang keluar lebih rendah.
Kata kunci : perpindahan panas, plat datar, air.
I. PENDAHULUAN
Semua peralatan pemesinan yang berbasis energi panas apabila bekerja
terus-menerus akan menimbulkan panas yang berlebihan. Hal ini apabila panas
yang timbul melebihi batas toleransi tingkat kemampuan material menahan panas
yang diizinkan akan terjadi kelelahan thermal material. Untuk mengatasi
kelelahan material tersebut maka perlu dihindari dengan proses pendinginan.
Pada umumnya proses pendinginan dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu
dengan menggunakan fluida udara dan fluida air. Pemanfaatan fluida udara
langsung sebagai media pendingin sering digunakan untuk pendinginan yang
1
berkapasitas kecil contohnya seperti pada sepeda motor. Sedangkan untuk
pendinginan yang berkapasitas sedang biasanya menggunakan radiator. Pada
mesin motor bakar yang mempunyai beban pendinginan yang sangat besar
biasanya menggunakan pendinginan secara bertingkat dimana mesin didinginkan
oleh oli kemudian oli tersebut didinginkan dengan air. Air itu sendiri
disirkulasikan ulang yang terlebih dahulu didinginkan di menara pendingin
(cooling tower). Hal ini untuk mencegah temperatur air pendingin melebihi
temperatur toleransi maksimum. Bila temperatur air pendingin melebihi
temperatur maksimum maka kemampuan pendingin akan menurun sehingga
temperatur pelumas akan tinggi (di luar batas izin) yang dapat menurunkan
kualitas pelumas, akibatnya dapat merusak komponen-komponen mesin.
Dalam perencanaan ini, menara pendingin yang direncanakan merupakan
tipe plat datar dimana plat tersusun secara horizontal dan fluida mengalir diatas
plat tersebut, pola aliran seperti ini untuk memperlambat laju aliran massa fluida
panas (air) sehingga luas kontak permukaan perpindahan panas antara fluida
panas dengan udara dapat diperbesar dan waktu persentuhan fluida panas dengan
udara dapat diperpanjang. Dengan memperbesar permukaan sentuh dan
memperpanjang waktu persentuhan antara fluida panas dengan udara dapat
memperbesar laju perpindahan panas sehingga pembuangan energi panas dari
menara pendingin ke udara dapat ditingkatkan.
Dalam menganalisa sistem ini dilakukan dengan asumsi-asumsi sebagai
berikut :
• Tidak terjadi perubahan fasa pada alirannya.
• Proses perpindahan panas konduksi diabaikan karena
konduktifitas plat aluminium merupakan plat tipis seng yang
konduktivitas thermal mendekati 1.
• Energi potensial dan energi kinetik diabaikan.
Tujuan penulisan ini adalah untuk menganalisa perpindahan panas yang
terjadi pada perencanaan menara pendingin. Analisa dan perhitungan perpindahan
panas dilakukan dalam arah satu dimensi dengan membagi plat menjadi beberapa
2
bagian, masing-masing bagian dianalisa dan dihitung dengan metoda yang sama.
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Teori Perpindahan Panas
Perpindahan panas dari suatu zat ke zat lain seringkali terjadi dalam
industri proses. Pada kebanyakan pengerjaan, diperlukan pemasukan atau
pengeluaran panas untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang
dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Perpindahan panas dapat didefinisikan
sebagai perpindahan energi akibat adanya perbedaan temperatur pada suatu
permukaan dengan lingkungan sekitarnya. Perpindahan panas dapat terjadi dengan
tiga (3) cara, yaitu:
1. Konduksi
2. Konveksi
3. Radiasi.
2.1.1. Perpindahan panas konduksi
Perpindahan panas konduksi adalah perpindahan panas yang terjadi pada
media padat yang tak tembus cahaya (opaque). Bila terjadi perpedaaan
temperatur pada suatu benda maka panas akan dipindahkan dari daerah temperatur
tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah. Laju aliran panas konduksi
tergantung pada konduktifitas thermal (k) dan sifat-sifat fisik medium. Maka
persamaannya dapat dituliskan sebagai berikut :
dx
dTkAqk −=
………………………………………………………..
(2.1)
dimana :
qk = Laju aliran panas (watt)
k = Konduktifitas thermal (W/m. oK)
A = Luas penampang (m2)
dT = Perbedaan temperatur (oK)
dx = Perbedaan tebal dindinng pelat (m)
3
2.1.2. Perpindahan panas konveksi
Perpindahan panas konveksi ialah perpindahan panas yang terjadi akibat
adanya fluida yang bergerak atau mengalir dan bersentuhan dengan suatu
permukaan yang temperaturnnya berbeda dengan fluida tersebut. Secara umum
perpindahan panas konveksi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan ,
yaitu:
qc = )( .∞− fsc TTAh
……………………………………………………
(2.2)
dimana :
ch = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (W/m2. oK)
A = Luas permukaan kontak dengan fluida (m2)
Ts = Temperatur permukaan (oK)
Tf.∞ = Temperatur fluida (oK)
Perpindahan panas secara konveksi dapat digolongkan berdasarkan
gerakan fluida sebagai media perpindahan panas, yaitu :
1. Konveksi paksa adalah perpindahan panas konveksi yang dilakukan
oleh fluida akibat adannya gaya yang bekerja pada fluida tersebut.
2. Konveksi alamiah adalah perpindahan panas konveksi akibat gaya
apung dimana fluida sebagai media perpindahan panas tidak bergerak
atau tidak ada gaya yang bekerja pada fluida tersebut.
Pada perencanaan menara pendingin sistem plat datar ini perpindahan
panas terjadi secara konveksi paksa melalui permukaan penampang karena
bergerak diatas plat tersebut.
2.1.3. Perpindahan panas radiasi
Yang dimaksud dengan perpindahan panas radiasi ia1ah perpindahan
panas mela1ui gelombang elektromagnetik dari suatu fluida ke fluida yang lain.
Semua benda memancarkan ka1or. Keadaan ini baru terbukti setelah suhu
4
∞
=U
xt
αδ 8
meningkat. Pada hakekatnya proses perpindahan ka1or radiasi terjadi dengan
perantaraan foton dan juga gelombang elektromagnetik. 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. Besarnya energi yang
meninggalkan permukaan sebagai panas radiasi dipengaruhi oleh temperatur
absolute dan keadaan permukaannya. Laju aliran perpindahan panas radiasi dapat
dihitung dengan menggunakan persamaan :
qr = σAT4 …………………………………………………………….
(2.3)
dimana :
qr = Laju perpindahan panas radiasi (watt)
A = Luas penampang (m2)
T = Temperatur permukaan (T)
σ = Konstanta Bolzmant = 5,6 x 10-8 W/m2. K4.
2.2 Koefisien Perpindahan Panas
2.2.1 Aliran Laminar
Secara analisis penentuan harga koefisien perpindahan panas untuk aliran
laminar yaitu dengan menggunakan persamaan energi integral lapisan batas. Dari
penyelesaian integrasi tersebut didapat :
………………………………………………………. (2.4)
Koefesien perpindahan panas dapat dinyatakan dengan
5
xtwx
UK
TT
wyTkh
α∞=
∂=
−∂∂−=∞ 8
23
2
3)/(
……………………………. (2.5)
Hubungan ini dapat dibuat dalam bentuk tidak berdimensi sebagai:
==k
xhNu x
x
.
0,530(Rex.Pr)1/2 = 0,530 . Pe1/2 ............................ (2.6)
Dimana : Pe = Re. Pr, yang disebut sebagai bilangan Peclet.
Untuk menghitung koefisien perpindahan panas dengan menggunakan
persamaan diatas, sifat-sifat fluida dievaluasi pada suhu film, yakni rata-rata
aritmatika antara suhu dinding dengan suhu aliran bebas.
2
)( ∞+=
TTT w
f …………………………………………………….. (2.7)
Dalam praktek biasanya kita menggunakan harga rata-rata koefisien
perpindahan panas sepanjang plat mulai, x = 0 sampai x = L, jadi :
LxxhdxxhL
h ==∫= )(2)(1 1
0 ………………………………………… (2.8)
dengan demikian angka nusselt number rata-rata untuk aliran sepanjang plat rata
adalah :
2
1
3
1
Re.Pr664,0=uN ……………………………………………….. (2.9)
2.2.2 Aliran Turbulen
Korelasi untuk aliran turbulen sepanjang plat rata telah dikembangkan oleh
Whitetaker (24) dengan bentuk sebagai berikut :
Nu = 43,08,0 PrRe029,0 x ……………………………………………. (2.10)
Dalam prakteknya, lebih disukai menggunakan harga koefisien
6
perpindahan panas kalor rata-rata h sepanjang plat mulai 0 ≤ x ≥ L pada aliran
turbulen, selalu dimulai oleh batas laminar. Oleh karena itu perata-rataan harus
digunakan untuk memperoleh harga rata-rata koefisien perpindahan panas.
Misalkan aliran laminar pada jangkauan 0 ≤ x ≥ c dan turbulen pada
daerah c ≤ x ≥ L. koefisien perpindahan panas lokal bagi kedua daerah tersebut
adalah :
3/1
2/1
1 Pr332,0
= ∞
v
xu
x
khx
…………………………………...… (2.11)
pada 0 ≤ x ≥ c (laminar)
43.0
8.0
1 Pr029,0
= ∞
v
xu
x
khx
…………………………………….. (2.12)
pada c ≤ x ≥ L (turbulen)
koefisien perpindahan panas rata-rata h sepanjang daerah 0 ≤ x ≥ L didefinisikan
sebagai :
∫+∫= hdxdx
xh
Lh
Lc
00
11
…………………………………………… (2.13)
Bilangan Nusselt rata-rata ( Nu ) sepanjang daerah laminar turbulen setelah proses
integrasi didapat:
5,03/18,08,043,0 RePr664,0)Re(RePr036,0 ccLNu +−= ……………….. (2.14)
Harga Nusselt pada persamaan diatas tergantung pada harga Reynold kritis
untuk peralihan dari laminar ke turbulen, untuk angka Reynold kritis Rec = 2 x 105
Whitetaker (24) menyarankan persamaan berikut:
7
25,0
8,043,0 )9200(RePr036,0
−= ∞
wL u
uNu
………………………… (2.15)
Persamaan diatas memberikan angka Nusselt rata-rata pada daerah laminar
dan turbulen pada plat rata yang sesuai untuk fluida-fluida seperti udara, air
hingga minyak mesin.
2.2.3 Aliran Menyilang Silinder
Pengetahuan mengenai perpindahan panas untuk aliran menyilang silinder
penting dalam beberapa kasus dalam prakteknya, seperti pada perhitungan
perpindahan panas menara pendingin ini yang bentuk air jatuh hampir sama
dengan bentuk silinder. Tetapi penentuan koefisien perpindahan panas untuk hali
in sangat sulit karena kompleksnya pola-pola aliran disekitar silinder tersebut.
Gambar dibawah ini mengilustrasikan karakterisrtik aliran disekitar sebuah
silinder dalam aliran silang.
Gambar 2.1 Aliran disekitar silinder
Sumber: Bejan, 1993
Whitaker (24) mengkorelasikan koefisien perpindahan panas rata-rata
untuk berbagai fluida baik gas maupun zat cair yang mengalir menyilang silinder
tunggal dengan bentuk persamaaan sebagai berikut:
( )25.0
4,03/25,0 PrRe06,0Re4.0
+= ∞
w
Nuµµ
……………………… (2.16)
Yang berlaku pada jangkauan: 40 < Re < 105 dan 0,67 < Pr < 300
Pada persamaan ( 2.16 ) terdapat ketergantungan bilangan Nusselt pada dua
8
bilangan Reynold berbeda. Untuk harga Re0,5 merupakan kontribusi dari
karakteristik daerah lapisan batas laminar dan untuk Re2/3 merupakan kontribusi
dari daerah aliran balik disekitar silinder.
Suatu korelasi yang lebih umum dan lebih terperinci diberikan oleh
Churchill dan Bernstein (3) untuk koefisien perpindahan panas rata-rata bagi
aliran menyilang silinder dalam bentuk sebagai berikut:
5/48/5
4/13/2
3/12/1
282000
Re1
Pr
4,01
Pr.Re62,03,0
+
+
+=Nu
…………………. (2.17)
Yang berlaku pada rentang 102 < Re < 107
Rumus ini memberikan hasil yang agak lebih rendah sekitar 20% dari data
rentang angka Reynolds antara 20.000 dan 40.000, untuk rentang ini disarankan
menggunakan rumus berikut:
[ ]
+
++=
2/1
4/13/2
9/12/1
282000
Re1
Pr)/4,0(1
Pr.Re62,03,0Nu
………………... (2.18)
Persamaan (2.15) dan (2.16) berlaku untuk fluida udara, air hingga natrium
cair baik kondisi temperature dinding konstan maupun fluks kalor konstan. Semua
sifat dievaluasi pada suhu film.
III. METODELOGI ANALISA
3.1 Prinsip Kerja Menara Pendingin yang Direncanakan
Menara pendingin yang direncanakan terdiri dari bak penampungan atas,
plat datar dan bak penampungan bawah dengan dimensi 295 cm x 100 cm x 50
cm. Dalam bak penampungan atas dipasang dua buah unit pemanas (heater) untuk
memanaskan air yang dipompa dari bak penampungan bawah. Kemudian air
dengan temperatur T2 mengalir melewati plat datar untuk diturunkan
temperaturnya secara konveksi paksa menjadi T1, yang kemudian jatuh kembali ke
9
bak penampungan bawah. Diharapkan dengan sistem perencanaan ini dapat
memberikan efek perpindahan panas yang lebih besar sehingga dapat
meningkatkan efesiensi kerja suatu mesin.
Keterangan:
1. Bak penampung atas
2. Plat datar
3. Bak penampung bawah
10
4. Pompa
Gambar 3.1 Menara Pendingin yang Direncanakan
Satuan : cm
Ket:1. Pintu Air2. Bak Penampung Atas3. Heater4. Plat Datar5. Pipa Saluran Air Dingin
11
6. Bak penampung Bawah7. Pompa8. Roda
Gambar 3.2 Mekanisme Aliran Fluida pada Menara Pendingin
3.2 Bagian-Bagian Menara Pendingin Yang Direncanakan
3.2.1 Bak Penampungan Atas
Bak penampungan atas merupakan tempat penampungan air yang
dipanaskan dengan heater sehingga mencapai temperatur T2 sebelum dialirkan ke
plat datar. Pada bak penampungan atas juga terdapat bagian-bagian yang terdiri
dari saluran pipa air masuk dan pintu air yang merupakan tempat keluarnya air
dari bak yang selanjutnya dialirkan diatas plat. Pintu air ditempatkan pada bagian
bawah bak, hal ini bertujuan untuk mempercepat air mengalir.
3.2.2 Plat Datar
Pada bagian ini air dialirkan diatas plat secara external flow sehingga
terjadi perpindahan panas konveksi akibat kontak langsung dengan aliran udara.
Setiap plat datar memiliki dimensi 80,6 cm x 50 cm. pada perencanaan menara
pendingin ini terdapat 7 plat datar yang tersusun secara horizontal, yang betujuan
untuk memperluas kontak permukaan perpindahan panas antara fluida panas
dengan udara sehingga waktu persentuhan fluida panas dengan udara dapat
diperpanjang. bentuk dan dimensinya dapat dilihat pada gambar
Gambar 3.2 Penampang Plat Datar
3.2.3 Bak Penampungan Bawah
Bak penampungan bagian bawah berfungsi untuk menampung air yang
12
sudah diturunkan temperaturnya dan air tersebut dipompakan kembali ke atas bak
penampungan atas. Pada bak penampungan bawah juga dilengkapi dengan
penyaring (filter) agar menjaga agar air yang dipompakan tetap bersih.
3.3. Metoda Analisa
Metoda analisa yang dilakukan dengan menggunakan literatur yang ada
dan memasukan data-data perencanaan kedalam persamaan-persamaan. Analisa
dan perhitungan perpindahan panas dilakukan dalam arah satu dimensi dengan
membagi plat menjadi beberapa bagian, masing-masing bagian dianalisa dan
dihitung dengan metoda yang sama. Dalam analisa ini bagian perpindahan panas
dibagi dalam bebarapa tahap, yaitu :
a. Analisa perpindahan panas pada saat air jatuh dari bak penampung atas ke
plat datar.
b. Analisa perpindahan panas pada saat air mengalir diatas plat datar.
c. Analisa perpindahan panas pada saat air jatuh dari plat yang satu ke plat
lainnya.
IV. ANALISA DAN PERHITUNGAN
Analisa perpindahan panas pada alat ini dilakukan pada setiap plat dimana
setiap plat panjangnya 80 cm yang mempunyai tujuh (7) tingkatan dan pada setiap
bagian yang terjadi perpindahan panas dianalisa dengan metoda yang sama. Pada
perencanaan ini menara pendingin digunakan dalam ruangan sehingga kecepatan
udaranya diabaikan. Data yang dipakai pada analisa ini berdasarkan menara
pendingin yang direncanakan, yaitu :
Tabel 4.1 Data-data propertis perencanaan
No Data Analisa Perencanaan Besaran1 Temperatur air yang dipanaskan 90o
2 Temperatur udara luar 30o
3 Panjang setiap plat 80 cm4 Lebar plat 50 cm
13
4.1 Kapasitas Menara Pendingin
Kapasitas menara pendingin dapat ditentukan dengan menggunakan
persamaan:
Q = V . A
Dimana:
V = kecepatan air
A = Luas pintu air
= 0,05 m x 0,5 m (direncanakan)
Tinggi antara pintu air dengan plat pertama direncanakan 0,5 m, sehingga
kecepatan air dapat dihitung:
sm
gHV
/13,3
)5,0)(81,9)(2(
2
==
=
Sehingga di dapat:
Q = (3,13) x (0,05 x 0,5)
= 0,078 m3/s
4.2 Daya Pompa
Pompa berfungsi untuk memindahkan air dari tinggi tekan (head) rendah
ke tinggi tekan yang tinggi. Besarnya daya pompa yang dibutuhkan untuk
perencanaan menara pendingin ini dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan:
ηρ HQg
P...=
Dimana:
Q = Debit air
14
H = Head pompa
= 2,2 m ( direncanakan)
η = Efisiensi pompa
= 60% (direnncanakan)
ρ = Massa jenis air
= 992 kg/m3 (tabel lampiran)
Sehingga didapat:
6,0
)2,2)(078,0)(81,9)(992(=P
= 2,78 kW
4.3 Analisa Perpindahan Panas
Analisa perpindahan panas pada sistem ini dilakukan pada setiap plat
dimana setiap plat panjangnya 1 m. bagian pertama yang di analisa yaitu pada saat
air jatuh dari bak penampung ke plat pertama (gambar 4.1), dimana terjadi
perpindahan panas konveksi karena air bersentuhan langsung dengan udara.
Kecepatan udara dalam perencanaan ini diabaikan karena menara pendingin ini
15
Gambar 4.1 Mekanisme perpindahan panas konveksi
direncanakan digunakan dalam ruangan. Perpindahan panas dianalisa pada
temperatur film, yaitu:
2
3090 +=fT
= 60 oC
Sifat-sifat fluida dapat dievaluasi pada temperatur flm yaitu: ( tabel lampiran)
ν = 0,478 x 10-6 m2/s
K = 0, 658 W/m.K
Pr = 3
Cp = 4181 J/kg. K
Reynolds number:
5
6
10 6,55
10478,0
)15,0)(1,3(
.Re
×=×
=
=
−
νlV
16
Untuk bilangan Reynold berada diatas 5 x 105 maka aliran tersebut adalah
turbulen sehingga didapat bilangan Nusselt:
Nu = 0,029 Pr0,43 . Re0,8
= 0,664 (3)0,43 . (510 6,55× )0,8
= 2,09 x 103
Maka koefisien perpindahan panas konveksi adalah:
KmW
l
kNuh
24
3
/101,38
1,0
)658.,0).(1009,2(
.
×=
×=
=
Sehingga perpindahan panas konveksi didapat:
q = h . A (∆T)
= (1,38 x 104).(0,1 x 0,5).(90 – 30)
= 4,13 x 104 W
Analisa diatas merupakan analisa perpindahan panas untuk bagian pertama
yakni pada saat air mengalir jatuh dari bak penampungan air panas ke plat
pertama, dimana pada daerah ini penurunan temperatur dapat ditentukan dengan
persamaan:
Q = m Cp ∆T
4,98 x 105 = (100) (4181) ∆T
C
T
0
4
098,0
4181100
1013,4
=××=∆
4.3.1 Perpindahan Panas Akibat Terjadi Perpindahan Massa
Kontak langsung air dengan udara mengakibatkan terjadinya perpindahan
17
massa yang disertai perpindahan panas konveksi, peristiwa ini disebut juga
evaporative cooling dimana terjadi perpindaha energi panas sebagai akibat
perpindahan massa air ke udara.
Dari data diatas dapat diperoleh temperature film antara air dengan udara
lingkungan, yaitu:
CT f09,59
2
309,89 =+=
Sifat-sifat fluida air pada Tf = 59,9 oC adalah:
ν = 0,78 x 10-6 m2/s
K = 0,658 w/m. K
Pr = 3
Cp = 4181 J/kg. K
Sifat fisik udara dievaluasi pada temperatur 30oC dan tekanan 1 atm, dengan
menggunakan table maka sifat termodhinamika dapat diketahui ρ = 1,175
kg/m3.
Gambar 4.2 Mekanisme perpindahan massa
18
sifat fisik uap air dalam udara yaitu:
D = 3,5 x 10-5 m/s
Sc= 0,53
ρv = 0,59
Reynold number sepanjang 1 m yaitu:
6
6
102,5
)10478,0(
)1).(14,3(
.Re
×=×
=
=
−
νlV
Untuk bilangan Reynold number 5 x 105 maka aliran tersebut adalah turbulen,
sehingga Sherwood number rata-rata dapat ditentukan dengan persamaan berikut:
Sh = 0,023 . Sc1/3 . Re0,8
= (0,023).(0,53)1/3.(5,2 x 106)0,8
= 7045,6
Maka koefisien perpindahan massa adalah:
sm
shL
Dhm
/308,0
)6,7045(1
)105,3( 5
=
××=
=
−
Sehingga banyaknya massa air yang pindah ke udara dapat ditentukan dengan
menggunakan persamaan berikut:
M = hm . A. (ρudara – ρv )
19
= (0,308). (0,5 x 0,8). (1,175 – 0,59)
= 0,072 kg/s
Maka banyaknya energi panas yang pindah ke udara dapat ditentukan yaitu
dengan menggunakan persamaan berikut:
q = M. (hfg)
= (0,072). (2,35 x 106)
= 170082 j/s
Jadi:
Q = m. Cp. ∆T
170082 = (100). (4181). ∆T
∆T = 0,4 oC
4.3.2 Perpindahan Panas Akibat Jatuhnya Air Antara Satu Plat Ke Plat
Yang Lain
Pada system ini plat tersusun secara zig-zag, air mengalir dari satu plat ke
plat lain dimana masing-masing plat terdapat jarak (antara 0,1 m sampai dengan
0,2 m). Pada bagian ini perpindahan panas dianalisa pada ketinggian rata-rata
yaitu:
20
Gambar 4.3 Mekanisme perpindahan panas konveksi
m
mm
HHH
15,02
05,025,02
21
=
+=
+=
Kecepatan air dapat dihitung dengan persamaan:
sm
gHV
/7,1
)15,0).(81,9).(2(
2
==
=
Perpindahan panas ke udara terjadi secara konveksi dimana sifat-sifat fluida
dievaluasi pada temperatur film yaitu:
C
T f
07,59
2
304,89
=
+=
Sifat-sifat fluida pada T = 59,7 oC adalah:
21
ν = 0,489 x 10-6 m2/s
K = 0,658 w/m. K
Pr = 3
Cp = 4181 J/kg. K
Reynolds number didapat:
5
6
1038,5
)10489,0(
)15,0).(7,1(
.Re
×=×
=
=
−
νlV
Untuk Re = 5,26 x 105, bilangan Nusselt dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan:
5/48/5
4/13/2
3/12/1
282000
Re1
Pr
4,01
Pr.Re62,03,0
+
+
+=Nu
=
5/48/55
4/13/2
3/12/15
282000
1038,5(1
3
4,01
)3.()1038,5(62,03,0
×+
+
×+
= 893,22
Maka koefisien perpindahan panas adalah:
D
kNuh
.=
025,0
)658,0).(22,893(=
= 33295,7 W/m2. K
22
Perpindahan kalor konveksi adalah:
q = h (πDL)(∆T)
= (33295,7).(3,14 x 0,025 x 0,15).(88,81 - 30)
= 23509,63 W
Jumlah lubang sudah direncanakan sebanyak 18 lubang, dimana lubang
tersebut dilalui oleh air dengan kapasitas 100 kg/s sehingga jumlah perpindahan
panas keseluruhan pada bagian ini adalah:
q2 = 23509,63 x 18
= 296452,6 W
Sehingga penurunan temperature pada bagian ini dapat ditentukan yaitu:
Q = m. Cp. ∆T
= 100 x 4181 x ∆T
∆T = 418100
6,296452
= 0,7 oC
Analisa perpindahan panas pada plat selanjutnya dihitung dengan
menggunakan metoda yang sama sehingga bamyaknya energi panas yang hilang
pada sistem perencanaan menara pendingin ini dapat dilihat pada table 4.2.
Table 4.2 Perpindahan panas yang terjadi pada menara pendingin
23
Media
perpindahan panas
Temperatur air
masuk,
Tin
( 0C)
Laju perpindahan
panas,
Q
(w)
Temperatur air
keluar,
Tout
( 0C)
24
R 1 90 41307,85 89,9
Plat 1 89,9 204688,8 89,41
R 2 89,41 296040,2 88,70
Plat 2 88,70 123393,2 88,40
R 3 88,40 290629,6 87,71
Plat 3 87,71 122995 87,42
R 4 87,42 285778 86,91
Plat 4 86,91 122387,2 86,44
R 5 86,44 280987,5 85,77
Plat 5 85,77 121174,9 85,48
R 6 85,48 276264,5 84,82
Plat 6 84,82 118913,6 84,53
R 7 84,53 271205 83,89
Plat 7 83,89 116707,7 83,61
R 8 83,61 266650,7 82,97
(Ket : R = Perpindahan panas pada saat air jatuh dari satu plat ke plat yang lain)
5. KESIMPULAN
Dari hasil analisa dan perhitungan terhadap perencanaan menara
pendingin, maka dapat disimpulkan bahwa:
a. Menara pendingin yang direncanakan adalah tipe plat datar dengan sistem
aliran terbuka yang bertujuan untuk terjadinya perpindahan panas secara
konveksi dengan udara.
b. Energi panas total yang dibuang sebesar 3038,79 kW.
c. Temperatur air dapat diturunkan dari 90 0C menjadi 82,97 0C.
d. Laju perpindahan panas masih dapat diperbesar dengan memperluas
dimensi pemukaan plat dan menggunakan blower untuk meningkatkan laju
aliran udara sehingga temperatur air yang keluar semakin rendah.
25
e. Kontruksi dari menara pendingin ini lebih sederhana dan jika terjadi
pengotoran lebih mudah dibersihkan.
f. Bahan plat yang direncanakan terbuat dari aluminium karena
konduktivitas thermal yang tinggi dan harganya lebih murah disbanding
tembaga.
DAFTAR PERPUSTAKAAN
Bejan, A, (1993), Heat Transfer, Jhon Wiley dan sons, Inc, Kanada.
Holman, J,P, (1998), Perpindahan Kalor Konveksi, Penerbit Erlangga, Jakarta.
Koetoer, Raldi ; Zulkifli, (1998), Perpindahan Kalor Konveksi, Laboratorium
Perpindahan Kalor, Jurusan Mesin Fakultas Teknik, Universitas
Indonesia, Jakarta.
Kreith, F, (1996), Prisip-prinsip Perpindahan Panas, edisi Ketiga, Terjemahan
26
Prijono, A, Penerbit Erlangga, Jakarta.
27