Upload
bayu-adhi-setia-nugraha
View
90
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
Praktikum Sistem Energi
HEAT EXCHANGER
1. TUJUAN
1 Mengetahui Karakteristik serta cara kerja instalasi uji heat exchanger
2. Mengetahui laju penurunan temperatur dari suatu Exchanger
2. TEORI DASAR
2.1 Teori Umum Perpindahan Panas
Bila dalam suatu sistem terdapat gradien suhu, atau apabila dua buah
sistem yang berbeda suhunya disinggungkan akan terjadi perpindahan energi.
Proses perpindahan energi tersebut dinamakan perpindahan panas.
Cabang ilmu pengetahuan yang membahas tentang hubungan antara energi
panas dengan bentuk energi yang lainnya disebut termodinamika. Dalam
termodinamika dipelajari sistem, dimana sistem tersebut dalam keadaan
setimbang. Jumlah panas yang dipindahkan selama suatu proses adalah sama
dengan beda perubahan energi sistem dan kerja yang dilakukan. Analisa jenis ini
tidak memperlihatkan mekanisme aliran panas dan waktu yang diperlukan dalam
perpindahan panas tersebut.
Ilmu perpindahan panas mempunyai peran sebagai pelengkap analisa
thermodinamika, dengan menyumbangkan hukum-hukum yang membuka jalan
untuk meramalkan laju perpindahan panas. Hukum-hukum pelengkap ini
didasarkan atas ragam perpindahan panas yang fundamental yaitu konduksi,
konveksi dan radiasi.
2.1.1 Perpindahan Panas Konduksi
Gradien suhu yang terdapat pada suatu benda akan menyebabkan
terjadinya perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi ke bagian yang bersuhu
rendah. Jika energi berpindah secara konduksi maka laju perpindahan panas itu
sebanding dengan gradien garis normal.
1)
Laboratorium Konversi Energi – UNAND 51
Praktikum Sistem EnergiJika dimasukkan konstanta proporsional atau tetapan kesebandingan maka :
2)
Tanda minus diberikan untuk memenuhi hukum kedua thermodinamika
yaitu panas mengalir ke tempat yang lebih rendah dalam skala suhu. Pada gambar
2.1 dapat dilihat profil aliran panas konduksi.
T Profil suhu
x
Gambar 1 Bagan aliran panas konduksi
Persamaan diatas dikenal juga dengan hukum Fourier tentang konduksi
panas yaitu merupakan dasar dari konduktifitas thermal untuk gas-gas pada suhu
agak rendah, pengolahan analitis teori kinetik gas dapat dipergunakan untuk
memprediksikan secara teliti nilai-nilai yang diamati dalam percobaan.
Mekanisme konduksi thermal pada gas cukup sederhana. Energi kinetik
ditunjukkan oleh suhunya, jadi pada bagian yang bersuhu tinggi, molekul-molekul
kecepatan yang lebih tinggi daripada yang berada pada bagian yang bersuhu
rendah. Molekul-molekul itu selalu berada dalam gerakan acak, saling
bertumbukan satu sama lain, dimana terjadi pertukaran energi dan momentum.
2.1.2 Perpindahan Panas Konveksi
Laboratorium Konversi Energi – UNAND 52
Praktikum Sistem Energi
Sebagai ilustrasi, pelat logam dengan suhu lebih tinggi akan mengalami
penurunan suhu menuju tingkat yang sama dengan suhu lingkungannya, udara
lingkunganlah yang berperan sebagai media pendingin. Proses itu merupaka salah
satu bentuk dari konveksi. Dan pelat tersebut akan menjadi dingin lebih cepat bila
diletakkan di depan kipas angin dibandingkan ditempatkan di udara terbuka. Hal
ini berarti berarti panas dipaksakan keluar secara konveksi, dan proses ini
dinamakan dengan perpindahan panas secara konveksi paksa. Profil aliran
perpindahan panas secara konveksi ini dapat dilihat pada gambar 2.2.
Aliran U
Aliran bebas
Permukaan pelat Q
TW
Gambar 2 Perpindahan panas konveksi dari plat
Suhu plat TW dan suhu fluida T. Kecepatan aliran seperti gambar 2.2
yaitu nol pada permukaan plat sebagai akibat dari aksi kental viskos, oleh karena
kecepatan lapisan fluida pada dinding adalah nol maka disini panas hanya dapat
berpindah dengan cara konduksi saja.
Gradien suhu bergantung pada laju fluida yang membawa panas,
kecepatan yang tinggi akan menyebabkan gradien suhu yang besar pula dan
demikian seterusnya. Jadi gradien suhu pada dinding bergantung dari medan
aliran.
Guna menyatakan pengaruh konduksi secara menyeluruh, digunakan
hukum Newton tentang pendinginan.
3)
Kita dapat melakukan perhitungan analitis atas h untuk beberapa sistem.
Untuk situasi yang rumit h harus ditentukan dengan percobaan. Koefisien
perpindahan panas kadang-kadang disebut konduktifitas film, karena
Laboratorium Konversi Energi – UNAND 53
Praktikum Sistem Energihubungannya dengan proses konduksi pada lapisan fluida yang tipis pada muka
dinding.
Apabila suatu plat panas dibiarkan berada di udara sekitar tanpa ada
sumber gerakan dari luar, maka udara itu akan bergerak sebagai akibat terjadinya
gradien densitas di dekat plat itu. Peristiwa ini dinamakan dengan konveksi bebas
atau konveksi alamiah, untuk membedakan dengan konveksi paksa yang terjadi
apabila udara itu dihembuskan di atas plat itu dengan kipas.
2.1.3 Perpindahan Panas Radiasi
Berbeda dengan mekanisme konduksi dan konveksi, dimana perpindahan
energi terjadi melalui beban antara, panas juga dapat berpindah melalui daerah-
daerah hampa. Mekanismenya disini adalah sinaran atau radiasi elektromagnet
untuk benda hitam dapat didekati dengan persamaan:
(4)
perhitungan panas melalui radiasi pada perancangan ini diabaikan.
2.2 Teori Umum Penukar Panas
Penukar panas adalah alat yang menghasilkan perpindahan panas dari
suatu fluida ke fluida lain.
Rancang bangun suatu penukar panas diperinci menjadi tiga tahap utama, yaitu :
1. Analisa thermal
2. Rancang bangun mekanik pendahuluan
3. Rancang bangun produksi
Analisa thermal berkaitan dengan penentuan luas permukaan perpindahan
panas yang diperlukan untuk memindahkan panas pada laju aliran serta suhu yang
diketahui.
Rancang bangun mekanik menyangkut pertimbangan-pertimbangan yang
berkaitan dengan suhu serta tekanan operasi, korosi, pemuaian panas relatif,
tegangan thermal dan hubungan antara penukar panas dengan peralatan lain yang
berkaitan Rancang bangun produksi menyangkut ukuran fisik yang dapat dibuat
Laboratorium Konversi Energi – UNAND 54
Praktikum Sistem Energidengan harga rendah, pemilihan penutup, perapat, susunan mekanik optimum, dan
prosedur pembuatan.
2.2.1 Klasifikasi Penukar Panas
Menurut Ramesh K. Shan, penukar panas yang ada sampai sekarang dapat
diklasifikasi berdasarkan:
a) Proses perpindahan panas
b) Tingkat kekompakan permukaan
c) Profil konstruksi permukaannya
d) Susunan aliran fluida
e) Banyaknya fluida yang dipakai
f) Mekanisme perpindahan panas
A. Klasifikasi Berdasarkan Proses perpindahan Panas
Berdasarkan perpindahan panasnya, penukar panas dapat dibedakan
menjadi dua golongan yaitu :
1) Tipe bercampur
2) Tipe tidak bercampur
Ciri-ciri tipe bercampur :
1. Fluida panas dicampur secara langsung dengan fluida dingin, pada
akhirnya temperatur kedua fluida akan sama
2. kapasitas perpindahan panas relatif kecil
Ciri-ciri tipe tidak bercampur :
Mekanisme perpindahan panasnya adalah perpindahan panas dari fluida panas
ke suatu permukaan, baru dipindahkan lagi ke fluida yang lebih dingin. Tipe
tidak bercampur ini dapat dibagi menjadi tiga jenis yaitu :
a) Tipe kontak langsung
b) Tipe tersimpang
c) Tipe terendam
Ciri-ciri tipe kontak langsung adalah :
- Kedua fluida dipisah oleh dinding tipis yang dapat ditembus panas.
Ciri-ciri tipe tersimpang adalah :
Laboratorium Konversi Energi – UNAND 55
Praktikum Sistem Energi
- Permukaan perpindahan panas berupa struktur sel yang biasa disebut
matrik.
- Selama aliran fluida panas mengalir dalam saluran, kalor tersimpan di
dalam dinding matrik. Fluida dingin mengalir di dalam saluran yang lain
dan dinding matrik melepaskan panas ke fluida yang lebih dingin itu.
Ciri-ciri tipe terendam adalah :
- Dipakai untuk mendinginkan benda padat
- Penukar panas direndam dalam bak yang berisi benda padat yang
mengalir.
B. Klasifikasi Berdasarkan Tingkat Kekompakan Permukaan
Berdasarkan tingkat kekompakan permukaannya penukar panas dapat dibagi
menjadi :
1. Tipe kompak, dimana perbandingan luas permukaan dengan volume besar
dari 700 m2 / m3.
2. Tipe tidak kompak, dimana perbandingan luas permukaan dengan volume
kecil dari 700 m2 / m3.
C. Klasifikasi berdasarkan Konstruksi Permukaan
Berdasarkan konstruksi permukaan penukar panas dapat dibagi menjadi :
1. Tipe cangkang dan pipa/tabung (Shell and Tube)
2. Tipe plat
3. Tipe generator
D. Klasifikasi Berdasarkan Susunan Aliran Fluida
Berdasarkan susunan aliran fluida penukar panas dapat dibagi menjadi dua jenis.
Kedua jenis susunan aliran fluida itu adalah :
1. Tipe satu laluan.
2. Tipe banyak laluan.
E. Klasifikasi Berdasarkan banyaknya Fluida yang Dipakai
Berdasarkan banyaknya fluida yang dipakai penukar panas dapat dibagi menjadi :
1. Tipe dua fluida
2. Tipe tiga fluida
Laboratorium Konversi Energi – UNAND 56
Praktikum Sistem EnergiF. Klasifikasi Berdasarkan Mekanisme Perpindahan Panas
Berdasarkan mekanisme perpindahan panasnya penukar panas dapat dibagi
menjadi :
1. Tipe satu fasa
2. Tipe dua fasa
2.3 Distribusi Temperatur
Di dalam penukar panas, suhu fluida tidak konstan namun bervariasi dari
satu titik ke titik lainnya pada waktu panas mengalir dari fluida panas ke fluida
yang lebih dingin. Untuk tahanan thermal yang konstan pun, laju aliran panas
akan berbeda-beda sepanjang lintasan penukar panas karena harganya tergantung
pada beda suhu antara fluida panas dan yang dingin pada waktu tertentu.
Distribusi temperatur dalam penukar panas tergantung dari jenis penukar panas itu
sendiri. Di bawah kita dapat lihat distribusi temperatur penukar panas.
a) Penukar panas aliran sejajar. Distribusi temperatur penukar panas aliran
sejajar ini dapat dilihat pada gambar 2.3.
Cold out
Hot out
Hot in
Cold in
Temp.
Fluida panas
Fluida dingin
Jarak dari lubang masuk
Gambar 2.3 distribusi temperatur penukar panas aliran sejajar
Laboratorium Konversi Energi – UNAND 57
Praktikum Sistem Energi
b) Penukar panas aliran berlawanan.
Distribusi temperatur penukar panas aliran berlawanan ini dapat dilihat pada
gambar 2.4
Temp. Fluida Panas
Fluida dingin
Panjang laluan, L
Gambar 2.4 Distribusi temperatur penukar panas aliran berlawanan
c) Penukar panas kondensor lintas tunggal. Garis mendatar menunjukkan
perubahan fasa dari uap jenuh ke fasa cair jenuh. Distribusi temperatur
kondensor lintas tunggal ini dapat dilihat pada gambar 2.5.
Temp. Condensing
Fluida dingin
Panjang laluan, L
Gambar 2.5 Distribusi temperatur kondensor lintas tunggal
d) Penukar panas Evaporator lintas tunggal. Garis mendatar menunjukkan
perubahan fasa cair jenuh ke fasa uap jenuh. Distribusi temperatur
evaporator lintas tunggal ini dapat dilihat pada gambar 2.6.
Temp.
Fluida Panas
Boiling
Panjang laluan, L
Gambar 2.6 Distribusi temp. Evap. Lintas Tunggal
Laboratorium Konversi Energi – UNAND 58
Praktikum Sistem Energi2.4 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh
Koefisien perpindahan panas memiliki pengaruh yang besar dalam
terjadinya proses Konduksi, Konveksi dan Radiasi. Perpindahan panas yang
paling dominan dalam penukar panas adalah Konveksi. Dalam perhitungan laju
perpindahan panas dalam suatu penukar terdapat suatu konstanta perpindahan
panas yang merupakan sifat penukar panas itu sendiri yang tergantung dengan
bentuk fisik penukar panas dan perpindahan energi di penukar panas itu.
Konstanta itu lazim disebut dengan koefisien perpindahan panas menyeluruh (U).
Laju perpindahan anas dalam penukar panas akan memenuhi persamaan :
dQ = U A T 5)
Koefisien perpindahan panas menyeluruh (U), ditentukan dari nilai :
1. Besar tahanan thermal fluida bagian dalam (Ri)
2. Besar tahanan thermal dari seluruh penukar panas itu sendiri.
3. Besar tahanan thermal bagian luar (Ro).
Tahanan thermal total (Rtot) = Ri + Rt + Ro
Koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) ini ada yang disebut koefisien
perpindahan panas menyeluruh bagian luar (Uo) dan koefisien perpindahan panas
menyeluruh bagian dalam (Ui).
6)
7)
2.5 Metode LMTD
LMTD (Logaritmic Mean Temperature Difference) adalah hubungan
antara beda temperatur logaritmik dari kedua fluida kerja, dinyatakan dalam :
8)
9)
Laboratorium Konversi Energi – UNAND 59
Praktikum Sistem Energi2.6 Faktor Koreksi LMTD
Faktor koreksi adalah faktor pengali terhadap LMTD supaya laju
perpindahan panas dalam penukar panas didapatkan nilai yang sebenarnya. Faktor
koreksi dapat kita lihat dari grafik yang sesuai dengan jenis penukar panas.
10)
11)
Dari data P dan R kemudian didapat nilai F pada grafik. Notasi h dan c pada T
berarti kondisi fluida panas (h) atau dingin (c).
2.7 Metode Ntu-Efektivitas
Pendekatan LMTD dalam analisis penukar kalor berguna bila suhu-masuk
dan suhu-keluar diketahui atau dapat ditentukan dengan mudah; sehingga LMTD
dapat dengan mudah dihitung, dan aliran kalor, luas permukaan, dan koefisien
perpindahan kalor menyeluruh dapat ditentukan. Bila kita harus suhu masuk atau
suhu keluar, analisis kita akan melibatkan prosedur iterasi karena LMTD itu suatu
fungsi logaritma. Dalam hal demikian, analisis akan lebih mudah dilaksanakan
dengan metode yang berdasarkan atas efektifitas penukar kalor dalam
memindahkan sejumlah kalor tertentu. Efektivitas adalah perbandingan antara
perpindahan kalor nyata dengan perpindahan kalor maksimum yang
dimungkinkan. Perpindahan kalor nyata dapat dihitung dari energi yang
dilepaskan oleh fluida panas atau energi yang didapatkan fluida dingin.
Untuk penukar kalor aliran sejajar :
q = 12)
Untuk penukar kalor aliran silang :
q = 13
Untuk menentukan perpindahan kalor maksimum bagi penukar kalor itu,
pertama-tama kita harus memahami bahwa nilai maksimum akan didapat bila
salah satu fluida mengalami perubahan suhu sebesar beda suhu maksimum yang
terdapat dalam penukar kalor itu, yaitu selisih antara suhu masuk fluida panas dan
fluida dingin. Fluida yang mungkin mengalami beda suhu maksimum ini ialah
Laboratorium Konversi Energi – UNAND 60
Praktikum Sistem Energiyang nilai mc-nya minimum, karena neraca energi yang diterima oleh fluida yang
satu lagi. Jadi perpindahan kalor maksimum yang mungkin dinyatakan sebagai
berikut :
qmax = 15)
Jadi, efektivitas penukar kalor dapat dirumuskan sebagai berikut :
16)
Efektivitas berfungsi untuk melihat kemampuan penukar panas dalam
memindahkan energi, sehingga dalam pemakaian dapat dibandingkan dan dipilih
alat penukar panas
.
3. Prosedur Percobaan
1. Panaskan air sampai 60o dengan menggunakan heater.
2. Hidupkan pompa, atur katup kontrol dengan bukaan ¼.
3. Hidupkan fan dengan menggunakan slide regulator pada tegangan 140
Volt.
4. Catat waktu untuk setiap volume aliran yang ditentukan.
5. Catat temperatur Th.in, Th.out, Tc.in dan Tc.out.
6. Ulangi prosedur diatas untuk bukaan katup ½, ¾ dan penuh.
Iv. Skema Alat Uji Penukar Panas Tipe Aliran Sil
Keterangan :
1.Termometer bola kering 7. Reservoir
Laboratorium Konversi Energi – UNAND 61
Praktikum Sistem Energi2.Termometer bola basah 8. Flow Meter
3.Fan 9. Impeler pompa
4.Penukar panas 10.Motor
5.Slang 11.Saluran udara
6.Heater 12.Katup
Laboratorium Konversi Energi – UNAND 62