Modul 8 Dasar-dasar APK (1)

8/17/2019 Modul 8 Dasar-dasar APK (1)

1/30

MODUL PERKULIAHAN

PerpindahanPanas

Dasar-Dasar Alat PenukarKalor

FakultasProgramtudi

!atapMuka

Kode MK Disusun Oleh

Teknik Teknik Mesin

"#13029 Chandrasa Soekardi, Prof.Dr.Ir

A$stra%t KompetensiPeralatan penukar kalor sangatdibutuhkan pada banyak instalasiindustri, tidak saa pada instalasiindustri energi, industri ki!ia,industri !inyak dan gas, industri!akanan, !inu!an, tetapi ugapada instalasi industri !anufakturuntuk keperluan prosespe!anasan, pendinginan,penguapan, atau penge!bunanbagi beraga! "uida.#paya perekayasaan untuk!e!perbaiki ran$angannya atau

Mahasis%a !a!pu &- !enerapkan prinsip pertukaran

energy panas di dala! alatpenukar kalor

- !enelaskan konsep luasper!ukaan perpindahan panas

- !enerapkan konsep bedate!perature rata-ratalogarit!ik

- !enerapkan konsep tahananter!al alat penukar kalor


2/30

perfor!an$enya bertuuan agarperalatan penukar kalor dapatbekera se$ara efektif dan e'sien.

MODUL & #

Dasar-dasar Alat Penukar Kalor

(atar )elakang

Anda mungkin telah banyak mendengar tentang beberapa jenis alat penukar kalor seperti :

boiler, kondensor mesin AC, evaporator, cooling toer, ater heater, radiator, oil cooler, dan

masih banyak lagi! "eralatan#peralatan tersebut sangat dibutuhkan pada banyak instalasi

industri, tidak saja pada instalasi industri energi, industri kimia, industri minyak dan gas,

industri makanan, minuman, tetapi juga pada instalasi industri manu$aktur untuk keperluan

proses pemanasan, pendinginan, penguapan, atau pengembunan bagi beragam $luida! %i

dalam peralatan tersebut energy panas &kalor' dipertukarkan dari suatu $luida yang mengalir

di dalamnya ke $luida lainnya yang bertemperatur lebih rendah untuk berbagai keperluan!

(ntuk memudahkan pembahasan di dalam materi ini mesin#mesin tersebut kita sebut saja

sebagai alat penukar kalor &Heat Exchanger ', dan kita singkat saja menjadi A")!

*eragam instalasi industri membutuhkan sumber energi bahan bakar, yang kebanyakan

masih bersumber dari bahan bakar jenis $osil seperti bahan bakar minyak, gas, dan

batubara! +nergi bahan bakar tersebut sebelum diman$aatkan untuk berbagai keperluan

terlebih dahulu mengalami proses pembakaran untuk menghasilkan gas panas

pembakaran! )emudian, gas panas tersebut dipergunakan untuk berbagai keperluan

pemanasan atau penguapan! etelah itu sisanya dibuang ke lingkungan melalui beragam

peralatan penukar kalor!

)onsumsi energi di -ndonesia saat ini, termasukk di sektor industri, telah demikian tinggi dan

akan semakin meningkat lagi pada tahun#tahun mendatang! *agian terbesar dari energi

yang dikonsumsi oleh instalasi industri, setelah diman$aatkan untuk berbagai proses,

kemudian akhirnya dibuang ke lingkungan! umber energi bahan bakar yang biasa

dikonsumsi oleh banyak industri di -ndonesia masih berasal dari bahan bakar $osil, seperti

bahan bakar minyak &**.', batubara, dan gas! %engan semakin mahalnya harga bahan

bakar maka penghematan energi menjadi sangat penting untuk terus dilakukan!

'*

Dasar&dasar Alat Penukar Kalor Pusat (ahan A)ar dan eLearningChandrasa oekardi http://!mercubuana!ac!id


3/30

"enghematan energi pada beragam instalasi industri pada prinsipnya dapat dilakukan

dengan dua cara utama! "ertama, dengan meningkatkan e$isiensi konversi energi pada

beragam mesin#mesin termal yang dipergunakannya! )edua adalah meningkatkan

e$ekti$itas peman$aatannya, yaitu dengan meningkatkan e$ektivitas proses perpindahan

energi panas pada beragam peralatan penukar kalor yang dipergunakannya! "rinsip

peman$aatan energi yang e$ekti$ dan e$isien adalah dengan melakukan berbagai upaya agar

energi bahan bakar yang dikonsumsi oleh suatu sistem atau instalasi industri dapat

diman$aatkan sebesar#besarnya, dan sisa energi yang terbuang dapat dibuat serendah#

rendahnya!

(ntuk berkontribusi pada penghematan energi di sektor industri maka upaya perekayasaan

design dan/atau operasional peralatan penukar kalor agar peralatan tersebut memiliki

kemampuan yang optimal dalam memproses dan mengkonversi energy panas menjadi hal

yang sangat penting! leh karena itu tidaklah berlebihan apabila kita katakan baha

peralatan penukar kalor memiliki peranan yang sangat startegis bagi peman$aatan energi

secara e$ekti$ dan e$isien pada beragam instalasi indutri!

(paya secara terus menerus untuk memperbaiki rancangannya dan/ataupun

per$ormancenya peralatan penukar kalor, melalui pengembangan teknologi ataupun

perekayasaan, pada dasarnya bertujuan agar peralatan penukar kalor dapat bekerja secara

e$ekti$ dan e$isien! (paya#upaya tersebut memerlukan kontribusi dari semua pihak, tidaksaja dari para perancang dan operator peralatan penukar kalor! %an untuk keperluan

tersebut pemahaman yang lebih baik terhadap prinsip#prinsip konversi energy di dalam

peralatan penukar kalor menjadi modal yang sangat penting!

"ada modul ini kita akan membahas dasar#dasar perpindahan anargi panas pada peralatan

penukar kalor! ujuan pokoknya adalah agar anda mampu menerapkan konsep tersebut

untuk merancang atau mengevaluasi kinerja alat penukar kalor!

Tuuan Pe!belaaran

etelah memahami materi yang disajikan pada modul ini diharapkan anda mampu :

# menerapkan prinsip pertukaran energy panas di dalam alat penukar kalor

# menjelaskan konsep luas permukaan perpindahan panas

# menerapkan konsep beda temperature rata#rata logaritmik

# menerapkan konsep tahanan termal alat penukar kalor

'*



4/30

istematika "embahasan

"ada bagian pertama kita akan membahas beberapa type alat penukar kalor yang banyak

dipergunakan pada instalasi industri! )emudian di bagian kedua kita akan membahas

prinsip pertukaran energy panas di dalam alat penukar kalor! elanjutnya dibahas konsep

luas permukaan perpindahan panas! konsep beda temperature rata#rata logaritmik, dan

tahanan termal di dalam alat penukar kalor! (ntuk memberikan kemudahan pemahaman

maka beberapa contoh soal penerapan praktis juga diberikan pada bagian akhir setiap

pembahasan!

+. enis Alat Penukar Kalor

Alat penukar kalor &A")' yang dipergunakan pada beragam instalasi industri sangatlah

beragam jenis dan ukurannya! .asing#masing dirancang untuk memenuhi kebutuhan yang

tertentu! amun demikian A") jenis shell tube merupakan jenis A") yang paling banyak

dipergunakan berkat kesederhanaan konstruksinya dan kemampuannya yang $le4ibel dalam

memproses beragam karakteristik $luida kerja!

5ambar 6!1! skema sederhana alat penukar kalor shell tube

"ada bagian ini kita akan membahas lebih banyak tentang jenis A") ini! *agi pembaca

yang ingin mempelajari dan mendalami jenis A") yang lain anda dipersilahkanmempelajarinya dari sumber#sumber lainnya! "ada A") jenis lain tersebut, prinsip dasar

'*



5/30

dan konsep#konsep pertukaran energi panas adalah sama dengan yang dibahas di bagian

ini!

kema sederhana A") jenis shell tube diperlihatkan pada 5ambar 6!1! dan gambar 6!2!

edangkan gambar 6!3! memperlihatkan skema sederhana A") jenis pelat! epertidiperlihatkan pada gambar 6!1! komponen utama alat tersebut adalah sejumlah tertentu

tube atau pipa#pipa yang terpasang di dalam sebuah selubung yang dinamakan shell! %i

dalam tube mengalir aliran $luida tertentu, dan pada saat yang bersamaan di bagian

permukaan luar tube mengalir $luida kerja lainnya yang bertemperatur berbeda! "roses

peprpindahan energi panas di antara kedua $luida tersebut berlangsung melalui perantaraan

dinding#dinding tube yang memiliki ketebalan dan panjang tertentu!

5ambar 6!2! skema sederhana alat penukar kalor shell tube

Alat penukar kalor dapat ber$ungsi sebagai sebuah alat pendingin atau alat pemanas bagi

media atau aliran $luida lainnya yang akan didinginkan atau dipanaskan! ebagai alat

pendingin bagi suatu aliran $luida kerja proses tertentu misalnya, alat penukar kalor menjadi

tempat atau media bagi aliran suatu $luida panas bertemperatur tinggi yang ingin didinginkan

untuk mencapai temperatur tertentu yang lebih rendah dibandingkan dengan saat aliran

$luida tersebut memasuki alat penukar kalor!

(ntuk keperluan tersebut maka musti disediakan suatu aliran $luida kerja pendingin, yaitu

aliran $luida lain yang pada saat bersirkulasi di dalam alat penukar kalor &A")' memiliki

temperatur rata#rata yang lebih rendah sehingga memungkinkan untuk menyerap sejumlah

'*



6/30

tertentu energi panas dari aliran $luida panas yang akan didinginkan! "ada alat penukar

kalor yang ber$ungsi sebagai pemanas musti disediakan suatu aliran $luida yang lebih panas

yang temperaturnya lebih tinggi untuk memanaskan aliran $luida proses yang akan

dipanaskan agar temperaturnya meningkat ke harga tertentu yang diinginkan!

5ambar 6!3! skema sederhana alat penukar kalor jenis pelat

edangkan pada 5ambar 6!3! diperlihatkan skema sederhana alat penukar jenis pelat!

"ada A") jenis ini proses pertukaran energi panas di antara kedua aliran $luida berlangsung

melalui perantaraan tebal pelat yang memiliki dimensi tertentu!

"ada alat tersebut aliran $luida panas mengalir pada sisi permukaan pelat tertentu dan pada

saat yang bersamaan aliran $luida pendingin mengalir melalui permukaan pelat sisi

sebelahnya! A") jenis ini terkenal sangat kompak, artinya memiliki dimensi yang lebih kecil

dengan kemampuan yang sama dibandingkan dengan A") shell tube, namun lebih

kompleks dalam pembuatannya!

. Prinsip Pertukaran nergi

Panas di dala! APK

"ada bagian ini kita akan membahas bagaimana energi panas dipertukarkan untuk

memanaskan atau mendinginkan suatu aliran $luida tertentu di dalam sebuah A") jenis tube

'*



7/30

yang skema sederhananya diperlihatkan pada gambar 6!7! %alam hal ini A") tersebut

ber$ungsi sebagai alat pemanas bagi aliran $luida yang dialirkan di dalam bagian shell!

5ambar 6!7! skema sederhana alat penukar kalor jenis tube

"roses pertukaran energi panas dari aliran $luida yang panas ke aliran $luida yang lebih

dingin berlangsung melalui perantaraan dinding tube yang memiliki ketebalan dan panjang

tertentu! 5ambar 6!8! memperlihatkan skema sederhana pertukaran energi panas melalui

salah satu dinding pemisah tube yang terdapat di dalam A")!

5ambar 6!8! skema sederhana pertukaran energi panas di dalam A")

'*



8/30

"rinsip kesetimbangan energi panas bagi kedua $luida kerja tersebut yang berlangsung di

dalam A") diperlihatkan pada gambar 6!! "rinsip dasar pertukaran energi panas di dalam

A") adalah baha, dalam keadaan di mana tidak ada energi panas yang terbuang ke

sekeliling A"), maka jumlah energi panas yang dilepaskan oleh aliran $luida panas di dalam

A") haruslah sama dengan jumlah energi panas yang diterima oleh aliran $luida dingin yang

mengalir di dalam alat yang sama yang mengalami pemanasan!

5ambar 6!! "rinsip kesetimbangan energi panas di dalam A")

)esetimbangan energi pana aliran $luida panas

"ada bagian pertama ini kita tinjau prinsip kesetimbangan energi yang terjadi pada aliran

$luida panas yang mengalir di dalam tube!

Aliran $luida pemanas dialirkan di dalam tube, seaktu memasuki tube kita anggap mengalir

dengan mengangkut sejumlah energi sebesar +1! )emudian setelah mengalir di dalam tube

sambil memanaskan $luida yang mengalir di permukaan bagian luar tube energi total yang

diangkutnya telah terpakai untuk memanaskan sehingga menurun menjadi sebesar +2!

*esarnya energi pana syang dilepaskannya kita anggap adalah sebesar ! elama

berlangsungnya proses pemanasan di dalam A"), energi yang terkandung di dalam aliran

$luida panas di dalam sistem berubah#ubah besarnya $ungsi aktu, dan besarnya

perubahan energi panas tersebut kita anggap sebesar d+/dt!

'*



9/30

)emudian, pada saat yang bersamaan, selama mengalir di dalam tube, karena adanya

perbedaan temperatur dengan udara yang ada di sekitar A") maka bisa saja terjadi adanya

sejumlah energi panas yang hilang melalui dinding A")! *esarnya energi yang hilang ini kita

anggap sebesar d;!

)emudian, juga pada saat yang bersamaan, selama aliran $luida panas mengalir di dalam

tube terdapat kerugian energi karena gesekan dengan permukan bagian dalam tube yang

memiliki kekasaran permukaan tertentu! *esarnya kerugian energi gesekan ini kita anggap

sebesar d+$ !

" rinsip kesetimbangan energi

elanjutnya, pada bagian ini kita akan menerapkan prinsip kekekalan energi atau prinsip

kesetimbangan energi, di mana prinsipnya adalah sebagai berikut :

&jumlah energi yang masuk ke dalam sistem' < &perubahan energi di dalam sistem' =

&jumlah energi yang keluar dari sistem'

ekarang apabila kita tinjau prinsip kesetimbangan energi pada bagian sistem aliran $luida

panasnya saja &gambar 6!' maka kita memiliki :

&jumlah energi yang masuk ke dalam sistem' < +1

&perubahan energi di dalam sistem' < d+/dt

&jumlah energi yang keluar dari sistem' < = +2 = d; = d+$

leh karena itu bagi sistem aliran $luida panas tersebut di atas kita memiliki persamaan :

+1 < & d+/dt ' = = +2 = d; = d+$ &6!1'

(ntuk menerapkan persamaan &6!1' di atas dalam bentuk yang lebih sederhana agar dapat

dipergunakan di dalam perhitunga#perhitungan praktis maka kita tinjau terlebih dahulu

prinsip#prinsip termodinamika di baah ini!

ecara termodinamika, energi yang terangkut di dalam suatu aliran $luida &+' adalah

gabungan dari energi dalam &u', energi tekanan &p >', energi kinetik &v2/2' , dan energi

potensialnya &g?' :

gZ

v

pu E +++= 2

2

υ &6!2'

'*



10/30

%i sini " adalah tekanan $luida, > volume jenis $luida, v kecepatan rata#rata aliran $luida, g

percepatan gravitasi, ? ketinggian aliran $luida terhadap suatu re$erensi tertentu!

@umlah dari energi dalam dan energi tekanan atau kerja aliran biasa disebut +nthalpi &h',

sehingga :

gZ v

h E ++=2

2

&6!3'

"erbedaan antar energi aliran $luida saat masuk dan saat meninggalkan A") dapat

dituliskan sebagai berikut :

++−

++=− 2

2

221

2

1121

22 gZ

vh gZ

vh E E &6!7'

Atau,

( ) ( ))(22

21

2

2

2

12121 Z Z g

vvhh E E −+

−+−=− &6!8'

"enerapan beberapa asumsi :

ekarang kita kembali ke persamaan &6!1'! )ita akan menerapkan beberapa asumsi atau

anggapan#anggapan yang biasanya laim diterapkan bagi kondisi aliran $luida di dalam A")

dan beberapa dampak dari penerapan asumsi#asumsi tersebut!

Asumsi pertama, aliran $luida panas yang masuk dan keluar A") kita anggap stasioner atau

steady sehingga kita dapat menganggap & d+/dt ' < 0

Asumsi kedua, kehilangan energi panas ke sekeliling A") kita anggap jauh lebih kecil

besarnya dibandingkan dengan laju pertukaran energi panas sehingga kita dapat

menganggap : d; < 0

Asumsi kedua, kehilangan energi karena gesekan aliran $luida dengan permukaan dalam

tube kita anggap juga kecil besarnya sehingga kita dapat menganggap : d+ $ < 0

%alam keadaan seperti itu maka persamaan kesetimbangan energi bagi aliran $luida panas

menjadi :

< +1 # +2 &6!'

%i mana besarnya & +1 B +2 ' dapat dihitung menggunakan persamaan &6!8'!

'*



11/30

elanjutnya, apabila beda energi kinetik dan beda energi potensial di antara aliran $luida

panas saat masuk dan saat meninggalkan A") dianggap kecil maka :

< h1 # h2 &6!'

"ersamaan &6!' tersebut dapat dipergunakan untuk memperkirakan besarnya jumlah

energi panas yang dilepaskan oleh aliran $luida panas &dalam satuan @/kg' di dalam A")

apabila $luida panas tersebut mengalami perubahan $asa dari uap menjadi cair misalnya!

edangkan apabila aliran $luida panas yang mengalir di dalam A") tidak mengalami

perubahan $asa maka :

12 < cp & 1 # 2 ' &6!6'

)esetimbangan energi pada aliran $luida dingin

"ada bagian yang kedua di baah ini kita akan tinjau prinsip kesetimbangan energi yang

terjadi pada aliran $luida dingin yang mengalir di bagian luar tube, atau di bagian dalam shell

&lihat gambar 6!'!

"ada aliran $luida dingin, seaktu memasuki bagian shell kita anggap aliran $luida ini

mengangkut sejumlah energi sebesar +3! )emudian setelah mengalir di dalam shell sambildipanaskan atau menerima sejumlah energi panas sebesar , energi totalnya meningkat

menjadi sebesar +7!

elama berlangsungnya proses pemanasan di dalam A"), energi yang terkandung di

dalamnya berubah#ubah besarnya $ungsi aktu, dan besarnya perubahan energi panas

tersebut kita anggap sebesar d+/dt! )emudian, pada saat yang bersamaan, selama

mengalir di dalam shell, karena adanya perbedaan temperatur dengan udara yang ada di

sekitar A") maka bisa saja terjadi adanya sejumlah energi panas yang hilang melalui

dinding A")! *esarnya energi yang hilang ini kita anggap sebesar d;! )emudian, juga pada

saat yang bersamaan, selama aliran $luida panas mengalir di dalam tube terdapat kerugian

energi karena gesekan dengan permukan bagian dalam tube yang memiliki kekasaran

permukaan tertentu! *esarnya kerugian energi gesekan ini kita anggap sebesar d+ $ !

ekarang apabila kita tinjau prinsip kesetimbangan energi pada bagian sistem aliran $luida

dingin maka kita memiliki :

&jumlah energi yang masuk ke dalam sistem' < +3 =

'*



12/30

&perubahan energi di dalam sistem' < d+/dt

&jumlah energi yang keluar dari sistem' < +7 = d; = d+$

leh karena itu bagi sistem aliran $luida panas tersebut di atas kita memiliki persamaan :

+3 = < & d+/dt ' = +7 = d; = d+$ &6!9'

)emudian, apabila kita terapkan beberapa asumsi seperti yang kita terapkan terhadap aliran

$luida panas di mana, aliran $luida dingin yang masuk dan keluar A") kita anggap stasioner

atau steady maka & d+/dt ' < 0

Asumsi kedua, kehilangan energi panas ke sekeliling A") kita anggap jauh lebih kecil

besarnya dibandingkan dengan laju pertukaran energi panas sehingga kita dapat

menganggap : d; < 0

Asumsi kedua, kehilangan energi karena gesekan aliran $luida dengan permukaan dalam

tube kita anggap juga kecil besarnya sehingga kita dapat menganggap : d+ $ < 0

%alam keadaan seperti itu maka persamaan kesetimbangan energi bagi aliran $luida dingin

menjadi :

< +7 # +3 &6!10'

elanjutnya, apabila beda energi kinetik dan beda energi potensial di antara aliran $luida

dingin saat masuk dan saat meninggalkan A") dianggap kecil maka :

< h7 # h3 &6!11'

"ersamaan &6!11' tersebut dapat dipergunakan untuk memperkirakan besarnya jumlah

energi panas yang diterima oleh aliran $luida &dalam satuan @/kg' di dalam A") apabila

$luida tersebut mengalami perubahan $asa!

edangkan apabila aliran $luida dingin yang mengalir di dalam A") tidak mengalami

perubahan $asa maka :

37 < cp & 7 # 3 ' &6!12'

(ntuk lebih memahami konsep dan prinsip#prinsip yang telah kita bahas di atas, maka

marilah kita bahas contoh ilustrasi di baah ini!

-lustrasi :

'*



13/30

ebuah A") jenis double pipe bertugas sebagai alat untuk mendinginkan 0,1 kg/s aliran

minyak pelumas panas 100 oC yang berasal dari mesin turbin gas menjadi 0 oC! &panas

jenis minyak pelumas tersebut diketahui, cp < 2131 @/kg)'!

"endinginan dilakukan dengan menggunakan media air pendingin yang dialirkan ke dalampipa#pipa di dalam A") tersebut! emperatur air pendingin masuk A") diketahui sebesar 30

oC, dan laju aliran massanya 0,2 kg/s &panas jenis air pendingin diketahui sebesar 716

@/kg)'! "ersoalannya adalah berapa besar temperatur air pendingin saat mengalir

meninggalkan A")!

5ambar sistem :

"embahasan :

"ertama#tama kita evaluasi terlebih dahulu kesetimbangan energi pada aliran $luida panas,

yaitu pada aliran minyak pelumas!

a' )esetimbangan energi pada aliran $luida minyak pelumas

*eberapa asumsi yang kita terapkan adalah sebagai berikut :

# aliran $luida panas yang masuk dan keluar A") kita anggap stasioner atau steady

sehingga kita dapat menganggap & d+/dt ' < 0

'*



14/30

# kehilangan energi panas ke sekeliling A") kita anggap jauh lebih kecil besarnya

dibandingkan dengan laju pertukaran energi panas sehingga kita dapat menganggap : d; <

0

# kehilangan energi karena gesekan aliran $luida dengan permukaan dalam tube kita anggap juga kecil besarnya sehingga kita dapat menganggap : d+$ < 0

# beda energi kinetik dan beda energi potensial di antara aliran $luida panas saat masuk dan

saat meninggalkan A") dianggap kecil

# aliran $luida panas yang mengalir di dalam A") tidak mengalami perubahan $asa

leh karena itu bagi aliran $luida panas minyak pelumas kita dapat menerapkan persamaan

&6!6' :

12 < cph & 1 # 2 '

%i sini :

: besarnya energi panas yang dilepaskan di dalam A") oleh aliran minyak pelumas,

dalam satuan energi per satauan massa &@/kg'

cph : panas jenis pada tekanan konstan bagi $luida minyak pelumas, diketahui < 2131 @/kg)

1 : temperatur rata#rata minyak pelumas saat masuk A") < 100oC < 33 )

2 : temperatur rata#rata oli saat keluar A") < 0oC < 333 )

%engan menggunakan data tersebut di atas sekarang kita dapat menghitung besarnya

energi panas yang dilepaskan di dalam A") oleh aliran minyak pelumas :

12 < cph & 1 # 2 '

12 < &2131 @/kg)' &33 ) # 333 ) ' < 68270 @/kg

elanjutnya, karena aliran minyak pelumas memiliki laju aliran massa sebesar, m h < 0,1 kg/s

maka kita dapat menghitung besarnya laju pelepasan energi panas dari aliran $luida minyak

pelumas &h' :

h < mh 12

h < mh 12 < &0,1 kg/s' &68270 @/kg' < 6827 @/s < 6827 D

'*



15/30

Eal tersebut berarti : aliran oli panas tersebut setiap detik melepaskan energi panas sebesar

6827 @oule, dan kemudian energi panas tersebut ditrans$er ke aliran air pendingin!

"ada sisi yang lain, aliran air pendingin menerima sejumlah 6827 D energi panas yang akan

mengakibatkan temperatur air pendingin meningkat saat keluar meninggalkan A")!

b' )esetimbangan energi pada aliran $luida air pendingin

eperti telah disebutkan di atas baha setiap detik aliran air pendingin di dalam A") akan

menerima sejumlah 6827 @oule energi panas yang berasal dari aliran $luida panas! Atau

dapat dikatakan juga baha laju energi panas yang diterima oleh aliran air pendingin & c'

adalah sebesar 6827 @/s!

%alam hal ini, tentu saja kita asumsikan baha semua energi panas yang dilepaskan oleh

aliran $luida panas 100F diterima oleh aliran $luida dingin &sistem dianggap adiabatik', atau

tidak terdapat energi panas yang hilang ke sekeliling A")!

+nergi panas yang diterima tersebut akan mengakibatkan temperatur air pendingin yang

semula 30 oC saat masuk A") dan kemudian meningkat saat keluar meninggalkan A")!

Eal tersebut berarti :

c < h < 6827 @/s

ementara itu :

c < mc 37

atau

c < mc cpc & 7 # 3 '

elanjutnya, dengan menggunakan data :

c < h < 6827 D < 6827 @/s

mc : laju aliran massa air pendingin, diketahui < 0,2 kg/s

cpc : panas jenis air pada tekanan konstan, diketahui < 716 @/kg)

3 : temperatur rata#rata air saat masuk A"), diketahui < 30oC < 303 )

'*



16/30

.aka kita dapat menghitung besarnya temperatur air pendingin saat keluar A") :

K kgK J skg

s J T

cm

QT

pcc

c 303)/4178)(/2,0(

/852434 +=+= < 313,2 )

Atau

7 < &313,2 # 23'oC < 70,2 oC

Eal tersebut berarti, energi panas sejumlah 6827 D yang diserap oleh air pendingin pada

kondisi di atas menyebabkan temperatur air meningkat, dari temperatur 30 oC saat masuk

A") menjadi 70,2 oC saat keluar meninggalkan A")!

/. Tahanan ter!al di dala! APK

"ada bagian di baah ini kita akan membahas mekanisme proses perpindahan energy

panas dari $luida panas ke $luida yang lebih dingin di dalam A") tubular, di mana

perpindahan panasnya melalui perantaraan permukaan dinding pipa! etelah itu dibahas

tentang konsep tahanan termal atau koe$isien perpindahan panas global di dalam A")!

%i dalam A") berlangsung proses pertukaran energy panas dari $luida panas ke $luida yang

lebih dingin melalui permukaan dinding pemisah! Apabila aliran $luida panas mengalir di

dalam permukaan pipa, dan aliran $luida dingin mengalir di permukaaan luar pipa maka

perpindahan panas dari aliran $luida panas ke permukaan bagian dalam pipa berlangsung

secara konveksi! )emudian, dari permukaan bagian dalam pipa ke permukaan bagian luar

pipa perpindahan panasnya berlangsung secara konduksi dengan laju yang sama dengan

perpindahan panas konveksi! kemudian, dengan laju perpindahan panas yang sama energi

panas akan ditransmisikan dari permukaan luar pipa ke aliran $luida dingin yang berkontak

dengan permukaan luar pipa secara konveksi!

"erpindahan panas dari aliran $luida panas ke permukaan bagian dalam pipa berlangsung

secara konveksi, dan laju transmisi energi panasnya dapat diperkirakan besarnya

menggunakan persamaan berikut :

)( ,iwhiii T T Ahq −= &6!13'

%i sini,

hi : koe$isien perpindahan panas konveksi aliran di dalam pipa &D/m2)'

'*



17/30

Ai : luas permukaan perpindahan panas di bagian dalam pipa &m2'

h : temperatur rata#rata aliran $luida di dalam pipa &)'

,i : temperature permukaan bagian dalam pipa &)'

)emudian, energi panas tersebut akan ditransmisikan dari permukaan bagian dalam pipa ke

permukaan bagian luar pipa secara konduksi dengan laju perpindahan panas yang sama

dengan perpindahan panas konveksi!

Gaju perpindahan panas konduksi secara radial dari permukaan bagian dalam pipa ke

permukaan bagian luar pipa meleati ketebalan pipa &;k' dapat dinyatakan dengan

persamaan:

)()/ln(

2,, owiw

io

k T T d d

kLq −=

π

&6!17'

dimana,

k : kondukti$itas termal bahan pipa &D/m)'

G : panjang pipa &m'

do : diameter permukaan luar pipa &m'

di : diameter permukaan dalam pipa &m'

,o : temperature permukaan luar pipa &)'

elanjutnya, energi panas dengan laju yang sama akan ditransmisikan secara konveksi ke

aliran $luida yang berkontak dengan permukaan luar pipa secara konveksi, dan laju

perpindahan panasnya &;o' dapat dinyatakan dengan persamaan :

)(, cowooo

T T Ahq −= &6!18'

dimana,

ho : koe$isien perpindahan panas konveksi aliran $luida di luar pipa &D/m2)'

Ao : luas permukaan perpindahan panas di luar pipa &m2'

c : temperature rata#rata aliran $luida di luar pipa &)'

Apabila sistemnya kita anggap adiabatic, artinya tidak ada energi panas yang hilang ke

sekeliling, maka ;i < ;k < ;o < ;

'*



18/30

Apabila kita tinjau perpindahan panas secara keseluruhan dari $luida panas yang mengalir di

dalam pipa ke arah $luida dingin yang mengalir di permukaan luar pipa, karena adanya

perbedaan temperatur di antara kedua $luida kerja tersebut, maka laju perpindahan panas

global atau keseluruhan antara aliran $luida panas di dalam pipa dengan aliran $luida dingin

di luar pipa pada system tersebut dapat dinyatakan dengan persamaan :

oo

io

ii

ch

AhkL

d d

Ah

T T q

1

2

)/ln(1++

−=

π

&6!1'

elanjutnya, persamaan &6!1' tersebut di atas diubah menjadi berbentuk :

)( ch T T UAq −= &6!1'

.aka kita memiliki :

oo

io

ii AhkL

d d

AhUA

1

2

)/ln(11++=

π &6!16'

di sini,

1/(A : tahanan termal perpindahan panas di dalam A") &)/D'

( : koe$isien global perpindahan panas di dalam A") &D/m2)'

A : luas permukaan perpindahan panas re$erence, yang dapat dipilih berlandaskan Ai atau Ao

sesuai dengan kebutuhan :

amun demikian, kebanyakan para praktisi yang merancang peralatan penukar kalor jenis

shell tube lebih memilih luas permukaan perpindahan panas re$erence, Ao sehingga

tahanan termal perpindahan panas di dalam A") dapat dinyatakan sebagai berikut :

oo

io

iio AhkL

d d

AhUAUA

1

2

)/ln(111++==

π &6!19'

elanjutnya, dari persamaan &6!1', karena beda temperatur rata#rata antara aliran $luida

panas dan aliran $luida dingin di dalam A") tidak selalu tetap tetapi berubah#ubah maka

adalah lebih baik kita menggunakan parameter beda temperatur rata#rata logaritmik

sehingga laju pertukaran energi panas di dalam A") dapat dinyatakan dengan persamaan :

mT AU q ∆= .. &6!20'

'*



19/30

%i sini,

Hm adalah beda temperatur rata#rata logaritmik sehingga laju pertukaran energi panas di

dalam A")!

0. )eda Te!peratur rata-rata di

dala! APK

"ada bagian ini diulas secara singkat tentang konsep beda temperature rata#rata di dalam

A") yang merupakan hasil penurunan berbagai persamaan yang terkait dengan besaran

beda temperature rata#rata logaritmik! Apabila anda bermaksud mempelajarinya lebih detail

lagi anda dipersilahkan mengunjungi berbagai literature terkait!

"ada A") jenis shell tube, beda temperatur rata#rata di antara kedua $luida kerja yang

mengalir di dalam A") dievaluasi berdasarkan konsep beda temperatur rata#rata logarithmik

dua aliran dengan kon$igurasi counter $lo &aliran berlaanan arah'! (ntuk

memperhitungkan adanya perbedaan karakteristik aliran maka para praktisi lebih memilih

menggunakan $aktor koreksi yang harganya tertentu untuk suatu kon$igurasi aliran di dalam

A") shell tube! amun demikian pada kebanyakan persoalan perancangan A"), harga

$aktor koreksi sebesar 0,9 adalah laim dipergunakan sebagai pendekatan bagi A") shell

tube!

'*



20/30

5ambar 6!! skema distribusi temperatur kedua aliran $luida di dalam A") counter $lo

5ambaran tentang distribusi temperature aliran $luida panas dan aliran $luida dingin di dalam

A") untuk kon$igurasi counter $lo diberikan pada gambar 6!! "ada A") tersebut, laju

perpindahan panas pada suatu elemen permukaan tube dA dapat dinyatakan denganpersamaan:

dAT U q ..∆= &6!21'

di sini,

H : beda temperature local $luida panas dan $luida dingin pada elemen permukaan dA!

)emudian, apabila persamaan tersebut diintegrasikan sepanjang permukaan dA maka

dapat diperoleh persamaan :

mT UAq ∆= . &6!22'

%i mana Hm adalah beda temperature rata#rata logaritmik yang diberikan oleh persamaan:

)/ln()/ln( 12

12

21

21

T T

T T

T T

T T T m ∆∆

∆−∆=

∆∆∆−∆

=∆ &6!23'

%i sini, berdasarkan kon$igurasi aliran $luida counter $lo seperti yang diperlihatkan padagambar 6! :

H1 : beda antara temperatur $luida panas masuk A") dengan temperatur $luida pendingin

keluar A")

H2 : beda antara temperatur $luida panas keluar A") dengan temperatur $luida pendingin

masuk A")

Contoh soal 1!

(ntuk mengilustrasikan konsep beda temperatur rata#rata logarithmik di dalam sebuah A")

maka mari kita tinjau soal berikut!

ebuah A") doble tube counter $lo bekerja untuk memanaskan aliran air yang dileatkan

di dalam tube dari 18 oC menjadi 68 oC! "roses pemanasan dilakukan dengan meleatkan

aliran oil panas yang masuk ke dalam bagian shell alat tersebut pada temperatur 10 oC!

'*



21/30

etelah proses pemanasan berlangsung, aliran oil tersebut keluar A") pada temperatur 100

oC! *erapa besarnya beda temperatur rata#rata kedua $luida kerja tersebut di dalam A")!

5ambar 6!6! diagram temperatur kedua aliran $luida di dalam A") counter $lo

"ada aliran $luida oli panas :

# oil panas yang masuk ke dalam A") pada temperatur 10 oC, hi < 10oC

# aliran oil keluar A") pada temperatur 100 oC, ho < 100 oC

"ada aliran air pendingin :

# aliran air masuk A") pada temperatur 18 oC, ci < 18oC

# aliran air pendingin kelaur A") pada temperatur 68 oC, co < 68oC

"ada kasus ini :


keluar A")

H1 < & hi # co ' < 8oC


masuk A")

H2 < & ho # ci ' < 68oC

ehingga, besarnya beda temperatur rata#rata logarithmiknya menjadi :

'*



22/30

=∆∆∆−∆=∆

)/ln( 21

21

T T

T T T m 9,9 oC

Contoh soal 2!

Aliran air yang dileatkan di dalam tube dipanaskan dari 20 oC menjadi 0 oC di dalam

sebuah A") shell tube! "roses pemanasan dilakukan dengan meleatkan aliran oil

panas yang masuk ke dalam bagian shell alat tersebut pada temperatur 120 oC! etelah

proses pemanasan berlangsung, aliran oil tersebut keluar A") pada temperatur 68 oC!

*erapa besarnya beda temperatur rata#rata kedua $luida kerja tersebut di dalam A"),

apabila $aktor koreksinya adalah sebesar 0,6!

*agi sebuah A") shell tube, besarnya beda temperatur rata#rata logarithmik di dalam A")

adalah sama dengan beda temperatur rata#rata logaritmik A") dengan kondisi temperatur

yang sama tetapi dengan kon$igurasi aliran berlaanan &counter $lo', namun perlu

dikalikan dengan sebuah $aktor koreksi untuk memperhitungkan perbedaan karakteristik

alirannya!

@adi untuk keperluan tersebut, pertama#tama kita hitung terlebih dahulu besarnya beda

temperatur rata#rata logaritmik A") dengan kon$igurasi aliran berlaanan dengan

menggunakan persamaan &6!22' :

)/ln( 21

21,

T T

T T T CF m ∆∆

∆−∆=∆

)emudian besarnya beda temperatur rata#rata logaritmik A") shell tube yang sebenarnya

dihitung menggunakan persamaan berikut :

cCF mST m F T T .,, ∆=∆

%i mana Ic adalah $aktor koreksi

elanjutnya, dengan menggunakan skema diagram temperatur yang diberikan pada gambar

6!6 maka kita memiliki data sebagai berikut!

"ada kasus ini, aliran $luida oli panas :


# aliran oil keluar A") pada temperatur 68 oC, ho < 68oC


'*



23/30


# aliran air pendingin kelaur A") pada temperatur 0 oC, co < 0oC

"ada kasus ini :


keluar A")

H1 < & hi # co ' < 80oC


masuk A")

H2 < & ho # ci ' < 8oC

ehingga, besarnya beda temperatur rata#rata logarithmik counter $lo menjadi :

=∆∆∆−∆=∆

)/ln( 21

21,

T T

T T T CF m 8,2 oC

%an dengan menggunakan $aktor koreksi Ic < 0,6 maka besarnya beda temperatur rata#

rata logaritmik A") shell tube yang sebenarnya adalah :

cCF mST m F T T .,, ∆=∆ < & 8,2 oC ' !& 0!6 ' < 79, oC

%ampak pemilihan kon$igurasi aliran pada A") double pipe terhadap dimensi utama A")

tudi kasus :

ebuah A") double pipe perlu dirancang untuk ber$ungsi sebagai alat pendingin bagi aliran

oli panas dari temperatur 100oC menjadi 0oC dengan laju aliran massa 0,30 kg/s! (ntuk

keperluan pendinginan tersedia aliran air pendingin yang bertemperatur 26oC dengan laju

aliran massa 0,20 kg/s! Aliran oli panas dileatkan ke dalam pipa kecil yang berada di

bagian dalam pipa yang besar, sementara itu aliran air pendingin dileatkan di bagian pipa

yang besar &bagian annulus'! "ipa kecil di bagian dalam adalah pipa tipis berdiameter luar

28 mm! )oe$isien perpindahan panas global di dalam alat tersebut dianggap sama dengan

230 D/m2)!

)onstanta panas oil dianggap sama dengan 2131 @/kg), sedangkan konstanta panas air

pendingin 716 @/kg)!

entukan berapa panjang pipa yang diperlukan bagi alat tersebut, apabila kita pilih :

'*



24/30

a' kon$igurasi aliran counter $lob' kon$igurasi aliran parallel $lo

"embahasan pada bagian pertama adalah apabila kita memilih kon$igurasi aliran counter

$lo pada A") double pipe!

"ada kasus ini, aliran $luida oli panas :


# aliran oil keluar A") pada temperatur 0 oC, ho < 0 oC



# aliran air pendingin kelaur A") pada temperatur J!! oC, co < J!oC &belum

diketahui'

*alans energi pada aliran $luida panas :

'*



25/30

Aliran $luida oli panas yang mengalir di dalam A") kita anggap tidak mengalami perubahan

$asa sehingga besarnya laju pelepasan energi panasnya dapat dihitung menggunakan

persamaan &6!6' :

12 < cp & 1 # 2 ' &@/kg'

Atau,

h < mh cph & hi # ho ' &@/s'

%alam persoalan ini diketahui :

Gaju aliran massa oli panas, mh < 0,30 kg/s!

)onstanta panas oil, cph < 2131 @/kg)

emperatur $luida panas masuk A"), hi < 100oC < 33 )

emperatur $luida panas keluar A"), ho < 0oC < 333 )

ehingga kita dapat menghitung besarnya laju pelepasan energi panas oleh aliran oli, h :

h < &0,30 kg/s!' &2131 @/kg)' & 33 ) # 333 ) ' < 2882 @/s

Atau,

h < 2882 @/s < 2882 D

*alans energi pada aliran $luida pendingin :

Aliran air pendingin yang mengalir di dalam A") kita anggap tidak mengalami perubahan

$asa sehingga besarnya laju penerimaan energi panasnya dapat dihitung menggunakan

persamaan &6!12' :

37 < cp & 7 # 3 ' &@/kg'

Atau,

c < mc cpc & co # ci ' &@/s'

'*



26/30

)emudian, pada persoalan ini A") kita anggap adiabatik, artinya semua energi panas yang

dilepaskan oleh aliran oli panas diterima 100F oleh aliran air pendingin, sehingga :

c < h < h < 2882 @/s

%alam persoalan ini juga diketahui :

Gaju aliran massa air pendingin, mc < 0,20 kg/s!

)onstanta panas air pendingin, cpc < 716 @/kg)

emperatur $luida air pendingin masuk A"), ci < 26oC < 301 )

ehingga :

K kgK J skg

s J T

cm

QT ci

pcc

cco 301

)/4178)(/20,0(

/25572+=+= < 331, )

Atau, co < 331, ) < 86,oC

*eda temperatur rata#rata counter $lo :

"ada kasus ini :


keluar A")

H1 < & hi # co ' < 32oC


masuk A")

H2 < & ho # ci ' < 71,7o

C

ehingga, besarnya beda temperatur rata#rata logarithmik counter $lo menjadi :

=∆∆∆−∆=∆

)/ln( 21

21,

T T

T T T CF m 3,8 oC

*eda temperatur rata#rata parallel $lo :

"ada kasus ini :

'*



27/30

H1 : beda antara temperatur $luida panas kelaur A") dengan temperatur $luida pendingin

keluar A")

H1 < & ho # co ' < 1,7oC


masuk A")

H2 < & hi # ci ' < 2oC

ehingga, besarnya beda temperatur rata#rata logarithmik parallel $lo menjadi :

=∆∆∆−∆

=∆)/ln( 21

21,

T T

T T T PF m 1,9

oC

"erkiraan dimensi utama A")

%imensi utama A") double tube terkait dengan ukuran pipa yang dipergunakannya,

terutama pipa atau tube yang berada di bagian dalam! Apabila tube tersebut memiliki

ukuran: diameter luar, do dan panjangnya, G maka luas permukaan tempat berlangsungnya

perpindahan energi panas di antar kedua aliran $luida adalah :

A < K do G

ementara itu, besarnya luas permukaan perpindahan panas yang diperlukan bagi A")

bergantung kepada laju perpindahan energi panas, beda temperatur rata#rata, dan koe$isien

perpindahan panas global di dalam A")! Eubungan di antara parameter#parameter tersebut

diberikan oleh persamaan &6!20' :

mT AU Q ∆= ..

Atau,

mT U

Q A

∆=

.

Atau, panjang tube yang diperlukan bagi A") dapat dihitung menggunakan persamaan :

mo T U d

Q L

∆=

...π

'*



28/30

%alam persoalan ini, diketahui :

Gaju pertukaran energi panas di dalam A"), < c < h < 2882 @/s

)oe$isien perpindahan panas global di dalam A"), ( < 230 D/m2)

%iameter luar tube, do < 28 mm < 0,028 m

Apabila kon$igurasi alirannya dipilih counter $lo, maka Hm < 3,8oC sehingga akan

diperoleh panjang tube, G < 38,0 m

edangkan apabila kon$igurasi alirannya dipilih parallel $lo, maka Hm < 1,9oC sehingga

akan diperoleh panjang tube, G < 2, m &hampir dua kali lebih panjang, sehingga lebih

mahal'!

oal Gatihan :

ebuah A") shell tube akan dirancang untuk ber$ungsi memanaskan aliran air &panas

jenisnya 719 @/kg)' dengan laju aliran massa 30 000 kg/h dari temperatur 20oC menjadi

78oC! ube yang dipergunakan berbahan baja &konduktivitas termalnya 0 D/m)',

berukuran diameter dalam 1 mm, diameter luar 19 mm, dan panjangnya 3 m! ebagai

media pemanas adalah aliran oli panas yang tersedia pada temperatur 10o

C, dan harusmeninggalkan A") pada temperatur 90 oC!

)oe$isien perpindahan konveksi aliran air di dalam tube diketahui sebesar 7000 D/m2), dan

koe$isien perpindahan konveksi aliran oli panas di bagian shell 8000 D/m2)!

"erkirakan besarnya :

a' daya pemanasan yang diperlukan bagi keperluan tersebutb' laju aliran massa oli panas yang diperlukan

c' jumlah tube yang diperlukand' selanjutnya apabila kita memperhitungkan akan adanya pengotoran permukaan dan

tahanan termal $ouling untuk aliran air kita anggap < 0,0001 m2)/D dan tahanan

termal $ouling untuk aliran oli panas < 0,000382 m2)/D, sekarang dengan antisipasi

tersebut berapa jumlah tube yang diperlukan

Ringkasan

'*



29/30

"ada modul ini anda telah mempelajari beberapa type alat penukar kalor yang banyak

dipergunakan pada instalasi industri! etelah itu anda juga telah memperoleh gambaran

bagaimana menerapkan prinsip pertukaran energy panas di dalam alat penukar kalor untuk

mengevaluasi kinerjanya! Anda juga telah mempelajari konsep beda temperature rata#rata

logaritmik, dan tahanan termal di dalam alat penukar kalor, serta bagaimana

menerapkannya untuk memprediksi per$ormance alat penukar kalor yang bekerja dengan

kondisi termal tertentu!

Da*tar Pustaka

1! http://!kamui!co!jp/english/products/shellLandLtube/shellLandLtubeLimg02!jpg

2! -ncropera, I!" and %e Ditt, %!", 1990, MIundamentals o$ Eeat .ass rans$erN, 3th ed!, @ohnDiley ons, e Oork

3! Cengel, Ounus A! *oles, .ichael A!, 200, Mhermodynamics: An +ngineering ApproachN,e Oork, .c5ra#Eill

7! Arthur "! Iraas, 1969, MEeat +4changer %esign EandbookN, 2nd edition, @ohn Diley ons,e Oork

'*



30/30

Documents

Modul 8 Dasar-dasar APK (1)