Praktikum Fenomena Dasar Mesin Extended Surface Heat Transfer PDF

Preview

Summary

I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang Ilmu perpindahan panas tidak hanya membahas bagaimana energi itu berpindah dari suatu bagian ke bagian lainnya tetapi juga meramalkan laju perpindahan energi pada kondisi – kondisi tertentu. Kecepatan pindah panas ini akan bergantung pada perbedaan suhu antar kedua k...

Description

I.

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Ilmu perpindahan panas tidak hanya membahas bagaimana energi itu berpindah dari suatu bagian ke bagian lainnya tetapi juga meramalkan laju perpindahan energi pada kondisi – kondisi tertentu. Kecepatan pindah panas ini akan bergantung pada perbedaan suhu antar kedua kondisi. Semakin besar perbedaan, maka semakin besar kecepatan pindah panasnya. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Perpindahan panas dari suatu zat ke zat lain sering terjadi berulang – ulang dalam industri pangan seperti proses memasak, membakar, sterilisasi ataupun pendinginan termasuk ke dalam perpindahan panas. Pada kebanyakan pengerjaan, diperlukan pemasukan atau pengeluaran kalor, untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Dalam kehidupan sehari – hari banyak terlihat fenomena perpindahan panas dari material atau fluida yang mempunyai temperatur lebih tinggi ke material atau fluida yang mempunyai temperatur lebih rendah. Perpindahan panas (heat transfer) adalah proses perpindahan energi dari suatu benda atau sistem yang suhunya lebih tinggi ke benda atau sistem lain yang suhunya lebih rendah sebagai akibat adanya gaya dorong (driving force) perbedaan temperatur.

2 B. Tujuan Praktikum Adapun tujuan dari praktikum ini adalah sebagai berikut: 1.

M ILHAM HAMBALI

1515021019

II.

TINJAUAN PUSTAKA

A. Perpindahan Panas

Heat exchanger adalah adalah sistem yang efisien untuk menukarkan panas dari satu medium ke medium lainnya. Objek heat exchanger ini yaitu fluida, sehingga prosesnya mengalir. Kinerja heat exchanger dapat dipengaruhi oleh penambahan dalam satu atau dua arah, yang akan meningkatkan luas permukaan dan dapat saluran aliran fluida atau menyebabkan turbulensi. Untuk efisiensi, heat exchanger dirancang untuk memaksimalkan luas permukaan dinding antara kedua cairan, dan meminimalkan resistensi terhadap aliran fluida melalui perpindahan tersebut. Suhu yang terdapat dalam aliran heat exchanger disebut Log Mean Temperature. 1.

Jenis Aliran Heat Exchanger. Adapun jenis aliran heat exchanger, di antaranya: Yaitu jenis heat exchanger di mana aliran bahan dengan aliran energi (fluida pemanas) mengalir berlawanan. Co current, yaitu jenis heat exchanger di mana aliran bahan dengan aliran energi (fluida pemanas) mengalir searah. Cross flow, yaitu terjadi ketika salah satu aliran fluida tegak lurus terhadap cairan kedua, yaitu, satu aliran fluida melalui tabung dan cairan kedua melewati sekitar saluran di sudut 90°. Biasanya ditemukan pada kondisi perubahan cairan 2 fasa.

4 Contohnya adalah sistem uap kondensor, di mana uap keluar turbin memasuki sisi shell kondensor, dan air dingin yang mengalir di tabung menyerap panas dari uap, kondensasi itu ke dalam air. 2.

Tipe Heat Exchanger. Beberapa tipe heat exchanger, antara lain: Shell and tube heat exchanger, terdiri dari serangkaian tabung yang berisi fluida yang akan dipanaskan ataupun didinginkan. Sehingga aliran tersebut akanmengalami perubahan panas karena akan melepaskan ataupun menyerap kalor. Tipe ini biasanya digunakan untuk aplikasi tekanan tinggi (dengan tekanan yang lebih besar dari 30 bar dan suhu lebih besar dari 260° C). Hal ini karena desainnya yang kuat. Hal yang perlu diperhatikan dalam tabung tipe ini yaitu diameter tabung, panjang tabung, tube corrugation, tube pitch dan tube layout. Plate heat exchanger, terdiri dari lempengan logam tipis yang memiliki luas permukaan yang sangat besar sebagai penampang aliran fluida untuk mentransfer panas. Adiabatic wheel heat exchanger, menggunakan cairan untuk menahan panas. Contohnya adalah roda adiabatic yang terdiri dari roda besar dengan benang halus berputar melalui cairan panas dan dingin, dan penukar panas fluida.

3. Perpindahan Panas Konduksi. Adalah suatu proses perpindahan energi panas dimana energi panas tersebut mengalir dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah fluida yang diam. Persamaan umum laju konduksi dikenal dengan hukum Fourier (Fourier’s Law) dirumuskan dengan: Di mana: Q = laju pindah panas konduksi (Watt)

M ILHAM HAMBALI

1515021019

5 k = koefisien pindah panas konduksi (W/mK) A = luas permukaan bahan (m2) dT= perubahan suhu (K) dx = perubahan panjang bahan (m)

B. Proses Perpindahan Panas

Konveksi adalah proses perpindahan kalor dari satu bagian fluida ke bagian lain fluida oleh pergerakan fluida itu sendiri. Konveksi dibedakan menjadi dua jenis, yaitu konveksi alamiah dan konveksi paksa. Konveksi alamiah merupakan pergerakan fluida yang terjadi akibat perbedaan massa jenis. Bagian fluida yang menerima kalor/dipanasi memuai dan massa jenisnya menjadi lebih kecil, sehingga bergerak ke atas. Kemudian tempatnya akan digantikan oleh bagian fluida dingin yang jatuh ke bawah karena massanya jenisnya lebih besar. Sedangkan pada konveksi paksa, fluida yang telah dipanasi akan langsung diarahkan tujuannya oleh sebuah blower atau pompa (Mayunda, 2009).

Konduksi ialah pemindahan panas yang dihasilkan dari kontak langsung antara permukaan-permukaan benda. Konduksi terjadi hanya dengan menyentuh atau menghubungkan permukaan-permukaan yang mengandung panas. Setiap benda mempunyai konduktivitas termal (kemampuan mengalirkan panas) tertentu yang akan mempengaruhi panas yang dihantarkan dari sisi yang panas ke sisi yang lebih dingin. Semakin tinggi nilai konduktivitas termal suatu benda, semakin cepat ia mengalirkan panas yang diterima dari satu sisi ke sisi yang lain (Darwish, 2010).

M ILHAM HAMBALI

1515021019

6

Radiasi

ialah

pemindahan

panas

atas

dasar

gelombang

–

gelombang

elektromagnetik. Misalnya tubuh manusia akan mendapat panas pancaran dari setiap permukaan dari suhu yang lebih tinggi dan ia akan kehilangan panas atau memancarkan panas kepada setiap obyek atau permukaan yang lebih sejuk dari tubuh manusia itu. Panas pancaran yang diperoleh atau hilang, tidak dipengaruhi oleh gerakan udara, juga tidak oleh suhu udara antara permukaan-permukaan atau obyek-obyek yang memancar sehingga radiasi dapat terjadi di ruang hampa. Jumlah keseluruhan panas pindahan yang dihasilkan oleh masing-masing cara hampir seluruhnya ditentukan oleh kondisi-kondisi lingkungan. Udara yang jenuh tak dapat menerima kelembaban tubuh, sehingga pemindahan panas tak dapat terjadi melalui penguapan. Pengondisian suatu ruang seharusnya meningkatkan laju kehilangan panas bila para penghuni terlalu panas dan mengurangi laju kehilangan panas bila mereka terlalu dingin. Tujuan ini tercapai dengan mengolah dan menyampaikan udara yang nyaman dari segi suhu, uap air, dan velositas (Alam, 2013).

C. Kalor

Kalor merupakan bentuk energi. Perubahan jumlah kalor pada suatu benda ditandai dengan kenaikan dan penurunan suhu atau bahkan perubahan wujud benda tersebut. Jika benda menerima kalor, suhunya akan naik. Banyak kalor yang akan diterima atau

dilepaskan

suatu

benda

sebanding

dengan

besar

kenaikan

dan

penurunansuhunya. Secara matematis hubungan antara banyak kalor dan kenaikan suhu ditulis sebagai berikut:

M ILHAM HAMBALI

1515021019

7 Q = m. c. ΔT ...................................................... (1) Dimana: Q = Kalor (J)m = Massa air (kg) ΔT = Perubahan Suhu (oC)c = Kalor Jenis air (J/kgoC) Kalor jenis zat (cv) adalah kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat untuk menaik kansuhunya sebesar satu satuan suhu pada volume konstan dengan kalor jenis air diambil 4.200 J/kg. Kemudian Q merupakan hasil kali dari daya dan waktu maka:

Q = P.t ............................................................... (2)

Dimana: P =Daya (watt) t = Waktu (sekon) Banyaknya kalor yang dilepaskan sama dengan kalor yang diserap. Pernyataan ini pertama kali oleh Black. Oleh karena itu, pernyataan tersebut sering disebut asas Black, Pada umumnya terdapat tiga proses perpindahan panas yaitu radiasi, konveksi,dan konduksi. Radiasi atau pancaran merupakan perpindahan panas melalui gelombang dari suatu zat ke zat yang lain. Semua benda memancarkan panas. Keadaan ini baru terbukti setelah suhu meningkat. Pada hakekatnya proses perpindahan radiasi terjadi dengan perantaraan foton dan juga gelombang elektromagnet.

Terdapat

dua

teori

yang

berbeda

untuk

menerangkan

semua bahan pada suhu mutlak tertentu akan menyinari sejumlah energi ka1or terte ntu. Semakin tinggi suhu bahan tadi maka semakin tinggi pula energi kalor yang disinarkan. Proses radiasi adalah fenomena permukaan. Proses radiasi tidak terjadi pada bagian dalam bahan. Tetapi suatu bahan apabila menerima sinar, maka

M ILHAM HAMBALI

1515021019

8 banyakhal yang boleh terjadi. Energi kalor yang menimpa suatu permukaan, sebagian akan dipantulkan, sebagian akan diserap ke da1am bahan, dan sebagian menembus bahan dan terus ke luar. Jadi dalam mempelajari perpindahan kalor radi asi akan dilibatkan suatu fisik permukaan.

Konveksi atau aliran adalah pengangkutan ka1or oleh gerak dari zat yang dipanaskan. Proses perpindahan panas secara aliran atau konveksi merupakan satu fenomena permukaan. Proses konveksi hanya terjadi di permukaan bahan. Jadi dalam proses ini struktur bagian dalam bahan kurang penting. Keadaan permukaan dan keadaan sekelilingnya serta kedudukan permukaan itu adalah yang utama. Lazimnya, keadaan keseimbangan termodinamik di dalam bahan akibat proses konduksi, suhu permukaan bahan akan berbeda dari suhu sekelilingnya. Dalam hal ini dikatakan suhu permukaan adalah T1 dan suhu udara sekeliling adalah T2 dengan Tl>T2. Kini terdapat keadaan suhu tidak seimbang diantara bahan dengan sekelilingnya. Perpindahan kalor dengan jalan aliran dalam industri kimia merupakan cara pengangkutan kalor yang paling banyak dipakai. Konveksi hanya dapat terjadi melalui zat yang mengalir, maka bentuk pengangkutan ka1or ini hanya terdapat pada zat cair dan gas. Pada pemanasan zat ini terjadi aliran, karena masa yang akan dipanaskan tidak sekaligus dibawa kesuhu yang sama tinggi. Oleh karena itu bagian yang paling banyak atau yang pertama dipanaskan memperoleh masa jenis yang lebih kecil daripada bagian masa yang lebih dingin. Sebagai akibatnya terjadi sirkulasi, sehingga kalor tersebar pada seluruh zat (Harun, 2011).

M ILHAM HAMBALI

1515021019

9 Perpindahan kalor secara konduksi adalah proses perpindahan kalor dimana kalor mengalir dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah dalam suatu medium (padat, cair atau gas) atau antara medium – medium yang

berlainan

yang

bersinggungan

secara

langsung

sehingga

terjadi

pertukaran energi dan momentum. Laju perpindahan panas yang terjadi pada perpindahan panas konduksi adalah berbanding dengan gradien suhu normal sesuai dengan persamaan berikut persamaan dasar konduksi:

....................................... (3)

Keterangan: q = Laju Perpindahan Panas (kj / det,W) K = Konduktifitas Termal (W/m.°C) A = Luas Penampang (m²) dT = Perbedaan Temperatur (°C, °F) dX = Perbedaan Jarak (m / det) ΔT = Perubahan Suhu (°C, °F) dT/dx = gradient temperatur kearah perpindahan kalor. konstanta positif ”k” disebut konduktifitas atau kehantaran termal benda itu, sedangkan tanda minus disisipkan agar memenuhi hokum kedua termodinamika, yaitu bahwa kalor mengalir ketempat yang lebih rendah dalam skala temperatur. Konduktivitas termal suatu bahan adalah ukuran kemampuan bahan untuk

M ILHAM HAMBALI

1515021019

10 menghantarkan

panas.

Berlaku

untuk

sebuah

bahan

berbentuk

balok

dengan penampang lintang energi yang dipindahkan persatuan waktu antara dua permukaan berjarak. Hubungan dasar aliran panas melalui konduksi adalah perbandingan antara lajua liran panas yang melintas permukaan isothermal dan gradient.

D. Satuan kalor

Kalor adalah sebuah bentuk energi. Satuan: Joule (J). 1 kJ (kilojoule) = 1000 Joule. Suhu (t) adalah merupakan pertanda hadirnya kalor dalam suatu benda. Ia mengukur keadaan termal benda tersebut. Satuan suhu adalah Celcius (°C). suhu terndah sama dengan suhu air yang membeku pada 0 °C . suhu didihnya adalah 100 °C. Suhu diukur dengan thermometer air raksa. Kaitan antara kalor dan temperature disebut dengan konsep kalor spesifik (specific heat). Kalor spesifik diartikan sebagai jumlah kalor energi yang dibutuhkan satuan massa benda untuk naik suhunya. Satuan kalor spesifik: J/kg °C. Terdapat bentuk-bentu kalor yaitu: 1. Kalor Sensibel Kalor sensibel adalah merupakan kalor yang dapat dirasakan oleh indera. Dengan kata lain dia adalah merupakan bentuk kalor yang bergandengan dengan perubahan suhu dari benda yang terkait. 2. Kalor Laten Kalor laten adalah energi termal yang terlibat dalam perubahan keadaan sebuah benda tanpa perubahan temperatur. Contohnya: perubahan yang dari padat ke

M ILHAM HAMBALI

1515021019

11 cair atau dari cair ke padat. Suhu adalah merupakan tanda atau ciri hadirnya kalor dalam sebuah benda. Satuan suhu adalah derajat selsius. 3. Kalor Jenis Kalor jenis adalah sifat khusus suatu zat yang menunjukkan kemampuannya untuk menyerap kalor. Zat yang kalor jenisnya tinggi mampu menyerap lebih banyak kalor untuk kenaikan suhu yang rendah d.

E. Penukar Panas Jenis Pelat

Penukar panas adalah alat yang digunakan untuk mempertukarkan panas secara kontinu dari suatu medium ke medium lainnya dengan membawa energi panas. Secara umum ada 2 tipe penukar panas, yaitu: 1. Direct heat exchanger, dimana kedua medium penukar panas saling kontak satu sama lain. 2. Indirect heat exchanger, dimana kedua media penukar panas dipisakan oleh sekat/ dinding dan panas yang berpindah melewatinya.

Yang tergolong indirect HE adalah penukar panas jenis shell and tube, pelat, dan spiral. Sedangkan yang tergolong direct HE adalah cooling tower dimana operasi perpindahanpanasnya terjadi akibat adanaya pengontakan langsung antara air dan udara. Penukar panas jenis pelat memberikan hasil yang lebih baik dalam proses pertuakran panas, karena: 1. Menggunakan material tipis untuk permukaan penukar panas sehingga menurunkan tahanan panas selama konduksi.

M ILHAM HAMBALI

1515021019

12 2. Memberikan derajat turbulensi yang tinggi yang memberikan nilai konveksi yang besar sehingga meningkatkan nilai U dan juga menimbulkan self cleaning effect. Faktor-faktor fouling kecil karena: 1.

Aliran turbulen yang tinggimenyebabkan padatan tersuspensi.

2.

Profil kecepatan pada pelat menjadi seragam.

3.

Permukaan pelat secara umum smooth.

4.

Laju korosi rendah.

5.

Mempunyai nilai ekonomis dalam instalasi karena itu hanya membutuhkn tempat 1/4 sampai 1/10 tempat yang dibutuhkan tube dan spiral.

6.

Dalam modifikasi dan pemeliharaan.

7.

Penukar panas jenis pelat ini dapat memindahkan panas secara efisien.

8.

Penukar panas jenis pelat juga fleksibel dalam pemeliharaan aliran.

Menurut Bell (1959) ada beberapa tipe aliran fluida dalam pelat heat exchanger, yaitu: 1. Seri, pola ini digunakan untuk fluida yang laju alirnya rendah dan beda temperaturnya tinggi. 2. Paralel, pola ini digunakan untuk fluida yang laju alirnya lebih besar dan beda temperaturnya rendah. Penukar panas jenis pelat terdiri atas pelat-pelat tegak lurus yang dipisahkan sekatsekat berukuran antara 2 sampai 5 mm. Pelat-pelat ini berbentuk empat persegi panjang dengan tiap sudutnya terdapat lubang. Melalui dua di antara lubang-lubang ini fluida yang satu dialirkan masuk dan keluar pada satu sisi, sedangkan fluida yang lian karena adanya sekat mengalir melalui ruang antara di sebelahnya. Struktur

M ILHAM HAMBALI

1515021019

13 umum penukar panas kenis pelat yang dipublikasikan Marriot, 1971 dapat dilihat pada gambar di bawah ini

Gambar 1 penukar panas jenis plat

Banyak pelat bergelombang, sehingga aliran turbulen sudah tercapai pada bilangan Reynolds antara 10-400. Pelat yang lebih tipis akan memberikan perpindahan panas yang lebih efisien, uniform, dan proses kontrol yang lebih baik. Berdasarkan konstruksinya, penukar panas pelat dapat dibagi menjadi 2 macam, yaitu Gasketted Plate Heat Exchanger dan Brazed Plate Heat Exchanger. Gasketted plate heat exchanger mudah dimodifikasi karena desiannya fleksibel. Fungsi utama gasket adalah menjaga tekanan fluida, menjaga laju alir fluida dan mencegah pencampuran fluida. Selain itu, gasket juga mudah dibuka untuk kontrol dan pembersihan.

Brazed plate heat exchanger adalah pengembangan jenis gasket. Kelebihannya adalah lebih kompak, dan digunakan untuk tekanan dan temperatur tinggi. JenisJenis Plate Heat Exchanger Pada percobaan ini, studi terhadap penukar panas jenis

M ILHAM HAMBALI

1515021019

14 pelat didasarkan pada ragam aliran fluida operasi. Berdasarkan hal ini penukar panas jenis pelat dapat dibedakan menjadi: 1.

Penukar panas pelat beraliran jamak (multipass plate heat exchanger).

2.

Panas pelat berlawanan arahnya (countercurrent plate heat exchanger).

3.

Penukar panas pelat bersilangan arah (crosscurrent plate heat exchanger).

Alat penukar panas saluran jamak memiliki spesifikasi aliran berupa saluran jamak laluan (multipass) untuk aliran udara pendingin dan saluran tunggal untuk aliran flue gas. Penukar panas pelat secara skematik dapat dilihat pada proses pertukaran panas pada penukar panas jenis ini secara sederhana mirip dengan proses pertukaran panas pada penuakr panas pipa ganda (double pipe heat excanger). Perbedaannya terletak pada bentuk alur laluan fluida. Pada pipa ganda alur laluan fluida pendinginnya sejajar dengan alur laluan fluida panasnya. Baik fluida dingin maupun panas memiliki alur aliran yang lurus (smooth). Sedangkan pada penukar panas pelat beraliran jamak alur laluan fluida dingin membentuk huruf U dan sejajar dengan alur laluan fluida panas.

Gambar 2 penukar panas jenis plat berlairan jamak

Pada alat penukar panas berlawanan arah, kedua fluida, gas, dan udara pendingin mengalir masuk ke penukar panas dalam arah yang berlawanan dan keluar sistem

M ILHAM HAMBALI

1515021019

15 dalam arah yang berlawanan juga. Gambar 3 menunjukkan skema arah aliran pada penukar pelat berlawanan arah.

Gambar 3. penukar panas plat berlawanan arah

Pada penukar panas pelat bersilangan arah, udara bergerak menyilang melalui matriks perpindahan panas yang dilalui oleh flue gas. Perpindahan panas pada penukar panas jenis ini dapat dilihat pada gambar:

Gambar 4. Penukar panas bersilangan arah

M ILHAM HAMBALI

1515021019

16 F. Koefisien Perpindahan Panas

Perpindahan panas antara dua fluida yang dipisahkan oleh pelat terjadi secara konduksi dan konveksi. Jika konduksi dan konveksi secara berurutan, maka tahanan panas yang terlibat (konduksi dan konveksi) dapat dijumlahkan untuk memperoleh koefisien perpindahan panas keseluruhan (U). Besaran 1/Uh dan 1/Uc disebut tahanan keseluruhan terhdap perpindahan panas dan merupakan jumlah seri dari tahanan di fasa fluida panas, pelat, dan fluida dingin.

G. Konveksi Dalam Keseharian

Konveksi udara secara ...