Praktikum Fenomena Dasar Mesin Surface Heat Transfer PDF

Preview

Summary

I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang 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 energ...

Description

Accelerat ing t he world's research.

Praktikum Fenomena Dasar Mesin Surface Heat Transfer M ilham hambali

Related papers

Download a PDF Pack of t he best relat ed papers 

ZulfaAriqoh 1515021008 Laporan FDM Ext ended Surface Heat Transfer Zulfa Ariqoh

Alat Penukar Kalor Bernadi K Put ra laporan konduksi Paramit a Dona

I.

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

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. 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.

M ILHAM HAMBALI

1515021019

2 B. Tujuan Praktikum

Adapun tujuan dari praktikum ini adalah sebagai berikut: 1. Untuk mengetahui perpindahan panas (konveksi) dari batang padat atau balok. 2. Untuk mengetahui cara memprediksi besarnya temperature dalam aliran panas sepanjang batang menuju ke lingkungan.

M ILHAM HAMBALI

1515021019

II.

TINJAUAN PUSTAKA

A. Teori Dasar

Pelat sirip heat sink dipertimbangkan dalam analisis ini terdiri dari merata spasi, sirip vertikal dalam kontak termal sempurna dengan baseplate ketebalan seragam di mana kondisi isotermal batas secara merata diaplikasikan di atas permukaan belakang baseplate. Sink sirip radial panas yang diasumsikan terdiri dari sirip silinder atau persegi merata spasi dalam kontak termal yang sempurna dengan silinder, dukungan isotermal konsentris melingkar. Jumlah Biot, diberikan sebagai Bi = h • t / k, dapat digunakan untuk menilai validitas asumsi isotermal di baseplate atau silinder dukungan dari heat sink. Sebuah 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 (Haryanto, 2006).

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) Dimana: q = Laju Perpindahan Panas (kj / det,W) K = Konduktifitas Termal (W/m.°C) A = Luas Penampang (m²) dT = Perbedaan Temperatur (°C, °F)

M ILHAM HAMBALI

1515021019

9 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 menghantarkan

panas.

Berlaku

untuk

sebuah

bahan

berbentuk

balok

dengan penampang lintang energi yang dipindahkan persatuan waktu antara dua permukaan berjarak (Halauddin, 2006). Hubungan dasar aliran panas melalui konduksi adalah perbandingan antara lajua liran panas yang melintas permukaan isothermal dan gradient.

C. 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.

M ILHAM HAMBALI

1515021019

10 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. 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 akan mengalami 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.

M ILHAM HAMBALI

1515021019

11 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). Di mana: Q = laju pindah panas konduksi (Watt) k = koefisien pindah panas konduksi (W/mK) A = luas permukaan bahan (m2) dT = perubahan suhu (K) dx = perubahan panjang bahan (m) Tanda negatif (-) menyatakan bahwa panas berpindah dari media bertemperatur tinggi ke media yang bertemperatur lebih rendah.

D. 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 (Masyithah, 2009).

M ILHAM HAMBALI

1515021019

12

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).

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 (kelembaban), dan velositas (gerak udara dan pola-pola distribusi). Kebersihan udara dan hilangnya bau (melalui ventilasi)

M ILHAM HAMBALI

1515021019

13 merupakan kondisi-kondisi kenyamanan tambahan yang harus dikendalikan oleh sistem penghawaan buatan (Agusalim, 2010). 1.

Konveksi Konveksi adalah perpindahan kalor pada suatu zat yang disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut. Konveksi terjadi karena perbedaan massa jenis zat. Kamu dapat memahami peristiwa konveksi, antara lain: a) Pada zat cair karena perbedaan massa jenis zat, misal sistem pemanasan air, sistem aliran air panas. b) Pada zat gas karena perbedaan tekanan udara, misal terjadinya angin darat dan angin laut, sistem ventilasi udara, untuk mendapatkan udara yang lebih dingin dalam ruangan dipasang AC atau kipas angin, dan cerobong asap pabrik.

Contoh dari perpindahan panas secara konveksi adalah sebagai berikut: 1.

Saat memasak air, maka air bagian bawah akan lebih dulu panas, saat air bawah panas maka akan bergerak ke atas (dikarenakan terjadinya perubahan masa jenis air) sedangkan air yang diatas akan bergerak kebawah begitu seterusnya sehingga keseluruhan air memiliki suhu yang sama.

2.

Terjadinya angin darat dan angin laut. Pada malam hari daratan lebih cepat dingin daripada laut. Akibatnya udara panas di atas laut bergerak naik dan tempatnya digantikan oleh udara yang lebih dingin dari daratan, sehingga terjadi angin darat yang bertiup dari daratan ke lautan.

Sedangkan pada siang hari, daratan suhunya lebih cepat panas. Akibatnya udara di atas daratan akan bergerak naik dan udara yang lebih dingin yang berada di atas laut bergerak ke daratan karena tekanan udara di atas permukaan laut lebih besar

M ILHAM HAMBALI

1515021019

14 daripada tekanan di atas daratan. Hal ini menyebabkan terjadinya angin laut yang bertiup dari permukaan laut ke daratan.

E.

Konveksi Bebas Silinder Vertikal

Adapun berbagai macam dari Konveksi Bebas Silinder Vertikal adalah sebagai berikut: 1. Permukaan Isotermal Untuk permukaan vertikal, angka Nusselt dan angka Grashof dibentuk dengan L, yaitu tinggi permukaan, sebagai dimensi karakteristik. Jika tebal lapisanbatas tidak besar dibandingkan dengan diameter silinder (D), perpindahan kalor dapat dihitung dengan rumus seperti untuk plat vertikal, dengan syarat untuk silinder vertikal yang tidak memenuhi syarat, Bilangan Nusselt-nya dapat diketahui dari rumus empiris umum dengan menggunakan nilai konstanta C dan m yang diberikan pada rentang kondisi tertentu. 2. Fluks Kalor Tetap Dalam kasus permukaan dengan fluks kalor tetap, laju perpindahan kalor dapat dengan mudah diketahui dengan rumus tetapi untuk temperatur permukaan tidak. Pada kenyataannya meningkat dengan ketinggian disepanjang plat. Ternyata hubungan angka Nusselt untuk permukaan dengan temperatur konstan dan fluks panas konstan hampir identik. Karena itu, relasi untuk plat isotermal dapat juga digunakan untuk plat yang dikenai fluks panas seragam.

M ILHAM HAMBALI

1515021019

15 Dengan menjadikan temperatur pada titik tengah (sebagai dalam evaluasi temperatur film, angka Rayleigh, dan angka Nusselt). 3. Alat Penukar Kalor Alat penukar kalor adalah sebuah alat yang digunakan untuk mentransfer panas darisuatu fluida ke fluida lain yang berbeda suhunya. Adapun tujuan dari alat ini adalah untukmemanaskan atau mendinginkan salah satu fluida dengan cara yang telah dijelaskansebelumnya.Prinsip perpindahan kalor yang digunakan adalah kalor berpindah dari suhu tinggi kesuhu rendah.

Komponen dasar dari alat penukar kalor dapat dilihat sebagai sebuah tabungdengan suatu fluida mengalir melewatinya dan fluida lain mengalir di luarnya. Sebuah alat penukar kalor sederhana melakukan tiga operasi perpindahan panas sebagai berikut: a) Perpindahan

panas

konveksi

dari

fluida

ke

dinding

dalam

tabungPerpindahan panas konduksi yang melewati dinding. b) Perpindahan panas konveksi dari dinding tabung luar dengan fluida luar. c) Perpindahan kalor secara radiasi pada alat penukar kalor hampir tidak ada. Hal ini dikarenakanradiasi adalah perpindahan kalor tanpa adanya medium perantara.

Gambar 2. Ilustrasi Prinsip Alat Penukar Kalor

M ILHAM HAMBALI

1515021019

16 Penjelasan gambar diatas telah dipelajari pada konduksi, yaitu dalam menentukan laju perpindahan kalor dan koefisien perpindahan kalor menyeluruh (U).

Alat penukar kalor merupakan alat yang sangat vital dalam skala industri guna menjaga suhu suatu sistem dalam suatu proses yang berlangsung. Penggunaan alat penukar kalor ini hampir ditemui di seluruh industri, seperti otomotif, makanan, migas, dan pengolahan limbah. Berikut ini adalah penjabaran penerapan APK dalam beberapa industri. a) Industri otomotif salah satu penerapan APK dalam industri otomotif adalah dalam bentuk radiator mobil. Di dalam radiator, larutan air dan etilena glikol atau yang dikenal sebagai antibeku, memindahkan panas dari mesin mobil ke radiator dan kemudian dari radiator ke udara mengalir melalui fluida tersebut. Proses ini membantu untuk menjaga mesin mobil dari overheating. b) Pembangkit Listrik Tenaga Uap Dalam sebuah siklus PLTU, aplikasi heat exchanger sangat diperlukan untuk menjaga agar sebuah siklus pembangkit dapat terus beroperasi. Salah satu aplikasi tersebut adalah pemakaian heat exchanger sebagai pemanas air pengisi boiler (boiler feedwater heater). Pada umumnya pemanas air pengisi boiler ini menggunakan jenis shell and tube heat exchanger, yang fluida kerjanya menggunakan uap yang diekstraksi dari turbin untuk memanaskan air pengisi boiler (feedwater) sebelum masuk keboiler. Pada proses selanjutnya air tersebut diubah menjadi uap yang kemudian digunakan sebagai tenaga penggerak turbin uap.

M ILHAM HAMBALI

1515021019

17 c) Industri Pengolahan Limbah Dalam industri pengolahan limbah, alat penukar kalor dimanfaatkan untuk proses pemanasan kotoran limbah. Hal ini berfungsi untuk menjaga limbah agar mencapai pada suhu di mana dia stabil atau tidak reaktif sehingga tidak mencemari lingkungan. Masalah pembentukan korosi dan kerak dalam unit APK dapat diatasi dengan beberapa langkah dibawah ini, di antaranya: a) Membersihkan pipa – pipa sebelum melakukan start-up APK. b) Memasangkan penyaring (filter) pada fluida yang masuk APK. c) Mengatur aliran fluida karena aliran yang terlalu cepat dapat membantu proses penimbunan kotoran dalam APK. d) Melakukan proteksi galvanik terhadapat unit APK.

F.

Analisis Permukaan Yang Diperluas

Pertimbangan akan terbatas pada analisis steady state dari sirip persegi panjang atau pin dari luas penampang konstan. Sirip annular atau sirip yang melibatkan potongan melintang dapat dianalisis dengan metode serupa, tetapi akan melibatkan solusi persamaan yang lebih rumit yang dihasilkan. Metode numerik integrasi atau program komputer dapat digunakan untuk keuntungan dalam kasus seperti itu. Pertimbangkan sirip pendingin ditunjukkan di bawah ini:

M ILHAM HAMBALI

1515021019

18

Gambar 3. Sirip Pendingin

Sirip terletak di permukaan permukaan yang panas di Ts dan dikelilingi oleh pendingin pada suhu T, yang mendingin dengan koefisien konvektif, h. Sirip memiliki luas penampang, Ac, (ini adalah area melalui dengan panas dilakukan.) dan panjang keseluruhan, L. Perhatikan bahwa ketika energi dilakukan di sepanjang panjang sirip, beberapa bagian hilang, dengan konveksi, dari sisisisinya. Dengan demikian aliran panas bervariasi sepanjang panjang sirip (Bobby, 2014). Kami lebih lanjut mencatat bahwa panah menunjukkan arah titik aliran panas di kedua arah x dan y. Ini merupakan indikasi bahwa ini benar-benar aliran panas dua atau tiga dimensi, tergantung pada geometri sirip. Namun, cukup sering, lebih mudah untuk menganalisa sirip dengan memeriksa sistem satu dimensi yang setara. Sistem yang setara akan melibatkan pengenalan heat sink (sumber panas negatif), yang menghilangkan sejumlah energi setara dengan apa yang akan hilang.

M ILHAM HAMBALI

1515021019

19 1.

Perhitungan Daya Thermal

Koefisien perpindahan panas yang terjadi di atas permukaan pelat digitung dan diselesaikan dengan kekekalan masa, momentum dan persamaan energi. Hal tersebut dapat dihitung menggunakan persamaan Nuselt.

………….………………...….(4)

Dimana C, m dan n adalah konstan sedangkan L merupakan panjang pelat. Temperatur yang terjadi dari perpindahan panas dirumuskan:

…………………….……………………(5)

Apabila nilai Re < 5x105 dan nilai Pr ≥ 0,6, maka terdefinisi sebagai aliran laminer sehingga nilai konstanta C pada persamaan Nuselt adalah:

………………………..(6)

Nilai Re dapat dirumuskan:

………………………………………..(7)

Dimana V merupakan kecepatan angin [m/s], L adalah panjang pelat [m] dan viskositas kinematik udara

M ILHAM HAMBALI

[m2/s].

1515021019

20 Perhitungan daya thermal dapat dihitung menggunakan rumus:

………………………………………….(8)

Q adalah daya thermal [Watt], merupakan nilai konstanata koefisien pindah panas konveksi dan luas penampang pelat dinotasikan

M ILHAM HAMBALI

[m2].

1515021019

21

III.

METODOLOGI PRAKTIKUM

A. Alat dan Bahan

Adapun alat dan bahan yang di gunakan dalam praktikum sebagai berikut: 1.

Base Unit (TD1002) Tabel 1. Name plate (spesifikasi) Base Unit (TD1002) Barang Rincian nett Dimensi

650 mm x 480 mm depan ke...