-
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2014/2015
BAB II WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
2.1 Dasar Teori
2.1.1 Mekanisme Perpindahan Panas
Energi panas dapat ditransfer dari satu sistem ke sistem yang
lain, sebagai hasil
dari perbedaan temperatur. Sedangkan analisis termodinamika
hanya mengangkat hasil
dari perpindahan panas sebagai sistem yang mengalami proses dari
satu keadaan
setimbang yang lain. Jadi ilmu yang berhubungan dengan penentuan
tingkat perpindahan
energi adalah perindahan panas. Adapun transfer energi panas
selalu terjadi dari medium
suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah, dan
perpindahan panas berhenti ketika
dua medium mencapai suhu yang sama.
Proses perpindahan panas dapat berpindah dengan tiga cara, yaitu
konduksi,
konveksi dan radiasi. Semua cara dari perpindahan panas
memerlukan adanya perbedaan
suhu, dan semua cara berasal dari medium suhu yang lebih tinggi
ke suhu yang lebih
rendah. Di bawah ini kita memberikan gambaran singkat dari
setiap cara.
2.1.2 Konduksi
Konduksi adalah perpindahan energi dari partikel yang lebih
energik dari suatu
zat dengan yang kurang energik yang berdekatan sebagai akibat
dari interaksi antara
partikel. Konduksi dapat terjadi pada zat padat, cair dan gas.
Pada gas dan cair, konduksi
ini disebabkan oleh tabrakan dan pembauran dari gerakan molekul
selama gerakan acak
mereka. Pada benda padat, gerakan ini disebabkan akibat
kombinasi getaran dari molekul
di dalam kisi dan berpindahnya energi yang disebabkan oleh
elektron bebas. Laju
konduksi panas melalui media tergantung pada geometri dari
medium, ketebalan, dan
bahan dari medium, serta beda suhu di medium terdebut. Contoh
konduksi adalah
perpindahan panas yang terjadi pada besi yang salah satu
ujungnya dipanaskan, maka
panas tersebut akan merambat hingga ujung yang lain.
Pada penjelasan berikut, dapat dilihat proses perpindahan panas
melalui dinding
yang tebalnya x=L dan luasnya A, seperti pada gambar berikut
:
-
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2014/2015
Gambar 2.1: Perpindahan Panas Konduksi Melalui Dinding
Sumber: Heat Transfer, Cengel (2003:21)
Perbedaan temperatur pada dinding adalah T= T2-T1. Percobaan
dapat
menghasilkan laju dari perpindahan panas Q melalui dinding dua
kali lipat ketika
perbedaan suhu di seluruh dinding atau area A normal terhadap
arah perpindahan
panas dua kali lipat, tapi dibelah dua ketika ketebalan dinding
L dua kali lipat.
Dengan demikian kita menyimpulkan bahwa laju konduksi panas
melalui lapisan
dinding sebanding dengan perbedaan suhu di seluruh lapisan dan
area perpindahan
panas, namun berbanding terbalik dengan ketebalan lapisan,
sehingga dapat
dirumuskan dengan:
Atau,
Dimana konstanta k adalah konduktivitas termal material,
yang
merupakan
ukuran kemampuan suatu material untuk menghantarkan panas. Jika
x = 0,
persamaan
di atas tereduksi menjadi bentuk diferensial
-
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2014/2015
Keterangan :
Q = Laju perpindahan panas secara konduksi
k = konduktivitas termal material
A = Luas permukaan
dT = Perubahan suhu
dx = Jarak yang tegak lurus terhadap permukaan
Tanda negatif di dalam rumus memastikan bahwa perpindahan panas
dalam arah
x positif adalah jumlah yang positif.
2.1.3 Konveksi
Konveksi adalah proses transport energi dengan kerja gabungan
dari konduksi
panas, penyimpanan dan gerakan mencampur. Konveksi sangat
penting sebagai
mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat dan
cairan atau gas.
Perpindahan energi dengan cara konveksi dari suatu permukaan
yang suhunya
di atas suhu fluida sekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap.
Pertama, panas akan
mengalir dengan cara konduksi dari permukaan ke
partikel-partikel fluida yang
berbatasan. Energi yang berpindah dengan cara demikian akan
menaikkan suhu dan
energi dalam partikel-partikel fluida ini. Kemudian
partikel-partikel fluida
tersebut akan bergerak ke daerah yang bersuhu rendah didalam
fluida di mana mereka
akan bercampur dengan, dan memindahkan sebagian energinya
kepada, partikel-
partikel fluida lainnya. Dalam hal ini alirannya adalah aliran
fluida maupun energi.
Energi sebenarnya disimpan di dalam partikel-partikel fluida dan
diangkut sebagai
akibat gerakan massa partikel-partikel tersebut. Mekanisme ini
untuk operasinya tidak
tergantung hanya pada beda suhu dan oleh karena itu tidak secara
tepat memenuhi
definisi perpindahan panas. Tetapi hasil bersihnya adalah
angkutan energi, dan karena
terjadinya dalam arah gradien suhu, maka juga digolongkan dalam
suatu cara
perpindahan panas dan ditunjuk dengan sebutan aliran panas
dengan cara konveksi.
Contoh konveksi adalah perputaran atau perpindahan panas yang
terjadi pada
pemanasan air.
Laju perpindahan panas dengan cara konveksi antara suatu
permukaan dan
suatu fluida dapat dihitung dengan hubungan
-
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2014/2015
Dimana :
q = laju perpindahan panas dengan cara konveksi, (Watt)
As = luas perpindahan panas, (m2)
Ts = Temperatur permukaan benda padat, (0K)
T = Temperatur fluida mengalir, (0K)
H = koefisien perpindahan panas konveksi, (W/m2 0K)
Perpindahan panas konveksi diklasifikasikan dalam konveksi bebas
(free
convection) dan konveksi paksa (forced convection) menurut cara
menggerakkan
alirannya. Konveksi alami adalah perpindahan panas yang
disebabkan oleh beda
suhu dan beda rapat saja dan tidak ada tenaga dari luar yang
mendorongnya. Konveksi
alamiah dapat terjadi karena ada arus yang mengalir akibat gaya
apung,
sedangkan gaya apung terjadi karena ada perbedaan densitas
fluida tanpa dipengaruhi
gaya dari luar sistem. Perbedaan densitas fluida terjadi karena
adanya gradien suhu
pada fluida.
Konveksi paksa adalah perpindahan panas aliran gas atau cairan
yang
disebabkan adanya tenaga dari luar. Konveksi paksa dapat pula
terjadi karena arus
fluida yang terjadi digerakkan oleh suatu peralatan mekanik
(contoh : pompa dan
pengaduk), jadi arus fluida tidak hanya tergantung pada
perbedaan densitas. Contoh
perpindahan panas secara konveksi paksa adalah pelat panas
dihembus udara dengan
kipas/blower.
Secara umum aliran fluida dapat diklasifikasikan sebagai aliran
eksternal dan
aliran internal. Aliran eksternal terjadi saat fluida mengenai
suatu permukaan benda.
Contohnya adalah aliran fluida melintasi plat atau melintang
pipa. Aliran internal
adalah aliran fluida yang dibatasi oleh permukaan zat padat,
misalnya aliran dalam
pipa/saluran. Perbedaan antara aliran eksternal dan aliran
internal pada suatu
pipa/saluran ditunjukkan pada Gambar 3.2
Secara umum aliran fluida dapat diklasifikasikan sebagai aliran
eksternal dan
aliran internal. Aliran eksternal terjadi saat fluida mengenai
suatu permukaan benda.
Contohnya adalah aliran fluida melintasi plat atau melintang
pipa. Aliran internal
adalah aliran fluida yang dibatasi oleh permukaan zat padat,
misalnya aliran dalam
pipa/saluran. Perbedaan antara aliran eksternal dan aliran
internal pada suatu
pipa/saluran ditunjukkan pada Gambar 3.2
-
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2014/2015
Gambar 2.2 Aliran eksternal udara dan aliran internal air pada
suatu pipa/saluran
Sumber: Heat Transfer, Cengel (2003:21)
2.1.4 Radiasi
Radiasi adalah energi yang dipancarkan oleh materi dalam bentuk
gelombang
elektromagnetik sebagai akibat dari perubahan konfigurasi
elektronik dari atom atau
molekul. Contoh radiasi adalah pancaran sinar matahari yang
menyengat sampai ke
bumi atau kulit manusia
Tingkat maksimum radiasi yang dapat dipancarkan permukaan pada
suhu
Ts mutlak diberikan oleh hukum stefaan-Boltzmann yaitu
Dimana = 5,67 x 10-8 W/m2 K4 merupakan konstanta
Stefen-Boltzmann.
Permukaan ideal yang memancarkan radiasi pada tingkat maksimum
ini disebut benda
hitam, dan radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam disebut
Radiasi benda hitam.
Radiasi yang dipancarkan oleh semua permukaan nyata lebih kecil
dari radiasi yang
dipancarkan oleh benda hitam pada suhu yang sama, dan dinyatakan
sebagai
Keterangan :
Q : Laju perpindahan secara radiasi (Watt)
: konstanta Stefen-Boltzmann (5,67 x 10-8 W/m2 K4)
: emisivitas
As : luas permukaan (m2)
Ts : suhu mutlak permukaan benda yang mengemisikan panas secara
radiasi. (0K)
-
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2014/2015
Dimana adalah emisivitas permukaan yang besarnya adalah diantara
0 1.
2.1.5 Konduktivitas Termal
Konduktivitas termal adalah kemampuan suatu material untuk
menghantarkan
panas.Persamaan untuk laju perpindahan panas konduksi dalam
kondisi stabil juga dapat
dilihat sebagai persamaan penentu bagi konduktivitas termal.
Sehingga konduktivitas
termal dari material dapat didefinisikan sebagai laju
perpindahan panas melalui ketebalan
unit bahan per satuan luas per perbedaan suhu. Konduktivitas
termal material adalah
ukuran kemampuan bahan untuk menghantarkan panas. Harga
tertinggi untuk
konduktivitas termal menunjukkan bahwa material adalah konduktor
panas yang baik,
dan harga terendah untuk konduktivitas termal menunjukan bahwa
material adalah bukan
pengahantar panas yang baik atau disebut isolator.
Suhu adalah ukuran energi kinetik dari partikel seperti molekul
atau atom dari
suatu zat. Pada cairan dan gas, energi kinetik dari partikel
terjadi karena gerak translasi
acak mereka serta gerakan getaran dan rotasi mereka. Ketika dua
molekul yang memiliki
energi kinetik yang berbeda berbenturan, bagian dari energi
kinetik dari molekul lebih
bertenaga ditransfer ke molekul kurang bertenaga, sama seperti
ketika dua bola elastis
dari massa yang sama dengan kecepatan yang berbeda berbenturan,
bagian dari energi
kinetik dengan bola kecepatan tinggi ditransfer ke bola yang
kecepatanya lebih lambat.
Makin tinggi suhu, semakin cepat molekul bergerak, semakin
tinggi jumlah molekul
tabrakan, dan semakin baik perpindahan panasnya.
2.1.6 Difusivitas Termal
Cp sering dijumpai dalam analisis perpindahan panas, disebut
kapasitas panas
material. Baik dari Cp panas spesifik dan kapasitas panas Cp
mewakili kemampuan
penyimpanan panas dari suatu material. Tapi Cp mengungkapkan itu
per satuan massa
sedangkan Cp mengungkapkan itu per satuan volume, dapat melihat
dari satuan
mereka masing-masing.
Sifat bahan lain yang muncul dalam analisis konduksi panas
transien adalah
difusivitas termal, yang mewakili bagaimana cepat panas
berdifusi melalui materi
dan dirumuskan dengan
(m2/s)
-
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2014/2015
Harap diingat bahwa Konduktivitas termal k merupakan seberapa
baik suatu
bahan menghantarkan panas, dan kapasitas panas Cp mewakili
berapa banyak
menyimpan sebuah energi bahan per satuan volume. Oleh karena
itu, difusivitas termal
dari material dapat dipandang sebagai rasio panas yang dilakukan
melalui bentuk material
panas yang tersimpan per satuan volume. Bahan yang memiliki
konduktivitas panas yang
tinggi atau kapasitas panas yang rendah jelas akan memiliki
difusivitas termal besar.
Semakin besar difusivitas termal, semakin cepat penyebaran panas
ke medium. Nilai
diffusivitas termal yang kecil berarti panas yang sebagian besar
diserap oleh material.
2.1.7 Resistansi Termal
Resistansi termal merupakan salah satu properti panas dan
memiliki definisi
ukuran perbedaan temperatur dari material yang tahan terhadap
aliran panas. Resistansi
termal sendiri berbanding terbalik dengan Konduktivitas termal.
Resistansi termal
memiliki satuan yaitu (m2K)/W. Aliran panas dapat dimodelkan
dengan analogi
rangkaian listrik di mana aliran panas diwakili oleh arus, suhu
diwakili oleh tegangan,
sumber panas yang diwakili oleh sumber arus konstan, resistensi
termal mutlak diwakili
oleh resistor dan kapasitansi termal dengan kapasitor.
2.1.8 Heat Exchanger
Heat exchanger adalah perangkat yang memfasilitasi pertukaran
panas antara dua
cairan pada temperatur yang berbeda, sekaligus menjaga mereka
dari pencampuran satu
sama lain. Dalam radiator mobil, misalnya , panas dipindahkan
dari air panas yang
mengalir melalui tabung radiator ke udara mengalir melalui pelat
tipis berjarak dekat
dinding luar yang melekat pada tabung . Perpindahan panas pada
Heat exchanger
biasanya melibatkan konveksi di setiap cairan dan konduksi
melalui dinding yang
memisahkan dua cairan . Dalam analisis penukar panas , akan
lebih mudah untuk bekerja
dengan koefisien perpindahan panas keseluruhan U yang menyumbang
kontribusi dari
semua efek transfer panas ini . Laju perpindahan panas antara
dua cairan pada lokasi di
penukar panas tergantung pada besarnya perbedaan suhu di bahwa
lokasi , yang bervariasi
sepanjang penukar panas . Jenis paling sederhana dari penukar
panas terdiri dari dua pipa
konsentris yang berbeda diameter , seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 3.3 , yang
disebut double pipa panas exchanger.
-
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2014/2015
Gambar 2.3 Aliran sistem heat exchanger double pipa
Sumber: Heat Transfer, Cengel (2003:21)
Salah satu cairan dalam penukar panas double- pipa mengalir
melalui pipa yang
lebih kecil, sementara cairan lainnya mengalir melalui ruang
annular antara dua pipa .
Dua jenis pengaturan aliran yang mungkin dalam double- pipa
penukar panas yaitu dalam
aliran paralel , baik cairan panas dan dingin memasuki panas
penukar pada akhir yang
sama dan bergerak ke arah yang sama. Dalam aliran counter, di
sisi lain , cairan panas
dan dingin memasuki penukar panas di seberang berakhir dan
aliran dalam arah yang
berlawanan . Tipe lain dari penukar panas , yang dirancang
khusus untuk mewujudkan
besar luas permukaan perpindahan panas per satuan volume ,
adalah penukar panas
kompak. panas Compact exchanger memungkinkan kita untuk mencapai
kecepatan
transfer panas tinggi antara dua cairan dalam volume kecil , dan
mereka biasanya
digunakan dalam aplikasi dengan keterbatasan yang ketat pada
berat dan volume penukar
panas.
Sebuah penukar panas biasanya melibatkan dua cairan mengalir
dipisahkan oleh
dinding yang padat. Panas pertama ditransfer dari fluida panas
ke dinding oleh konveksi,
melalui dinding dengan konduksi, dan dari dinding ke fluida
dingin lagi dengan konveksi.
Jaringan tahan panas yang terkait dengan proses perpindahan
panas ini melibatkan dua
konveksi dan konduksi satu resistensi.
-
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2014/2015
Gambar 2.4 perpindahan panas pada double pipa
Sumber: Heat Transfer, Cengel (2003:21)
Variabel i dan o mewakili permukaan dalam dan luar dari tabung
bagian dalam.
Untuk heat exchanger double pipa kita memiliki Ai = DiL dan A0 =
D0L dan tahanan
panas tabung dalam situasi ini adalah
Dimana k adalah konduktivitas termal dari material dinding dan L
adalah panjang
tabung. Kemudian tahan panas keseluruhan menjadi
Ai adalah luas permukaan dalam dari dinding yang memisahkan dua
cairan, dan Ao
adalah luas permukaan luar dinding. Dengan kata lain, Ai dan A0
adalah luas
permukaan dinding yang memisahkan dan dibasahi oleh cairan dalam
dan cairan luar,
masing-masing.
2.1.9 Counter-flow Heat Exchanger
Variasi suhu cairan panas dan dingin dalam heat exchanger
counter-flow
diberikan pada Gambar 3.5. Perhatikan bahwa cairan panas dan
dingin masukkan pada
ujung-ujung pipa, dan suhu keluar dingin cairan pada keadaan ini
dapat melebihi suhu
keluar panas cairan. dalam kasus ini , cairan dingin akan
dipanaskan sampai suhu inlet
dari fluida panas . Namun, suhu outlet fluida dingin tidak
pernah bisa melebihi inlet suhu
dari fluida panas karena ini akan menjadi pelanggaran hukum
kedua dari termodinamika.
Hubungan di atas untuk log berarti perbedaan suhu
dikembangkan
-
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2014/2015
menggunakan penukar panas paralel - aliran, tetapi kita dapat
menunjukkan dengan
mengulangi analisis atas untuk counter-flow penukar panas yang
juga berlaku untuk
counterflow penukar panas. Untuk inlet dan outlet suhu yang
ditentukan, log rata-rata
suhu perbedaan bagi penukar panas counter-flow selalu lebih
besar dari itu untuk
parallel-flow. Artinya, T counter-flow lebih besar dari pada T
parallel flow dan
dengan demikian lebih kecil luas permukaan yang dibutuhkan untuk
mencapai laju
perpindahan panas tertentu dalam counter-flow.
Gambar 2.5 aliran (a) parallelflow, (b) counter flow, dan grafik
temperatur in, out
Sumber : Heat Transfer, Cengel (2003:21)
2.1.10 Metode NTU
Untuk mendefinisikan effectivenes alat penukar panas, pertama
kita harus
menentukan kemungkinan laju perpindahan panas maksimum (maximum
possible heat
transfer rate), qmax pada alat penukar panas. Laju perpindahan
panas ini secara prinsip
dapat dicapai pada alat penukar panas counterflow, gambar 2.1,
dengan panjang tak
terhingga.
-
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2014/2015
Gambar 2.6 Distribusi Temperatur pada Counter Flow Heat
Exchanger
Sumber :
http://teknos78.blogspot.com/2014/03/alat-penukar-panas-heat-exchanger.html
Alat penukar panas pada kondisi ini, kemungkinan perbedaan
temperatur maksimum pada fluida adalah Th,i Tc,i. Untuk
menggambarkan hal
ini, perhatikan kondisi dimana Cc < Cn dari persamaan 2.1 dan
2.2, maka [dTc] >
[dTh].
= = (2.1)
= = (2.2)
Kemudian fluida dingin akan mengalami perubahan temperatur
yang
besar dan jika L , maka fluida dingin tersebut akan dipanaskan
mencapai
panas (Tc,o = Th,i). Berdasarkan persamaan maka akan didapat
persamaan 2.3:
Cc < Ch : qmax = Cc (Th,i-Tc,i) (2.3)
Demikian pula jika Ch < Cc fluida panas akan mengalami
perubahan
temperatur terbesar dan akan menjadi dingin pada temperature
masukan dari
fluida yang dingin ( Th,o = Tc,i). Kemudian dari persamaan 2.4
maka didapatkan
persamaan 2.5. [2]
q = h Cp h (Th i Th o) (2.4)
Ch < Cc : qmax = Ch (Th,I Tc,i) (2.5)
Dari hasil tersebut kita dapatkan kondisi umum :
-
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2014/2015
qmax = Cmin (Th i Tc i) (2.6)
Dimana Cmin sama dengan Cc atau Ch,mana yang lebih kecil.
Untuk temperatur masuk fluida panas dan dingin yang telah
diketahui, dari
persamaan 2.6 diatas dapat digunakan untuk menghitung
kemungkinan
besarnya laju perpindahan panas maksimum yang dialami oleh alat
penukar
panas.
Sekarang sangat logis untuk mendefinisikan effectivenes ()
sebagai
perbandingan antara laju perpindahan panas aktual untuk sebuah
alat penukar
panas pada kemungkinan laju perpindahan panas maksimum, dan
dinyatakan
sebagai, [2]
(2.7)
Dari persamaan 2.3, 2.5 dan 2.7 di atas didapat bahwa :
(2.8)
Dari definisi effectiveness, yang tidak berdimensi harus pada
range 0
1. Jika , , dan , diketahui, laju perpindahan panas aktual untuk
alat penukar
panas dapat ditentukan dengan persamaan :
= (, ,) (2.10)
Untuk setiap alat penukar panas itu dapat ditunjukkan bahwa
:
= (,
) (2.11)
dimana Cmin/Cmax adalah sama dengan Cc/Ch atau Ch/Cc, tergantung
pada besaran
relatif antara laju kapasitas fluida panas dan dingin. Satuan
jumlah perpindahan
NTU (Number of Thermal Unit) adalah parameter yang tidak
berdimensi yang
kegunaannya sangat luas pada analisis alat penukar pans dan
didefinisikan sebagai,
=
-
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN
Kemudian itu menyatakan laju perpindahan panas per derajat
perbedaan
temperatur rata-rata antara fluida, persamaan q = U . T terhadap
laju perpindahan
panas per derajat perubahan temperatur untuk fluida yang
mempunyai laju kapasitas
panas minimum.