Perpindahan Kalor

PERPINDAHAN KALOR

1. Tujuan Percobaan

Sistem melaksanakan percobaan ini diharapkan mahasiswa dapat :

Mengetahui fenomena perpindahan kalor terutama jenis konduksi dan konveksi

Menghitung koefisien perpindahan kalor dan efisiensi kerja peralatan penukar kalor di

laboratorium OTK Politeknik Negeri Sriwijaya

Melakukan praktek dengan aman

2. Dasar Teori

Dalam membicarakan pertukaran kalor pada alat penukar kalor diperlukan pengertian

dasar perpindahan kalor yang mendasar berkerjanya alat penukar kalor yang mendasar pada

kerja praktek (penerapan) dari alat penukar kalor. Perpindahan kalor dapat berlangsung

berdasarkan pada 3 macam dasar, dalam berbagai kejadian sebagai berikut:

1. Perpindahan kalor secara rambatan (konduksi) dimana perpindahan kalor secara

rambatan kebanyakan terjadi pada benda padat, di dalam benda padat itu sendiri

(satu titik dalam benda padat yang bersinggungan permanen).

2. Perpindahan kalor secara pancaran (konveksi) dimana kalor berpindah dari satu

posisi ke posisi lainnya didalam fluida secara memancar yang biasanya disertai

dengan adanya perpindahan massa (disebabkan adanya difusi ataupun arus Eddy).

Pancaran lebih sering terjadi pada media fluida cair.

3. Perpindahan kalor secara radiasi dimana kalor berpindah dari sumber kalor menuju

suatu benda secara pancaran melalui gelombang elektro magnetik tertentu tanpa

memerlukan media perantara (fluida atau padat)

Keberlangsungan ketiga proses perpindahan kalor di atas dapat terjadi pada waktu yang

bersamaan yang amat ditentukan oleh proses yang terjadi saat perpindahan kalor.

Perpindahan Kalor Secara Konduksi (Rambatan)

Dasar perpindahan kalor secara konduksi ini adalah hukum FOURIER :

dQdt

=−kAdTdx

pers 1

Dimana :

Dq/dt = jumlah kalor dipindahkan persatuan waktu

k = konstanta perpindahan kalor material/bahan

A = luas penampaang kontak perpindahan

-dT/dx = kecepatan perubahan temperatur yang tergantung dari jarak dalam/luar benda padat

Dalam keadaan steady, maka harga dQ/dt dari persamaan 1 tetap sehingga dapat

diganti dengan q, sehingga persamaan tersebut dapat disederhanakan menjadi:

Q=kAavg (t 2−t 1)

(x2−x1)pers 2

Dimana :

A adalah luas permukaan yang berlangsungnya perpindahan kalor rata-rata (avg) dan (t2-t1)

merupakan daya penggerak untuk terjadinya perpindahan kalor antara dua batas perpindahan,

(x2-x1) adalah jarak perpindahan. Sebagai penghambat berlangsungnya perpindahan dapat

dirumuskan sebagai berikut :

R = X/ (Ka) pers 3

Dimana :

R adalah tahanan/ rambatan terhadap berlangsungnya perpindahan kalor.

PERPINDAHAN KALOR PADA LEMPENGAN BERLAPIS PARALEL

Bila ada tiga padatan yang tersusun secara paralel maka perpindahan kalor persatuan

waktu (q) ditentukan oleh karakteristik dari ketiga padatan tersebut, maka :

Q = (1/R1 + 1/R2 + 1/R3) pers 4

Perpindahan Kalor Secara Konveksi

Perpindahan kalor yang terjadi antara dua fluida (cair dan gas) pada umumnya disertai

dengan perpindahan massa, baik pada konveksi alamiah ataupun konveksi paksa.

Perpindahan kalor yang terjadi antara dua fluida yang dipisahkan oleh lempengan

dengan ketebalan dan pengaruh kotoran/ kerak. Pada gambar tersaji perpindahan kalor dari

fluida 1 dengan temperatur rata-rata fluida t1 melalui lempengan sebagai pemisah antara fluida

1 dan aliran pada fluida 2 t2 temperatur fluida 2 tebal dinding pemisah antara kedua fluida.

Persamaan neraca energi tiga dimensi yang berlangsung dapat ditulis sebagai berikut :

Cp (T/t + T/x + T/y + wT/z) = (kT2/x2 + t2/y2 + T2/z2) + Q2 + ϕ pers 5

Dimana :

Φ adalah kalor hilang yang dipengaruhi oleh viskositas fluida. Q2 adalah kalor yang diserap

oleh media/ regent. Pada proses perpindahan energi antara dua fluida seperti gambar diatas,

ada pengaruh yang terjadi diperbatasan antara kedua fluida tersebut dengan lempengan

pemisah.

Dengan adanya penyempurna/ penurunan berbagai persamaan, untuk perpindahan kalor

secara konveksi dapat disajikan oleh persamaan :

Dq = hi x dAi (t1-t3) pers 6

Dq = h0 x Da0 (t5-t7) pers 7

Koefisien Perpindahan Kalor Keseluruhan

Dalam pengujian alat penukar kalor tidak dilakukan pengukuran temperatur antara

kedua fluida dengan permukaan lempengab, sehingga koefisien perpindahan kalor yang

digunakan dalam perhitungan kebutuhan luas permukaan perpindahan digunakan koefisien

perpindahan kalor keseluruhan U, sehingga persamaan yang digunakan berdasarkan pada

perbedaan temperatur rata-rata antara kedua fluida yang mengalami penukaran kalor.

Q = UA (t1-t7) pers 8

Dimana :

Q = jumlah kalor yang berpindah persatuan waktu

U = koefisien perpindahan kalor keseluruhan

(t1-t7) = selisih temperatur atau aliran rata-rata

A = luas permukaan kontak perpindahan kalor

Pada proses perpindahan kalor secara konveksi dapat terjadi berbagai jenis konveksi,

dari konveksi alamiah yang berdasarkan perbedaan density fluida, konveksi paksa laminier

dan konveksi paksa turbulen dan lain-lain. Atau konveksi yang tergantung pada fluida yang

terlibat. Penggambaran dari berbagai macam faktor tersebut dapat disajikan melalui

persamaan sebagai berikut :

NNU = φ x NRe x NPr x Ngr pers 9

Dimana :

NNU = bilangan nusselt = hD/k

NRe = bilangan reynold = DG/μ

NPr = bilangan grassof = D3ρ2gβAT/μ2

Ngr = bilangan ptandalt = cμ/k

Bilangan Russelt merupakan fungsi dari bilangan Prandalt dan bilangan Grassof

Penukar Kalor Lempeng

Penukar panas yang terjadi pada alat penukar panas lempeng didasarkan pada

permukaan datar/ lempengan, dimana lempengan tersusun sedemikian rupa sehingga luas

permukaan pertukaran panas yang diperlukan. Penukar kalor lempengan terdapat dalam

beberapa bentuk dasar :

a. Penukar kalor lempeng dimana susunan dari lempengan dinamakan PLATE FRAME

HEAT EXCHANGER

b. Spiral plate exchanger, yang terdiri dari lempengan bersirip biasa digunakan untuk

pesawat (1950) atau untuk proses penukaran kalor pada temperatur yang cukup rendah

(-100-2000)

c. Plate and fin tube surface

d. Graphiter block exchanger

Masing-masing alat penukar kalor mempunyai kelebihan dan kekurangan karena

disesuaikan dengan kebutuhannya. Plate HE terdiri dari lempengan standar sebagai

permukaan berlangsungnya perpindahan dan rangka penyangga dimana susunan lempeng

tersebut. Penurunan tekanan antara penukar kalr relative kecil, permukaan plate HE berlubang

untuk memberikan efek turbulensi terhadap aliran-aliran dalam penukar kalor dapat

berlawanan arah dan searah.

Antara kedua lempeng plate HE terdapat gasket sebagai penyekat dan juga menyediakan

ruang yang menyerupai pada flate dan frame filter press. Untuk perhitungan jumlah kalor

yang dipertukarkan didalam alat menggunakan :

Q = (UA/Tm) pers 10

Dimana :

U = koefisien panas keseluruhan = hi + 2k/2. 3D

hi = koefisien perpindahan panas lempeng logam

k = konduktivitas termal

D = diameter aliran fluida

Tm = perpindahan arah temperatur logaritmik rata-rata (TLMTD)

TLMTD = aliran searah

Keterangan :

T = temperatur fluida dingin

t = temperatur fluida panas t1 t2

1 = masuk T1 T2

2 = keluar

Dimana :

ϕ1 = t1 – T1 t1 t2

ϕ2 = t2 – T2 T2 T1

TLMTD untuk aliran berlawanan arah :

∅ 1−∅ 2

ln∅1−∅2

Keterangan :

T = temperatur fluida dingin

t = temperatur fluida panas

1 = panas

2 = dingin

Dimana:

∅ 1=t 1−T1

∅ 2=t 2−T 2

Data spesifikasi peralatan penukar kalor Lab. OTK Jurusan Teknik Kimia Politeknik

Negeri Sriwijaya :

Tipe = Penukar Panas Lempeng

Bahan = Baja 50%

Zinc 50%

Luas Permukaan Kontak = ± 1,00

Diameter aliran fluida = ± 3,8

Temp. Operasi max = 100oC

PERHITUNGAN KALOR

Kalor yang dilepas fluida pemanas Q0

Q0=M 0 Cp0 ∆ T pers 11

Dimana :

M0 = Laju massa fluida panas (kg/jam)

Cp0= Kalor spesifikasi panas pada temperatur masuk (J/kgoK)

∆T = Perbedaan temperatur fluida panas keluar masuk (oK)

Kalor yang dilepa fluida dingin Q1

Q1=M 1Cp1∆ T pers 12

Dimana :

M1 = Laju massa fluida dingin (kg/jam)

Cp0= Kalor spesifikasi dingin pada temperatur masuk (J/kgoK)

∆T = Perbedaan temperatur fluida panas keluar masuk (oK)

Teori Tambahan

Plate Heat Exchanger

Fungsi dan cara kerja:

Plate Heat Exchanger (PHE) berfungsi sebagai sistem pemanas atau pendingin dari suatu

sistem produksi. Meskipun terdapat beberapa sistem lain, tetapi dari pengalaman dilapangan dapat

disimpulkan bahwa PHE memiliki kinerja yang baik dan sulit untuk ditandingi sistem yang lain, salah

satu contoh nyata, pada industri permen sistem PHE digunakan sebagai pemanas permen (hard candy)

yang akan dicetak, dengan digunakannya sistem PHE, maka permen yang dihasilkan jauh lebih bening

dibandingkan dengan menggunakan sistem pemanas yang lainnya. Sesuai dengan bidang usaha

(rubber products), pembahasan singkat ini berfokus pada PHE Gasket (Seal PHE). Dari semua

komponen yang ada pada sistem PHE, PHE Gasket merupakan komponen yang paling sering diganti,

karena setiap pembongkaran PHE sebagian besar PHE Gasket sudah tidak dapat digunakan lagi krn

mengalami deformasi bentuk (gepeng).

PHE yang banyak dijumpai di industri dapat dikelompokan menjadi menjadi dua jenis:

Glue Type. Tipe glue ini memerlukan lem untuk memasang Gasket pada plat PHE. lem yang

digunakan hendaknya ialah lem yang mempunyai ketahanan terhadap panas yang baik.

Jika persamaan diatas dibandingkan dengan persamaan sebelumnya terlihat bahwa beda

suhu rata-rata merupakan pengelompokan suku-suku dalam kurung, Jadi,

ΔT m=(T h2−T c2 )−(Th 1−Tc 1)

ln [ (T h 2−T c2 )/(T h 1−T c1 ) ]

Beda suhu ini disebut beda suhu rata-rata log (log mean temperature difference = LMTD).

Dengan kata lain, LMTD ialah beda-suhu pada satu ujung penukar-kalor dikurangi beda-suhu

pada ujung yang satu lagi dibagi dengan logaritma alamiah dari perbandingan kedua beda

suhu tersebut.

Penurunan persamaan LMTD tersebut didasarkan atas dua asumsi :

(1) Kalor spesifik fluida tidak berubah menurut suhu

(2) Koefisien perpindahan-kalor konveksi tetap, untuk seluruh penukar-kalor.

Jika suatu penukar-kalor yang bukan jenis pipa-ganda digunakan, perpindahan-kalor

dihitung dengan menerapkan faktor koreksi terhadap LMTD untuk susunan pipa-ganda aliran

lawan-arah dengan suhu fluida-panas dan fluida dingin yang sama. Bentuk persamaan

perpindahan-kalor menjadi:

Metode NTU Efektivitas

Dalam analisis penukar-kalor, pendekatan dengan metode LMTD berguna apabila suhu

masuk dan suhu keluar fluida diketahui atau dapat ditentukan dengan mudah sehingga LMTD,

luas permukaan dan koefisien perpindahan kalor dapat dengan mudah ditentukan. Namun,

apabila kita harus menentukan terlebih dahulu suhu masuk dan suhu keluar fluida maka

analisis lebih mudah dilakukan dengan metode yang berdasarkan efektivitas penukar kalor

dalam memindahkan jumlah kalor tertentu atau disebut juga metode NTU (Number of

Transfer Unit). Metode NTU dikhususkan untuk menghitung perpindahan secara counter

currentHeat Exchanger sendiri adalah alat/perangkat yang energinya ditransfer dari satu

fluida menuju fluida lainnya melewati permukaan padat.

Metode NTU ini dijalankan/dikerjakan dengan menghitung laju kapasitas panas

(contohnya laju alir dikalikan dengan panas spesifik) Ch dan Cc berturut-turut untuk fluida

panas dan dingin. Dalam kasus dimana hanya ada temperatur awal untuk fluida panas dan cair

yang diketahui, LMTD tidak dapat dihitung sebelumnya dan aplikasi/penerapan metode

LMTD memerlukan pendekatan secara iterasi. Pendekatan yang dianjurkan adalah metode

keefektifan atau -NTU. Keefektifan dari Heat Exchanger, , didefinisikan dengan :

ε= qqmax

dimana : q adalah nilai laju sebenarnya dari perpindahan panas dari fluida panas menuju

fluida dingin, dan qmax merepresentasikan laju maksimum yang mungkin dari perpindahan

panas, yang diberikan dengan hubungan :

q=Cmin (T h, i−T c , i )dimana Cmin adalah laju kapasitas dari dua panas yang terkecil. Dengan demikian laju

perpindahan panas sebenarnya diekspresikan sebagai :

q=εCmin (Th , i−T c ,i )dan dihitung, memberikan keefektifan heat exchanger, , laju alir massa, dan panas spesifik

dua fluida dan temperatur awal.

Untuk geometris aliran, , dapat dihitung menggunakan korelasi dengan istilah “rasio

kapasitas panas” :

CT=Cmin

Cmax

dan Bilangan Satuan Perpindahan, NTU :

NTU= UACmin

dimana U merupakan koefisien perpindahan panas keseluruhan dan A adalah area

perpindahan panas.

4. Langkah Percobaan

Praktikum 1

a. Hidupkan pompa pada alat penukar kalor jenis plat, lalu atur laju alirnya dimulai dari

100 liter/jam hingga 500 liter/jam.

b. Lakukan kalibrasi pada alat heat exchanger dengan mengukur waktu yang diperlukan

untuk menampung air dengan volume 100 ml di dalam gelas kimia.

c. Lakukan langkah b untuk setiap laju alir yang berbeda.

d. Catat waktu yang diperlukan.

Praktikum 2

a. Hidupkan pompa pada alat penukar kalor jenis plat, lalu atur laju alirnya dimulai dari

300 liter/jam.

b. Diatur set point pada temperature 50oC

c. Tunggu hingga temperatur aliran masuk mencapai suhu 50oC

d. Ukur temperature masuk dan keluar air panas serta air dingin.

e. Ukur temperature plat pada sisi panas dan dingin menggunakan termokopel

f. Catat data temperature yang diperoleh

5. Data Percobaan

Praktikum 1

Kalibrasi alat penukar kalor / heat exchanger jenis plat

Flow (liter/jam) Volume (L) Waktu (t) ∆T Flow (liter/jam)

100 1 34,24 35,00 33,62 107,52

200 1 10,20 10,90 10,55 341,29

300 1 11,49 11,30 11,395 416,66

400 1 8,57 8,96 8,765 411,52

500 1 7,19 6,67 6,93 519,48

Praktikum 2

FlowAir Dingin

FlowAir Panas

T Air Panas T Air Dingin

IN OUT IN OUT

300 liter/jam 300 liter/jam 44°C 38°C 28°C 38°C

6. Perhitungan

Diketahui :

K (122oF) = 0,373 Btu/hr.ft2.oF/ft

A = 1,00m2

0,0929 m2 x ft2=10,76 ft2

ΔT = Tin air panas – T out air dingin

= 44oC – 38 oC

= 6 oC

= 42,8 oF

X = 7,6 ft

Penyelesaian :

Q = K A ΔTX

=0,373

Btuhr

. ft2 .Fft

10,76 ft 2.42,8 F

7,6 ft = 22,60 Btu/hr

7. Analisa Percobaan

Dari percobaan ini dapat dianalisa bahwa untuk memindahkan kalor pada suatu

operasi maka dibutuhkan alat penukar kalor atau alat heat exchanger. Pada percobaan ini, alat

HE menggunakan tipe plat dengan jenis konduksi yaitu perpindahan kalor secara rambatan

yang kebanyakan terjadi pada benda padat, didalam benda padat itu sendiri ataupun antara

dua benda padat yang bersinggungan permanen. Pada minggu pertama, heat exchanger

dilakukan kalibrasi terlebih dahulu. Ketika proses kalibrasi laju air panas dan laju air

dinginnya divariasikan sebanyak 5 kali, menggunakan rentang 100 liter/jam – 500 liter/jam

dengan volume 1 liter. Pada percobaan ini, waktu yang dibutuhkan untuk mencapai volume 1

liter tergantung pada laju alirnya, semakin besar laju alir fluida maka waktu yang dibutuhkan

untuk mencapai volume 1 liter semakin cepat, begitu juga sebaliknya. Akan tetapi, laju alir

yang terukur berdasarkan perhitungan tidak begitu mendekati laju alir yang sebenarnya, hal

ini dikarenakan adanya sedikit gangguan pada aliran saat percobaan dilakukan.

Pada minggu ke-2, ditentukan temperatur masuk dan keluar air panas serta air dingin

dengan satu kali percobaan menggunakan laju alir 300 liter/jam baik laju alir air panas

maupun laju alir air dingin sehingga dari data yang diperoleh dapat dihitung selisih temperatur

dan nilai kalor pada HE. Temperature air panas masuk lebih tinggi daripada temperatur air

keluar Sedangkan pada temperatur air dingin yang masuk lebih rendah daripada temperatur

keluar. Karena tipe alat HE menggunakan tipe pelat, sehingga aliran air panas dan dingin

melewati pelat-pelat yang terdapat di dalam HE dengan aliran air panas dari atas dan air

dingin dari bawah atau aliran secara berlawanan .

8. Kesimpulan

Dari praktikum yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa :

Untuk menukar kalor pada sistem operasi dibutuhkan alat heat exchanger

waktu yang dibutuhkan untuk mencapai volume 1 liter tergantung pada laju alirnya,

semakin besar laju alir fluida maka waktu yang dibutuhkan untuk mencapai volume 1

liter semakin cepat, begitu juga sebaliknya

Jenis aliran yang digunakan adalah berlawanan arah, yaitu air panas dari atas dan air

dingin dari bawah.

Alat HE yang digunakan merupakan tipe plat jenis konduksi. Kalor yang dihasilkan

dari alat HE ini adalah 22,60 Btu/hr

DAFTAR PUSTAKA

Jobsheet ” Praktikum Analisis Sistem Termal” Politeknik Negeri Sriwijaya. 2013

LAMPIRAN GAMBAR

Alat Penukar Kalor / HE jenis plat Gelas Kimia

Stopwatch Termokopel