FLUID CIRCUIT FRICTION EXPERIMENTAL APPARATUS
WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
BAB IIIWATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
3.1 Dasar Teori
3.1.1 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 perpindahan 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
kondusi, 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.
3.1.2 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.
Pada penjelasan berikut, dapat dilihat proses perpindahan panas
melalui dinding yang tebalnya dan luasnya , seperti pada gambar
berikut :
Gambar 3.1: Perpindahan Panas Konduksi Melalui Dinding
Sumber: Heat Transfer, Cengel. 2003:21
Perbedaan temperatur pada dinding adalah . Percobaan dapat
menghasilkan laju dari perpindahan panas melalui dinding dua kali
lipat ketika perbedaan suhu di seluruh dinding atau area normal
terhadap arah perpindahan panas dua kali lipat, tapi dibelah dua
ketika ketebalan dinding 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 adalah konduktivitas termal material, yang
merupakan ukuran kemampuan suatu material untuk menghantarkan
panas. Jika , persamaan di atas tereduksi menjadi bentuk
diferensial
Tanda negatif di dalam rumus memastikan bahwa perpindahan panas
dalam arah- positif adalah jumlah yang positif.
3.1.3 KonveksiKonveksi 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.
Laju perpindahan panas dengan cara konveksi antara suatu
permukaan dan suatu fluida dapat dihitung dengan hubungan
Dimana :
q = Laju perpindahan panas dengan cara konveksi,
As = Luas perpindahan panas, Ts = Temperarur permukaan benda
padat,
T = Temperatur fluida mengalir, h = Koefisien perpindahan panas
konveksi, 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.
Gambar 3.2 Aliran eksternal udara dan aliran internal air pada
suatu pipa/saluran
Sumber: Heat Transfer, Cengel. 2003:21
3.1.4 Radiasi Radiasi adalah energi yang dipancarkan oleh materi
dalam bentuk gelombang elektromagnetik sebagai akibat dari
perubahan konfigurasi elektronik dari atom atau molekul. Tingkat
maksimum radiasi yang dapat dipancarkan permukaan pada suhu mutlak
diberikan oleh hukum stefaan-Boltzmann yaitu
Dimana 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
Dimana adalah emisivitas permukaan yang besarnya adalah diantara
. adalah luas permukaan dan adalah temperature absolute.
3.1.5 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. Konduktivitas termal beberapa bahan umum
pada suhu kamar diberikan dalam tabel di bawah ini.
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. 3.1.6 Difusivitas Termal sering dijumpai
dalam analisis perpindahan panas, disebut kapasitas panas material.
Baik dari panas spesifik dan kapasitas panas mewakili kemampuan
penyimpanan panas dari suatu material. Tapi mengungkapkan itu per
satuan massa sedangkan 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
Harap diingat bahwa Konduktivitas termal k merupakan seberapa
baik suatu bahan menghantarkan panas, dan kapasitas panas 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.
3.1.7 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 . 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. Diagram menunjukkan rangkaian
termal setara untuk perangkat semikonduktor dengan heat sink.
3.1.8 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
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.
Gambar 3.3 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. 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.
Gambar 3.4 perpindahan panas pada double pipa
Sumber: Heat Transfer, Cengel. 2003:21
Variabel dan mewakili permukaan dalam dan luar dari tabung
bagian dalam. Untuk heat exchanger double pipa kita memiliki dan
tahanan panas tabung dalam situasi ini adalah
Dimana adalah konduktivitas termal dari material dinding dan
adalah panjang tabung. Kemudian tahan panas keseluruhan menjadi
adalah luas permukaan dalam dari dinding yang memisahkan dua
cairan, dan adalah luas permukaan luar dinding. Dengan kata lain,
dan adalah luas permukaan dinding yang memisahkan dan dibasahi oleh
cairan dalam dan cairan luar, masing-masing.
3.1.9 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 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 paralel-flow. Artinya, counter-flow
lebih besar dari pada paralelflow dan dengan demikian lebih kecil
luas permukaan yang dibutuhkan untuk mencapai laju perpindahan
panas tertentu dalam counter-flow.
(a) Parallel flow
(b) Counter flowGambar 3.5 aliran (a) parallel flow, (b) counter
flow, dan grafik temperatur in, out.
Sumber: Heat Transfer, Cengel. 2003:21
3.2 Tujuan Pengujian
1. Mempelajari formulasi dasar dari heat exchanger2. Perhitungan
keseimbangan panas pada heat exchanger
3. Pengukuran koefisien perpindahan panas berdasarkan kuantitas
aliran fluida3.3 Spesifikasi Alat Hot water sourceHeat tank with
square weir
Flow rate meter (rotameter)
: 200 liter/jamTermometer pada inlet & outlet
: 0 - 100CElectrically immersion heater
: 5 kW & 3 kW
Cold water source
Head tank with square weir
Flow rate meter (rotameter)
: 500 liter/jam
Termometer pada inlet & outlet
: 0 - 100C
Heat exchangerDouble tubes water to water heat exchanger:
Diameter 1 x Panjang 1000 mm
Katub pengatur aliran
: katub 3 arah
Controller unit
Hot water temperature control unit3.4 Cara Pengambilan Data
Air panas mengalir melalui tabung dan air dingin melalui jacket.
Eksperimen aliran paralel dan counter flow dilakukan dengan merubah
arah aliran air dingin dengan memutar katub 3 arah (A) dan (B).
Dengan mengatur debit aliran air panas dan air dingin aliran
laminar dan torbulen dapat diatur. Tabel berikut menjukkan
kombinasi eksperimen :Tabet 3.1 Kombinasi Eksperimen
Hot WaterCold WaterHot WaterCold Water
ALaminarLaminarFLaminarLaminar
BTorbulentLaminarFTorbulentLaminar
CLaminarTorbulentGLaminarTorbulent
DTorbulentTorbulentHTorbulentTorbulent
Sumber : Modul Praktikum Laboratorium Fenomena Dasar Mesin ;
20141. Set temperatur
Atur temperatur air panas pada head tank dengan TEMP. SET pada
control unit. Tunggu hingga pembacaan termometer air panas mencapai
stabil.
2. Se aliran laminar dan torbulen
Dengan mengatur katub, aturlah debit air panas dan air dingin
sesuai dengan tabel berikut :
Tabel 3.2 Debit
LAMINARTORBULENT
Flow Rate Meter (Hot Water) 30 l / h 100 l / h
Flow Rate Meter (Cold Water) 150 l / h 500 l / h
Sumber : Modul Praktikum Laboratorium Fenomena Dasar Mesin ;
20143. PengukuranUkurlah nilai T1, T2, t1, t2, W dan w dan tulis
data dalam lembar pengambilan data yang telah disediakan.
4. Perhitungana. Hitung nilai tm
b. Hitung nilai ( T2 + T1 ) / 2 kemudian tentukan nilai
vsikositas kinematic vh pada tabel properti air.
c. Hitung nilai qw dan Qw
d. Hitung nilai ( t2 + t1 ) / 2 kemudian tentukan nilai
vsikositas kinematic vl pada tabel properti air.
e. Hitung nilai Rew air panas dan air dinginf. Hitung nilai
efisiensi
g. Hitung nilai ULABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN