1
PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS
DENGAN METODE EFEKTIVITAS-NTU
SKRIPSI
Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh:
LIYUN ARUN HUTAGALUNG
NIM. 130401069
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2018
Universitas Sumatera Utara
2
Universitas Sumatera Utara
3
Universitas Sumatera Utara
4
Universitas Sumatera Utara
5
Universitas Sumatera Utara
6
Universitas Sumatera Utara
7
Universitas Sumatera Utara
8
Universitas Sumatera Utara
9
Universitas Sumatera Utara
10
Universitas Sumatera Utara
11
ABSTRAK
Alat penukar kalor merupakan (heat exchanger ) merupakan alat
penukaran dengan tiga tabung pipa konsentrik dengan aliran searah yang
digunakan menurunkan fluida panas ke fluida dingin menggunakan fluida air
dingin. Penelitian dilakukan tiga pipa yang mengalir searah dengan 3 variasi pada
pipa suhu fluida air panas Th dengan suhu 50oC, 55
oC dan 60
oC dengan suhu
fluida air dingin Tc dengan suhu 25oC dan penelitian ini menggunakan laju aliran
0,000025m3/s , 0,000033 m
3/s dan 0,000041m
3/s
Hasil penelitian ini menunjukkan kesetimbangan perturunan suhu yang
diperoleh dari hasil eksperimental efektivitas pada aliran searah pipa saluran satu
sebesar , pada efektivitas pipa saluran kedua sebesar
dan pada efektivitas pipa saluran ketiga sebesar maka diperoleh
pada penelitian data ke-3 dengan debit 0,000025m3/s dan efektivitas pada aliran
berlawanan pipa saluran satu sebesar , pada efektivitas pipa saluran
kedua sebesar dan pada efektivitas pipa saluran ketiga sebesar
maka diperoleh pada data ke-7 dengan debit 0,000041m3/s
Kata Kunci: Alat Penukar kalor, Double Concentric pipe, Triple Concentric
pipe
Universitas Sumatera Utara
12
ABSTRACK
Heat exchanger is an exchange device with three concentric pipe tubes
with direct flow used to reduce hot fluida to cold fluida using cold water fluida.the
research was carried out triple pipes that flowed in the same direction with 3
variationsin the temperature pipe of the hot water fluida th with a temlerature of
50oC, 55
oC and 60
oC with temperature of cold water fluida tc 25
oC and this study
used a flow rate of 0,000025 m3/s = 0,000033 m
3/s and 0,000041 m
3/s.
The results of this study showed that the equilibrium temperature obtained
from the experimental results of the effectiveness of the one-way pipeline flow
was ε1 = 32,99% the effectiveness of thr second channel pipe of ε2 = 66,48 % and
ont the effectiveness of the third channel pipe of ε3 = 33,57% 3rd data with a
debut of 0,000025 m3/s and the effectiveness of the opposite flow the channel one
pipe is ε1 = 55,16% on the effectiveness of the second channel pipe of ε2 = 66,48%
and on the effectiveness of the third channel pipe of ε3 = 60,59% it is obtained in
the with to 7 with a debit of 0,000041 m3/s
Keyword: Heat exchanger, Double Concentric pipe, Triple Concentric pipe
Universitas Sumatera Utara
i
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT atas karunia-Nya
sehingga penulis bisa menyelesaikan skripsi sebagai syarat kelulusan tingkat
Strara Satu di Dapatermen Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Sumatera
Utara.
Skripsi ini berjudul “PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS
DENGAN METODE EFEKTIVITAS-NTU”. Dalam menyelesaikan skripsi ini
banyak hal yang dihadapi baik teknik menulisan dan non teknis. Penulisan telah
berupaya dengan keras untuk menyelesaikan skripsi ini dan penyajian, baik
dengan disiplin ilmu yang peroleh, serta bimbingan dan arahan dari Dosen
Pembimbing
Pada kesempatan ini penulis juga mengucapkan terima kasih yang sebesar-
besarnya kepada orang-orang yang telah memberikan bantuan dan bimbingannya
sehingga skripsi ini dapat diselesaikan yaitu kepada:
1. Bapak Drs. A. Zulkifli Lubis. M.sc selaku dosen pembimbing yang
dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan, dukungan dan
motivasi kepada penulis.
2. Bapak Dr. Ir. Muhammad Sabri, M.T, dan Bapak Terang UHSG,
ST. MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas
Teknik Universitas Sumatera Utara.
3. Kedua orang tua penulis, Ayahanda Sappetua Hutagalung, dan
Ibunda Rosia Br Pane serta Abaganda Pertama Ferdinan Hadi Irawan
Hutagalung,Abanganda Kedua Mardi Brata Hutagalung, Abanganda
Ketiga Randi Suherman Hutagalung dan Adikanda KelimaJunaedi Ahmad
Jafar Hutagalung, Adikanda Keenam Ayu Laila Br Hutagalung dan
seluruh keluarga penulis, yang tidak pernah putus – putusnya memberikan
dukungan, doa, dan kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.
4. Rekan-rekan satu tim skripsi pipa tripel consentris yaitu Rinaldy
Valendry dan M.Rinkanto yang telah bersama-sama berjuang untuk
menyelesaikan skripsi dan saling bertukar pikiran selama proses
penyusunan skripsi ini.
Universitas Sumatera Utara
ii
5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik
Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis
selama penulis kuliah.
6. Seluruh rekan mahasiswa angkatan 2013 serta semua rekan
mahasiswa Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat
kepada penulis.
7. Pihak-pihak lain yang penulis tidak dapat disebutkan satu-persatu
yang telah memberikan bantuan, dukungan, dan doa dalam menyelesaikan
skripsi ini.
Semoga Allah SWT melimpahkan karunia-Nya kepada semua pihak yang
telah banyak membantu. Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari
sempurna. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang
hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan
yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi
manfaat kepada pembaca, Terima kasih.
Medan, 19 Juli
2018
Hormat Saya,
LIYUN ARUN
HUTAGALUNG
NIM. 130401069
Universitas Sumatera Utara
iii
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR .......................................................................................... i
ABSTRAK .......................................................................................................... iii
DAFTAR ISI ........................................................................................................ v
DAFTAR TABEL.............................................................................................. vii
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................ viii
DAFTAR NOTASI .............................................................................................. x
BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang ................................................................................... 1
1.2 Tujuan Perancangan ........................................................................... 2
1.3 Batasan Masalah................................................................................. 2
1.4 Metodologi Penulisan......................................................................... 3
1.5 Sistematika Penulisan......................................................................... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................... 5
2.1 Prinsip Perpindahan Kalor ................................................................. 5
2.1.1 Perpindahan Panas Konduksi (Hantaran)..................................... 6
2.1.2 Perpindahan Panas secara Konveksi (aliran) ............................... 9
2.1.3 Perpindahan Panas Secara Radiasi ............................................. 10
2.2 Alat Penukar Kalor ........................................................................... 12
2.2.1 Klarifikasi Alat Penukar Kalor.................................................... 14
2.3 Klarifikasi sistem Alat Penukar Kalor…..........................................16
2.3.1 Mesin Refregrasi ( Chiller)..........................................................17
2.3.2 Kondensor ..................................................................................17
2.3.3 Mesin Pendingin (Cooler)..........................................................18
2.3.4 Evaporator ( Pipa Penguap).......................................................18
2.4 Bilangan Reynold Number ............................................................... 19
2.5 Isolasi Panas ..................................................................................... 24
2.6 Efektivitas Penukar Kalor dengan Metode ε-NTU(Efektivitas -
Number Of Tranfer Unit ) ................................................................ 26
2.7 Analisa Penukar Kalor Aliran yang Searah dan Berlawanan............29
Universitas Sumatera Utara
iv
2.7.1 Penukar Panas Aliran searah....................................................29
2.7.2 Penukar Panas Aliran berlawanan............................................33
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ....................................................... 37
3.1 Desain Penelitian ............................................................................. 37
3.2 Lokasih Penelitian ........................................................................... 37
3.3 Waktu Penelitian .............................................................................. 37
3.4 Alat dan Bahan ................................................................................. 37
3.4.1 Alat ............................................................................................. 37
3.4.2 Bahan .......................................................................................... 42
3.5 Metode Pengambilan Data ............................................................... 43
3.5.1 Skema Pengujian Aliran Alat Penukar Kalor searah .................. 43
BAB IV Hasil dan Analisa Data Penelitian .................................................... 47
4.1 Analisa perhitungan data Eksperimen.............................................. 47
4.4.1 Analisa laju aliran massa ............................................................. 47
4.4.2 Bilangan Reynold......................................................................... 48
4.4.3 Menentukan laju kapasitas aliran ................................................. 51
4.4.4 Mencari nilai Efektivitas .............................................................. 53
4.4.5 Data Eksperimen pada aliran searah ............................................ 53
4.2 Analisa perhitungan data Eksperimen.............................................. 47
4.4.2 Analisa laju aliran massa ............................................................. 47
4.4.2 Bilangan Reynold......................................................................... 48
4.4.3 Menentukan laju kapasitas aliran ................................................. 51
4.4.4 Mencari nilai Efektivitas .............................................................. 53
4.4.5 Data Eksperimen pada aliran berlawanan ........................................
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................ 53
5.1 Kesimpulan ...................................................................................... 53
5.2 Saran ................................................................................................ 53
REFERENSI ...................................................................................................... xii
LAMPIRAN ...................................................................................................... xiii
Universitas Sumatera Utara
v
DAFTAR TABEL
TABEL 2.1 Tabel nilai kondutivitas termal untuk berbagai material ................... 8
TABEL 2.2 Konduktivitas Termal Bahan Isolasi ............................................... 26
TABEL 4.1Variasi Suhu dan Laju Aliran ........................................................... 47
TABEL 4.2 Variabel Pengumpulan Data............................................................ 47
TABEL 4.3 Massa jenis fluida ........................................................................... 48
TABEL 4.4 bilangan reynold .............................................................................. 49
TABEL 4.5 Diameter Dalam dan Diameter Luar Pipa........................................50
TABEL 4.6 Incopera diperoleh sifat-sifat fluida cair...........................................51
TABEL 4.7 Data efektivitas aliran searah............................................................53
TABEL 4.8 Perbandingan efektivitas aliran searah ............................................56
TABEL 4.9 Variasi Suhu dan Laju Aliran ......................................................... 57
TABEL 4.10 Variabel Pengumpulan Data.......................................................... 57
TABEL 4.11 Massa jenis fluida ............................................................. ............58
TABEL 4.12 bilangan reynold ............................................................................ 59
TABEL 4.13 Diameter Dalam dan Diameter Luar Pipa......................................59
TABEL 4.14 Incopera diperoleh sifat-sifat fluida cair.........................................61
TABEL 4.15 Data efektivitas aliran searah..........................................................63
TABEL 4.16 Perbandingan Efektivitas aliran searah...........................................65
TABEL 4.16 Perbandingan efektivitas aliran searah dan berlawanan.................66
Universitas Sumatera Utara
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Perpindahan panas konduksi pada dinding ....................................... 7
Gambar 2.2 Perpindahan panas secara konveksi ................................................ 10
Gambar 2.3 Perpindahan panas secara radiasi .................................................... 11
Gambar 2.4 Counter Current Flow...................................................................... 15
Gambar 2.5 Skematik aliran berlawanan ............................................................ 15
Gambar 2.6 Skematik aliran searah .................................................................... 15
Gambar 2.7 Skema aliran dua searah pararel flow ............................................ 16
Gambar 2.8 Mesin Refrigrasi pendingin air ........................................................ 17
Gambar 2.9 Kondensor ....................................................................................... 18
Gambar 2.10 Mesin Pendingin (cooler) .............................................................. 18
Gambar 2.11 Evaporator ( Pipa Penguap ) ......................................................... 19
Gambar 2.12 Kecepatan Aliran Fluida................................................................ 20
Gambar 2.13 Proses Fully developed turbulent velocity .................................... 21
Gambar 2.14 Perbedaaan antara aliran laminar, transisi, dan turbulen ............... 22
Gambar 2.15 Diagram Moldy .............................................................................. 24
Gambar 2.16 efektivitas untuk aliran sejajar (Pararel Flow) ............................. 28
Gambar 2.17 model matematika Counter flow ................................................... 29
Gambar 2.18 Aliran Berlawanan......................................................................... 33
Gambar 3.1 Termometer ..................................................................................... 38
Gambar 3.2 Termokapel...................................................................................... 38
Gambar 3.3 cole-parmer...................................................................................... 39
Universitas Sumatera Utara
vii
Gambar 3.4 Flowmeter........................................................................................ 40
Gambar 3.5 Alat Pemanas (water heater) ........................................................... 40
Gambar 3.6 Pompa Fluida................................................................................... 41
Gambar 3.7 Tiga lapis tabung konsentris ............................................................ 41
Gambar 3.8 APK tipe tiga saluran pipa konsentrik............................................. 42
Gambar 3.9 Skema alat pengujian APK dengan konfigurasi aliarn searah
(pararel flow)....................................................................................43
Gambar 3.10 Skema alat pengujian APK dengan konfigurasi aliarn berlawanan
(counter flow)....................................................................................43
Gambar 3.11 Set Up Eksperimen aliran searah (Pararel flow) ..........................44
Gambar 3.11 Set Up Eksperimen aliarn berlawanan (counter flow)...................45
Gambar 3.12 Diagram Alir Pengumpulan data pengujian...................................46
Gambar 4.1 Grafik Perbandingan Efektivitas ...........................54
Gambar 4.2 Grafik Perbandingan Efektivitas aliran searah ............................ 55
Gambar 4.3 Grafik Perbandingan Efektivitas aliran searah ............................ 55
Gambar 4.4 Grafik Perbandingan efektivitas ε1, ε2 dan ε3 aliran searah..............56
Gambar 4.5 Grafik Perbandingan Efektivitas aliran berlawanan.............,,,.....64
Gambar 4.6 Grafik Perbandingan Efektivitas aliran berlawanan .................. .64
Gambar 4.7 Grafik Perbandingan Efektivitas aliran berlawanan ................... 65
Gambar 4.8 Grafik Perbandingan efektivitas ε1, ε2 dan ε3 aliran berlawanan.....66
Gambar 4.9 Grafik Perbandingan efektivitas aliran searah dan aliran
Berlawanan ...................................................................................... 67
Universitas Sumatera Utara
viii
DAFTAR NOTASI
SIMBOL KETERANGAN SATUAN
A Luas Penampang m²
∆T Perbedaan Temperatur ºC
Fluks Panas W/m²
Viskositas Dinamis N.s/m²
ρ Massa Jenis kg/m³
Panas Jenis Fluida J/kg.K
V Kecepatan Fluida m/s
h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi W/m².K
Area Permukaan Perpindahan Panas m²
Temperatur Permukaan Benda ºC
` Temperatur Lingkungan Sekitar Benda ºC
Konstanta Stefan-Boltzmann W/m². K
ṁ Laju Aliran Massa Fluida kg/s
Re Bilangan Reynold
Di Diameter Pipa m
Diameter Hidrolik m
P Keliling Penampang pipa m
Nu Bilangan Nusselt
Pr Bilangan Prandlt
Diameter Luar Tabung m
Diameter Dalam Tabung m
Nui Bilangan Nusselt Tabung Bagian Dalam
N Bilangan NTU
Universitas Sumatera Utara
ix
Nuo Bilangan Nusselt Tabung Bagian Luar
L Panjang Tabung m
R Tahanan Termal m². ºC/W
Luas Area Permukaan Dalam APK m²
Luas Area Permukaan Luar APK m²
U Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh W/m² ºC
Q Laju Perpindahan Panas W
Laju Aliran Massa Fluida Dingin kg/s
Laju Aliran Massa Fluida Panas kg/s
Panas Jenis Fluida Dingin J/kg.K
Panas Jenis Fluida Panas J/kg.K
Suhu Fluida Panas ºC
Suhu Fluida Dingin ºC
Temperatur Fluida Panas Masuk ºC
Temperatur Fluida Panas Keluar ºC
Temperatur Fluida Dingin Masuk ºC
Temperatur Fluida Dingin Keluar ºC
Beda Suhu Rata-rata Logaritma ºC
ΔTRL Beda temperatur rata-rata ºC
Universitas Sumatera Utara
1
BAB I
PENDAHULUAN
1. Latar Belakang
Alat penukar panas digunakan untuk memindahkan panas dari satu cairan
ke cairan lainnya. Komponen dasar alat penukar panas dapat diamati sebagai
tabung dengansatu cairan yang mengalir melalui tabung tersebut. Konteks
sederhana dari alat penukar kalor adalah yang satu fluida panas dan satu fluida
dingin bergerak dalam searah yang sama dalam konstruksi tabung konsentris
secara pararel aliran masuk searah dan maupun aliran keluar akhirnya yang sama
seacarah. Banyak peneliti telah melakukan analisis penukar panas tabung ganda.
Penelitian telah melakukan analisis teoritis maupun eksperimental tiga pipa
konsentris triple concentric tube heat exchanger (TCTHE). Satu set persamaan
untuk analisis desain dan kinerja pipa konsentris telah dikembangkan. Persamaan
yang dikembakan untuk menghilangkan panas ke lingkaran sekitar berguna untuk
tujuan desain.
Penukar kalor (heat exchanger) secara luas digunakan TCHE oleh Unal A
[1]. Pada bagian pertama persamaan diferensial yang mengatur dikembangkan
bersama sama dengan solusi yang mungkin dibawah kondisi disederhanakan
untuk pengatur aliran paralel persamaan diturunkan dalam studinya dapat
digunakan untuk penentukan variasi suhu sepanjang exchanger. .
Batmaz E [2] mengembangkan cara yang lebih generic menghitung
perpindahan panas keseluruhan dengan suhu cairan tabung penukar panas triple
untuk pengaturan aliran arus ini menggunakan persamaan keseimbangan energi
pada volume kontrol. Dengan membandingkan keseluruhan koefisien perpindahan
panas yang efektif dan nilai nilai efektivitas untuk TCHE setara dengan (teoritis)
tabung ganda penukar panas.
Alat penukar kalor sangat berpengaruh dalam industri terhadap
keberhasilan keseluruhan rangkaian proses, karena kegagalan operasi alat ini baik
akibat kegagalan mekanikal maupun opersional dapat menyebabkan berhentinya
operasi unit. Maka suatu alat penukar kalor ( heat exchanger) dituntut untuk
memiliki kinerja yang baik agar dapat diperoleh hasil yang maksimal serta dapat
Universitas Sumatera Utara
2
menunjang penuh terhadap suatu operasional unit. Salah satu karakteristik unjuk
kerja dari penukar panas ini adalah efektivitas penukar panas
Pengujian ini penukar kalor yang digunakan adalah alat penukar kalor tipe
tiga lapis tabung (triple concentric heat exchanger) dengan bahan dasar tembaga,
tipe triple concentric heat exchanger ini mempunyai kelebihan dibandingkan
dengan penukar kalor tipe yang lainnya, yaitu kemudahan alat ini untuk dibuka
dan dilepaskan dari rangkainnya sehingga memungkinkan pembersihan dan
perawatan yang lebih baik dan mudah. Selain daripada itu, alat ini juga cocok
digunakan untuk fluida cair, sebab mempunyai permukaan perpindahan panas
yang bergelombang sehingga menyebabkan turbulensi dari aliran fluida menjadi
lebih tinggi dan otomatis perpindahan panas yang terjadi akan lebih efiktif
1.1. Tujuan Pengujian
Tujuan dari pengujian triple concentric heat exchanger ini adalah sebagai
berikut :
1. Mencari temperatur keluar pada alat penukar kalor searah dan berlawanan
dengan debit 0,000025m3/s , 0,000033 m
3/s dan 0,000041m
3/s
2. Untuk mengetahui pengaruh laju aliran masa terhadap penurunan
temperatur pada alat penukaran kalor searah dan berlawanan dengan debit
0,000025m3/s , 0,000033 m
3/s dan 0,000041m
3/s
3. Untuk mengetahui efektivitas alat penukar kalor pada alat penukaran kalor
searah dan berlawanan dengan debit 0,000025m3/s, 0,000033 m
3/s dan
0,000041m3/s
1.2. Batas Masalah
Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Alat penukar kalor yang diteliti memiliki ketebalan yang tipis sehingga
tebalannya dapat diabaikan
2. Aliran fluida dalam sistem diasumsikan turbulen walaupun kecepatan
fluida kerja dalam Pipa triple concentric kecil
Universitas Sumatera Utara
3
3. Kehilangan panas yang terjadi pada APK dianggap tidak ada karena
permukaan luarnya telah terisolasi Suhu laju air panas yang digunakan
tiga variasi yaitu 50oC, 55
oC dan 60
oC
4. Suhu air lingkungan sekitar 27oC sedangkan suhu dingin menggunakan
25oC jadi kekurangan suhu tidak jauh dari suhu lingkungan
5. Laju aliran yang terjadi dialat APK dianggap konstan
1.3. Metodologi Penulisan
Metodologi penulisan yang digunakan pada penulisan skripsi ini adalah
sebagai berikut:
1. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku dan jurnal-
jurnal buku elektronik (e-book) yang terkait.
2. Browsing internet, berupa studi artikel-artiker, jurnal ilmiah, gambar-
gambar dan buku elektronik (e-book) serta data-data lain yang berhubungan
dengan penelitian
3. Metode studi lapangan, yaitu dengan mengambil data dari hasil pengujian
yang dilakukan di laboratorium proses produksi
4. Metode studi lapangan, yaitu dengan mengambil data dari laboratorium
Teknik Mesin yang terletak di Magister Tenik Mesin Universitas Sumatera
Utara
5. Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing yang ditunjuk oleh
Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
1.5 Sistematika Penulisan
Adapun sistematika penulisan pada tugas akhir ini adalah :
a. BAB I PENDAHULUAN
Bab ini menjelaskan pendahuluan tentang studi kasus dan pemecahan
masalah yang berisi antara lain : latar belakang, tujuan penelitian, batasan
masalah, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan.
b. BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini berisi dasar teori dari topik yang dikaji dan digunakan sebagai
landasan dalam memecahkan masalah dan menganalisis permasalahan tersebut
Universitas Sumatera Utara
4
meliputi penjelasan mengenai beras, radiasi surya, perpindahan panas, dan
desalinasi.
c. BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini berisi kerangka pemikiran dan langkah yang dilakukan untuk
mengidentifikasi permasalahan, beserta variabel-variabel yang akan diukur dan
perlengkapan pengujian tersebut meliputi waktu dan tempat penelitian, peralatan
pengujian, bahan pengujian, experimental set up, dan prosedur pengujian.
d. BAB IV DATA DAN ANALISIS DATA
Berisi tentang data-data yang diperoleh dari pengujian, dan berdasarkan
data yang telah disiapkan, dilakukan analisa dan perhitungan-perhitungan
menggunakan persamaan yang ada.
e. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi kesimpulan dari analisa yang dilakukan terhadap
permasalahan dan saran mengenai penyempurnaan hasil penelitian untuk generasi
berikutnya.
Universitas Sumatera Utara
5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Prinsip Perpindahan Panas
Perpindahan kalor merupakan ilmu yang berguna untuk memprediksi laju
perpindahan energi yang berpindah antar material sebagai akibat perbedaan
temperatur. Pada ilmu Termodinamika dijelaskan bahwa perpindahan energi
didefinisikan sebagai panas. Perpindahan kalor tidak hanya menjelaskan
bagaimana energi panas dapat dipindahkan, tetapi juga untuk memprediksi
seberaapa besar laju perubahan tersebut dalam kondisi tertentu. Faktanya bahwa
laju perpindahan kalor merupakan sebuah analisis yang menunjukan perbedaan
antara perpindahan kalor Perpindahan panas dasar atau kalor adalah pengangkutan
energi karena perbedaan suhu benda atau material suatu alat yang digunakan
untuk memindahkan panas antara dua buah fluida atau lebih yang memiliki
perbedaan temperatur yaitu fluida yang bertemperatur tinggi ke fluida yang
bertemperatur rendah. Perpindahan panas teesebut baik secara langsung maupun
secara tidak langsung. Pada kebanyakan sistem kedua fluida ini tidak mengalami
kontak langsung. Kontak langsung alat penukar kalor terjadi sebagai contoh pada
gas kalor yang terfluidisasi dalam cairan dingin untuk meningkatkan temperatur
cairan atau mendinginkan gas. Satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari
suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama
sekali. Dalam suatu proses, panas dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu
suatu zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan. Merupakan
perpindahan panas antara molekul-molekul yang saling berdekatan antar yang satu
dengan yang lainnya dan tidak diikuti oleh perpindahan molekul-molekul tersebut
secara fisik. Molekul-molekul benda yang panas bergetar lebih cepat
dibandingkan molekul-molekul benda yang berada dalam keadaan dingin.
Getaran-getaran yang cepat ini, tenaganya dilimpahkan kepada molekul di
sekelilingnya sehingga menyebabkan getaran yang lebih cepat maka akan
memberikan panas. Proses terjadinya perpindahan panas dapat dilakukan secara
langsung, yaitu fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida
dingin tanpa adanya pemisah dan secara tidak langsung, yaitu bila diantara fluida
Universitas Sumatera Utara
6
panas dan fluida dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh sekat-
sekat pemisah. Alat penukar panas banyak digunakan pada berbagai instalasi
industri, antara lain pada : boiler, kondensor, cooler, cooling tower. Sedangkan
pada kendaraan kita dapat menjumpai radiator yang fungsinya pada dasarnya
adalah sebagai alat penukar panas ilmu perpindahan panas berhubungan erat
dengan ilmu termodinamika Perpindahan Panas :menjelaskan terjadinya
perpindahan energi dari suatu benda ke benda lain dan meramalkan lajunya
Termodinamika : meramalkan energi yang dibutuhkan untuk mengubah sistem
dari keadaan setimbang ke keadaan setimbang yang lain. Prinsip perpindahan
panas adalah proses perpindahan dari suhu tinggi ke suhu yang rendah. J. P.
Holman Bohn dalam bukunya mengklasifikasikan perpindahan panas dalam tiga
bahagian Jadi perbedaan suhu merupakan gaya pendorong perpindahan panas.
Panas dapat berpindah dengan tiga cara yaitu: -Konduksi, -Konveksi dan -Radiasi
2.1.1. Konduksi (hantaran)
Merupakan perpindahan panas antara molekul-molekul yang saling
berdekatan antar yang satu dengan yang lainnya dan tidak diikuti oleh
perpindahan molekul-molekul tersebut secara fisik. Molekul-molekul benda yang
panas bergetar lebih cepat dibandingkan molekul-molekul benda yang berada
dalam keadaan dingin. Getaran-getaran yang cepat ini, tenaganya dilimpahkan
kepada molekul di sekelilingnya sehingga menyebabkan getaran yang lebih cepat
maka akan memberikan panas. Ketika terdapat perbedaan temperatur antara dua
permukaan benda, maka akan terjadi perpindahan energi dari area yang bersuhu
tinggi ke area yang bersuhu lebih rendah. Dapat kita katakana bahwa perpindahan
tersebut secara konduksi dan laju perpindahan energi per satuan luas sebanding
dengan gradient temperatur normal:
..........................................................(2.1)
Ketika proporsionalitas konstan dimasukkan
......................................................(2.2)
dimana:
Universitas Sumatera Utara
7
qx = Laju perpindahan panas
= Temperatur pada aliran panas
k = Konduktivitas termal pada bahan
A = Satuan luas permukaan pipa
Persamaan tersebut disebut Hukum perpindahan konduksi Fourier, seorang
ilmuwan perancis Joseph Fourier memberikan kontribusi terhadap analisis dari
perpindahan konduksi ini. Catatan penting pada persamaan (1-1) digunakan untuk
menentukan konduktivitas termal dan k mempunyai satuan watts per meter per
derajat celcius dan aliran panas dinyatakan dalam watt. Dapat menentukan
persamaan dasar untuk menentukan perpindahan panas dalam bentuk padat,
menggunakan persamaan (1-1) sebagai permulaan. Pada sistem satu dimensi
seperti yang terlihat pada gambar 1-1. Jika sistem dalam keadaan stabil. Sebagai
contoh temperatur tidak berubah, penyelesaianya cukup sederhana, kita hanya
perlu mengintegralkan persamaan 1-1 dan mensubstitusinya dengan nilai-nilai
yang sesuai untuk memecahkan perhitungannya. Namun jika temperatur benda
padat tersebut berubah, atau terdapat sumber panas dari dalam benda tersebut,
akan jauh lebih rumit. Kita dapat menganggap secara umum dimana temperatur
berubah dan sumber panas tersebut dapat ditentukan. ketebalan benda tersebut
disimbolkan dengan dx, maka keseimbangan energi dapat diperoleh dengan :
Energi yang dikonduksikan di sisi kiri + panas yang terkantung dalam benda
= perubahan energi internal + energi ysng dikonduksikan pada sisi kanan
Besaran energi
Energi pada sisi kiri = qx = -kA = -kA
...........................................................(2.3)
Energi yang dihasilkan dalam benda tersebut = q A dx ....................................(2.4)
Universitas Sumatera Utara
8
Gambar 2.1. Perpindahan panas konduksi pada dinding [7]
Perubahan energi dalam = pcA
dx
..................................................................(2.5)
Energi pada sisi kanan = qx+dx = -kA
1
...............................................(2.6)
-A0
.
/ 1
...........................................(2.7)
dimana
= energi yang dihasilkan per satuan volume (W/m)
c = koefisien panas spesifik material, J/Kg oC
ρ = kerapatan, kg/m3
Kombinasi dari hubungan persamaan diatas:
0
.
/ 1................(2.8)
atau
.
/
.....................................................(2.9)
persamaan diatas untuk konduktivitas satu dimensi. Untuk aliran panas
lebih dari satu dimensi, perlu menentukan konduktivitas panas yang masuk dan
keluar dalam tiga arah
Tabel 2.1 Tabel nilai kondutivitas termal untuk berbagai material [6]
No Nama Material Konduktivitas Ketika Temperatur (300 K) W/m .K
1 Aluminium 237
2 Berryllium 200
3 Boron 27
4 Cadmium 96.8
5 Kromium 93.7
6 Kobalt 99.2
7 Tembaga 401
8 Germanium 59.9
Universitas Sumatera Utara
9
9 Emas 317
10 Iridium 147
11 Besi 80.2
12 Magnesium 156
13 Molybdenum 138
14 Nikel 90.7
15 Platinum 71.6
16 Perak 429
17 Silicon 148
18 Titanium 21.9
19 Tungsten 174
20 Vanadium 30.7
21 PVC 0.19
2.1.2. Perpindahan Panas secara Konveksi (aliran )
Konveksi adalah transfer energi panas oleh partikel bergerak melalui
fluida (baik gas atau cairan). Energi panas adalah total energi kinetik dari partikel
yang bergerak di dalam materi, dan transfer energi panas disebut kalor. Konveksi
adalah salah satu dari tiga cara yang energi panas dapat ditransfer (cara lain adalah
konduksi dan radiasi termal). Energi panas selalu ditransfer dari materi dengan
suhu yang lebih tinggi ke materi dengan suhu yang lebih rendah.perpindahan
panas dari suatu zat ke zat yang lain disertai dengan gerakan partikel atau zat
tersebut secara fisik. Panas dipindahkan oleh molekul-molekul yang bergerak
(mengalir). Oleh karena adanya dorongan bergerak. Disini kecepatan gerakan
(aliran) memegang peranan penting. Konveksi hanya terjadi pada fluida Konveksi
alami dapat membantu perpindahan panas konveksi paksa, tergantung pada arah
relatif apung yang diinduksi dan konveksi paksa gerakan.Dapat dikatakan panas
terkonveksi, dan kita menyebut proses ini sebagai perpindahan panas secara
konveksi. Memperhatikan plat yang dipanaskan seperti yang ditunjukan gambar
2-2. Keceptan aliran ditunjukan seperti pada gambar. Karena kecepatan lapisan
udara pada permukaan sama dengan nol, panas dipindahkan secara konduksi pada
saat itu. Jadi kita dapat menghitung perpindahan kalor dengan menggunakan
Universitas Sumatera Utara
10
persamaan 2-1, dengan konduktivitas termal udara dan perubahan suhu udara pada
permukaan. Perubahan temperatur tergantung dari laju udara yang memindahkan
panas; kecepatan aliran yang tinggi akan mengakibatkan perubahan temperatur
yang besar. Jadi perubahan temperatur tergantung dari aliran. Dan harus diingat
bahwa mekanisme perpindahan panas yang ada pada permukaan disebut proses
konduksi. laju perpindahan kalor yang berhubungan dengan keseluruhan
perbedaan temperatur pada permukaan dan udara pada luasan A. besaran h disebut
koefisien perpindahan kalor secara konveksi, dan persamaan 2-2 menentukan
perhitungan. Analisis perhitungan h dibuat untuk beberapa sistem. Untuk situasi
yang kompleks harus ditentukan secara eksperimental. Perpindahan kalor secara
konveksi ini kadang disebut lapisan konduktansi karena hubungannya dengan
proses konduksi pada lapisan fluida tipis pada suatu permukaan.
Gambar 2.2. Perpindahan panas secara konveksi [7]
dari kondisi masuk di Ti untuk keluar dari kondisi di To. Menggunakan
simbol dalam dua entalpi yang sesuai
(untuk menghindari kebingungan dengan h, koefisien konveksi), keseimbangan
energi pada fluida tersebut.
Untuk nilai perpindahan panas secara konveksi dapat ditentukan dengan rumus :
( )............................................(2.10)
dengan q = kalor yang dipindahkan (joule)
ṁ = massa (kg/j)
= Temperatur outlet suhu keluar(oC)
= Temperatur Inlet suhu masuk (oC)
2.1.3. Perpindahan Panas secara Radiasi
Radiasi adalah perpindahan kalor pada suatu zat tanpa melalui zat
perantara, misalnya, pancaran sinar Matahari sampai ke Bumi melalui hampa
Universitas Sumatera Utara
11
udara. Besarnya kalor yang dipancarkan dinyatakan.Perpindahan kalor secara
radiasi tidak membutuhkan zat perantara, matahari memancarkan panas ke bumi
dan api yang memancarkan hangat ke tubuh anda. Kalor dapat di radiasikan
melalui bentuk gelombang cahaya, gelombang radio dan gelombang
elektromagnetik. Radiasi juga dapat dikatakan sebagai perpindahan kalor melalui
media atau ruang yang akhirnya diserap oleh benda lain. Perpindahan kalor secara
radiasi adalah perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik.
Contoh perpindahan kalor secara radiasi adalah hangatnya tubuh anda ketika
berada di dekat tungku api dan perpindahan kalor dari matahari menuju bumi.
Matahari memiliki suhu lebih tinggi (sekitar 6000 Kelvin), sedangkan bumi
memiliki suhu yang lebih rendah. Adanya perbedaan suhu antara matahari dan
bumi menyebabkan kalor berpindah dari matahari (suhu lebih tinggi) menuju
bumi (suhu lebih rendah). Seandainya perpindahan kalor dari matahari menuju
bumi memerlukan perantara alias medium, sebagaimana perpindahan kalor secara
konduksi dan konveksi, maka kalor tidak mungkin tiba di bumi; kalor harus
melewati ruang hampa (atau hampir hampa). Jika tidak ada sumbangan kalor dari
matahari, maka kehidupan di bumi tidak akan pernah ada karena kehidupan
membutuhkan energi.
Gambar : 2.3 Perpindahan panas secara radiasi [1]
Contoh lain perpindahan kalor secara radiasi adalah panas yang dirasakan
ketika kita berada di dekat nyala api. Panas yang kita rasakan bukan disebabkan
oleh udara yang kepanasan akibat adanya nyala api. Seperti yang telah dijelaskan
sebelumnya, udara yang panas akan memuai sehingga massa jenisnya berkurang.
Akibatnya udara yang massa jenisnya berkurang bergerak vertikal ke atas, tidak
Universitas Sumatera Utara
12
bergerak horisontal ke arah kita. Tubuh terasa hangat atau panas ketika berada di
dekat nyala api karena kalor berpindah dengan cara radiasi dari nyala api (suhu
lebih tinggi) menuju tubuh kita (suhu lebih rendah). Apabila sejumlah energi kalor
menimpa suatu permukaan,sebagian akan di pantulkan dan sebagian akan diserap
kedalam bahan dan sebagian akan menembus bahan dan terus ke luar. Jadi dalam
pelajaran perpindahan kalor secara radiasi maka akan dilibatkan suatu fisik
permukaan.
Untuk nilai perpindahan pans secara radiasi dapat ditentukan dengan rumus :
..............................................
(2.11)
dengan :
I = energi yang dipacarkan atau diserap per satuan luas (J/s m2
atau watt/m2)
= konstanta umum Stefan-Boltzmann (5,67 x 10-8
watt/m2k
K4)
T = suhu mutlak (K)
e = emisivitas permukaan ( 0 ≤ e ≤ 1 )
2.2. Alat Penukar Kalor
Perpindahan kalor (heat transfer) ialah ilmu untuk meramalkan
perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda
atau material. Pada termodinamika telah kita ketahui bahwa energi yang pindah
itu dinamakan kalor (heat). Ilmu perpindahan kalor tidak hanya mencoba
menjelaskan bagaimana energi kalor itu berpindah dari suatu benda ke benda lain,
tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan yang terjadi pada kondisi-kondisi
tertentu. Alat penukar kalor atau heat exchanger adalah alat yang digunakan untuk
menukar atau mengubah temperatur fluida atau mengubah phasa fluida dengan
cara mempertukarkan kalornya dengan fluida lain. Arti dari mempertukarkan
disini adalah memberikan atau mengambil kalor. Pemahaman teknologi heat
exchanger membutuhkan pengetahuan dalam bidang termodinamika, mekanika
fluida, heat transfer, ilmu material dan ilmu proses produksi.
Kalor dapat dipindahkan diantara kedua fluida tersebut, besarnya sangat
tergantung pada kecepatan aliran fluida, arah alirannya, sifat-sifat fluida, kondisi
permukaan dan luas bidang perpindahan panas serta beda temperatur diantara
Universitas Sumatera Utara
13
kedua fluida. APK merupakan suatu peralatan dimana terjadinya perpindahan
panas dari suatu fluida yang temperaturnya lebih tinggi kepada fluida lain yang
temperaturnya lebih rendah. Proses perpindahan panas tersebut dapat dilakukan
secara langsung atau tidak. Maksudnya adalah APK yang langsung, ialah dimana
fluida yang panas akan bercampur langsung dengan fluida yang dingin (tanpa
adanya pemisah) dalam suatu bejana atau ruangan tertentu. APK yang tidak
langasung, ialah dimana fluida panas tidak berhubungan langsung (indirect
contact) dengan fluida dingin, jadi perpindahan panasnya itu mempunyai media
perantara seperti pipa, pelat atau peralatan jenis lainnya. Fluida yang mengalir
didalam heat exchanger kadang-kadang mengandung zat-zat yang mengendap
atau menggerak pada permukaan pipa atau bereaksi dan menyebabkan korosi atau
kerusakan lainnya, sehingga heat exchanger dapat menjadi turun. Dengan
demikian untuk menunjang program maintenance peralatan ini, sebaiknya
pengetahuan dasar perlu dikuasai agar dapat diperoleh keuntungan yang optimal.
Penukar panas adalah alat yang digunakan untuk menukarkan panas secara
kontinyu dari suatu medium ke medium lainnya dengan membawa energi panas.
Suatu heat exchanger terdiri dari elemen penukar kalor yang disebut sebagai inti
atau matrix yang berisikan di dinding penukar panas, dan elemen distribusi fluida
seperti tangki, nozzle masukan, nozzle keluaran, pipa-pipa, dan lain-lain.
Biasanya, tidak ada pergerakan pada bagian-bagian dalam heat exchanger.
Namun, ada pengecualian untuk regenerator rotary dimana matriksnya digerakan
berputar dengan kecepatan yang dirancang. Dinding permukaan heat exchanger
adalah bagian yang bersinggungan langsung dengan fluida yang mentransfer
panasnya secara konduksi. Perpindahan panas secara konveksi sangat dipengaruhi
oleh bentuk geometri heat exchanger dan tiga bilangan tak berdimensi, yaitu
bilangan Reynold, bilangan Nusselt dan bilangan Prandtl fluida. Besar konveksi
yang terjadi dalam suatu tripel-pipe heat exchanger akan berbeda dengan pararel
flow heat exchanger dan counter flow heat exchanger atau compact heat
exchanger atau plate heat exchanger untuk berbeda temperatur yang sama.
Sedangkan besar ketiga bilangan tak berdimensi tersebut tergantung pada
kecepatan aliran serta properti fluida yang meliputi massa Jenis, viskositas
absolut, panas jenis dan konduktivitas panas untuk mentransfer energi panas
Universitas Sumatera Utara
14
(entalpi) antara dua atau lebih fluida, antara permukaan padat dengan fluida, atau
antara partikel padat dengan fluida, pada temperatur yang berbeda serta terjadi
kontak termal. Lebih lanjut, heat exchanger dapat pula berfungsi sebagai alat
pembuang panas, alat sterilisasi, pesteurisasi, pemisahan campuran, distilisasi
(pemurnian, ekstraksi), pembentukan konsentrat, kristalisasi, atau juga untuk
mengontrol sebuah proses fluida Proses terjadinya perpindahan panas dapat
dilakukan secara langsung, yaitu fluida yang panas akan bercampur secara
langsung dengan fluida dingin tanpa adanya pemisah dan secara tidak langsung,
yaitu bila diantara fluida panas dan fluida dingin tidak berhubungan langsung
tetapi dipisahkan oleh sekat-sekat pemisah. Panas adalah salah satu bentuk energi
yang dapat dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat
diciptakan atau dimusnahkan sama sekali. Dalam suatu proses, panas dapat
mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu suatu zat dan atau perubahan tekanan,
reaksi kimia dan kelistrikan. Merupakan perpindahan panas antara molekul-
molekul yang saling berdekatan antar yang satu dengan yang lainnya dan tidak
diikuti oleh perpindahan molekul-molekul tersebut secara fisik. Molekul-molekul
benda yang panas bergetar lebih cepat dibandingkan molekul-molekul benda yang
berada dalam keadaan dingin. Getaran-getaran yang cepat ini, tenaganya
dilimpahkan kepada molekul di sekelilingnya sehingga menyebabkan getaran
yang lebih cepat maka akan memberikan panas.
2.2.1. Klarifikasi Alat Penukar Kalor
beberapa alat penukar kalor ( heat exchanger ) Pola aliran penukar panas
yang berbeda (Different heat exchangers flow patterns) dengan konstruksi
berbeda berdasarkan.
a. Berdasarkan arah aliran fluida alat penukar kalor (heat exchanger) yang
dibedakan menjadi beberapa pola aliran.
1. Pertukaran panas dengan aliran berlawanan (counter flow)
apabila arah aliran dari kedua fluida di dalam penukar kalor adalah
sejajar. Artinya kedua fluida masuk pada sisi yang satu dan keluar dari sisi yang
lain mengalir dengan arah yang berlawanan. Karakter penukar panas jenis ini
temperatur fluida dingin yang keluar dari heat exchanger (Tco) tidak dapat
melebihi temperatur fluida pabas yang keluar ( Tho) sehingga diperlukan media
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
16
berlawanan dan keluar heat exchanger pada sisi yang berlawanan. Berikut
merupakan gambar aliran berlawanan arah.
Gambar 2.6 Skematik aliran searah
Bila grafik aliran pararel seperti Gambar 2.7 maka akan berlaku persamaan
sebagai berikut :
q = ṁh cp,h (Th,i – Th,o) = ṁc cp,c (Tc,o – Tc,i)
......................................(2.13)
Bila di asumsi nilai kalor spesifik (Cp) fluida dingin dan panas kontan,
tidak ada kehilangan panas ke lingkungan serta keadaan stabil
q = U AΔTRL...................................................................(2.14)
dengan
U = koefisien perpindahan panas secara keseluruhan (W/m2.K)
A= Luas perpindahan panas (m2)
ΔTRL= Beda temperatur rata-rata (right dan left)
Gambar: 2.7 Skema aliran dua searah pararel flow [4]
dq = U(Thc)dA............................................................(2.15)
Universitas Sumatera Utara
17
dimana:
dq = daerah laju perpindahan panas(watt)
U = koefisensi perpindahan panas secara keseluruhan (w/m2.K)
Th = temperatur panas/hot (K)
Tc = temperatur dingin/coll (K)
dA = daerah Luas perpindahan panas (m2)
2.3. Klarifikasi sistem Alat Penukar Kalor
sebuah alat yang berfungsi untuk mentransfer energi panas (entalpi) antara
dua atau lebih fluida, antara permukaan padat dengan fluida, atau antara partikel
padat dengan fluida, pada temperatur yang berbeda serta terjadi kontak termal.
Lebih lanjut, heat exchanger dapat pula berfungsi sebagai alat pembuang panas,
alat sterilisasi, pesteurisasi, pemisahan campuran, distilisasi (pemurnian,
ekstraksi), pembentukan konsentrat, kristalisasi, atau juga untuk mengontrol
sebuah proses fluida
2.3.1. Mesin Refrigrasi (Chiller)
Suatu system pengambilan kalor yang lebih tinggi dari suatu benda atau
juga ruangan, dari temperatur yang lebih tinggi menjadi lebih rendah misalnya
dari temperatur 30 derajat celcius menjadi 20 derajat celcius atau yang lebih
rendah minus 16 derajat celcius. Pada pengaplikasian suhu ruangan atau bisa
disebut tata udara, pada tata udara, kalor yang berasal di ruangan atau udara,
maka untuk prosesnya memerlukan sebuah media atau benda yang suhunya lebih
rendah. chiller, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan fluida
sampai pada temperature yang rendah. Temperatur fluida hasil pendinginan
didalam chiller yang lebih rendah bila dibandingkan dengan fluida pendinginan
yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk chiller ini media pendingin biasanya
digunakan amoniak atau Freon.
Gambar : 2.8 Mesin Refrigrasi pendingin air [11]
Universitas Sumatera Utara
18
2.3.2. Kondensor
Kondensor adalah sebuah alat penukar kalor (heat exchanger) yang
digunakan untuk mengkondensasikan (mengubah) gas yang bertekanan tinggi
berubah menjadi cairan yang bertekanan tinggi yang kemudian akan dialirkan ke
receiver dryer dan dilanjutkan ke expansi valve. Kondensor bisa disebut heat
exchange yang bisa memindahkan panas ke udara. Air pendingin dalam
kondensor sangat memiliki peranan penting dalam proses kondensasi uap menjadi
condensat water. Bahan baku air pendingin biasanya didapatkan dari danau dan
air laut (sea water), dalam proses pengambilannya biasanya digunakan alat sejenis
jaring yang berfungsi untuk menjaring kotoran serta benda-benda padat lainnya
agar tidak terikut kedalam hisapan pompa yang tentunya dapat mengganggu
kinerja kondensor bahkan kerusakan pada peralatan.
Gambar 2.9 Kondensor [11]
2.3.3. Mesin Pendingin (cooler)
Cooler, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan cairan atau
gas dengan mempergunakan air sebagai media pendingin. Disini tidak terjadi
perubahan fasa, dengan perkembangan teknologi dewasa ini maka pendingin coler
mempergunakan media pendingin berupa udara dengan bantuan fan (kipas).
sebuah sistem yang akan membantu proses pendinginan mesin, karena disaat
mesin melakukan pembakaran maka akan menghasilkan kalor yang semakin lama
akan semakain besar. Jika tidak didinginkan maka resikonya akan terjadi
overheat.
Gambar: 2.10 Mesin Pendingin (cooler) [11]
Universitas Sumatera Utara
19
2.3.4 Evaporator ( Pipa Penguap )
Evaporator adalah pipa yang berfungsi sebagai penguapan. Zat cair yang
berasal dari pipa kondensor masuk ke evaporator lalu berubah wujud menjadi gas
dingin karena mengalami penguapan. Selanjutnya refrigerant tersebut mampu
menyerap kondisi panas yang ada dalam ruangan mesin pendingin. Selanjutnya
gas yang ada dalam evaporator akan mengalir menuju kompresor karena terkena
tenaga hisapan. Demikian terus menerus sirkulasi refrigerant dan perubahannya
dalam rangkaian mesin pendingin. menambahkan kalor atau panas yang bertujuan
untuk memekatkan suatu larutan yang terdiri dari zat pelarut yang memiliki titik
didih yang rendah dengan pelarut yang memiliki titik didih yang tinggi sehingga
pelarut yang memiliki titik didih yang rendah akan menguap dan hanya
menyisahkan larutan yang lebih pekat dan memiliki konsentrasi yang tinggi.
Gambar : 2.11 Evaporator ( Pipa Penguap ) [11]
2.4. BILANGAN REYNOLDS (Reynolds Number)
Bilangan Reynold digunakan sebagai kriteria untuk menunjukkan aliran
fluida itu laminer dan turbulen. Untuk bilangan Re < 2300 dikatakan aliran
laminar; Re > 2300 dikatakan aliran turbulen. Bilangan reynolds (reynolds
number). Dalam mekanika fluida, bilangan reynolds adalah rasio antara gaya
inersia (vsρ) terhadap gaya viskos (μ/L) yang mengkuantifikasikan hubungan
kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini digunakan
untuk mengidentikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya laminar , turbulen
atau transisi. Namanya diambil dari Osborne reynolds (1842–1912) yang
mengusulkannya pada tahun 1883.Bilangan Reynold merupakan salah satu
bilangan tak berdimensi yang paling penting dalam mekanika fluida dan
digunakan, seperti halnya dengan bilangan tak berdimensi lain, untuk memberikan
kriteria untuk menentukan dynamic similitude. Jika dua pola aliran yang mirip
Universitas Sumatera Utara
20
secara geometris, mungkin pada fluida yang berbeda dan laju alir yang berbeda
pula, memiliki nilai bilangan tak berdimensi yang relevan, keduanya disebut
memiliki kemiripan dinamis.
Dari percobaan di atas, ditemukan rumus yang kemudian di kenal dengan sebutan
:
Rumus bilangan reynolds umumnya diberikan sebagai berikut:
...........................................(2.16)
dengan :
V = Kecepatan aliran (m/dt)
D = Diameter pipa (m)
ρ = massa jenis fluida air (kg/m3)
Di = diameter dalam pipa
V = μ/ρ = Kekentalan kinematik (m2/dt) , (untuk air dengan t = 20 C, V = 10-
6 m2/dt)
Re < 2000 = Aliran Laminer
2000 < Re < 4000 = Aliran Transisi
Re > 4000 = Aliran Turbulen
Batas Kritis bawah & atas adalah Re antara 2000 dan 4000
dimana: Re–bilangan renolds
U – kecepatan fluida,
d – diameter pipa,
μ – viskositas absolut fluida dinamis,
ν – viskositas kinematik fluida: ν = μ / ρ,
ρ – kerapatan (densitas) fluida
Gambar: 2.12 Kecepatan Aliran Fluida [11]
Universitas Sumatera Utara
21
fluida datang dari sebelah kiri dengan kecepatan tak hingga, kurang lebih
profil kecepatan alirannya seperti ditunjukkan gambar diatas. Cara membacanya
adalah, garis profile tersebut merupakan gabungan dari beberapa titik sehingga
membentuk garis profile. Pada titik paling atas, nilai kecepatan aliran fluida (u)
nya adalah sebesar 0.99 kali nya kecepatan fluida tak hingga yang masuk dari
sebelah kiri. Kecepatan pada titik atas lebih besar dari titik bawah, disebabkan
aliran fluida pada titik bawah mengalami loses akibat gesekan dengan dinding.
Diatas titik tersebut,nilai kecepatan nya adalah tak hingga. Dengan definisi
tersebut, kita akan kesulitan menganalisa nya jika nilai kecepatan aliran yang
masuk
juga tak hingga, maka boundary layer tersebut dibatasi menjadi 0.99 kali.
Sumber: 2.13 Proses Fully developed turbulent velocity [11]
konsep boundary layer tersebut menjadi boundary layer fully developed.
Gambar diatas adalah profile kecepatan fluida dari gabungan boundary layer
bagian atas dan bagian bawah. Artinya boundary layer fully developed adalah
perkembangan penuh dari boundary layer. Pada awalnya profile kecepatan aliran
akan membentuk katakanlah seperti trapesium, dan pada akhirnya profile
kecepatan akan berubah menjadi kurang lebih setengah lingkaran. Untuk
meninjau kecepatan aliran fully developed kita akan gunakan persamaan Hagen-
Poiseuille. Jenis dan Karakteristik Fluida
Hal yang berhubungan dengan jenis dan karakteristik aliran fluida yang
dimaksudkan di sini adalah profil aliran dalam wadah tertutup (pipa umumnya).
Profil aliran dari fluida yang melalui pipa, akan dipengaruhi oleh gaya momentum
fluida yang membuat fluida bergerak di dalam pipa, gaya viscous (gaya gesek)
Universitas Sumatera Utara
22
yang menahan aliran pada dinding pipa dan fluidanya sendiri (gesekan internal)
dan juga dipengaruhi oleh belokan pipa, valve sebagainya.
Jenis aliran fluida terbagi dalam 2 bagian yaitu aliran laminar dan aliran
turbulen. Aliran laminar didefinisikan sebagai aliran fluida yang bergerak dalam
lapisan-lapisan atau lamina-lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar
pada lapisan yang bersebelahan dengan saling bertukar momentum secara
molekuler saja. Kecenderungan ke arah ketidakstabilan dan turbulensi diredam
habis oleh gaya-gaya geser viskos yang memberikan tahanan terhadap gerakan
relatif lapisan-lapisan fluida yang bersebelahan. Dalam aliran turbulen, partikel-
partikel fluida bergerak dalam lintasan-lintasan yang sangat tidak teratur, dengan
mengakibatkan pertukaran momentum dari satu bagian fluida ke bagian fluida
yang lain. Aliran turbulen dapat berskala kecil yang terdiri dari sejumlah besar
pusaran-pusaran kecil yang cepat yang mengubah energi mekanik menjadi
ketidakmampubalikan melalui kerja viskos, atau dapat berskala besar seperti
pusaran-pusaran besar yang berada di sungai atau hempasan udara. Pusaran-
pusaran besar membangkitkan pusaran-pusaran yang kecil yang pada gilirannya
menciptakan turbulensi berskala kecil. Aliran turbulen berskala kecil mempunyai
fluktuasi-fluktuasi kecil kecepatan yang terjadi dengan frekuensi yang tinggi.
Pada umumnya, intensitas turbulensi meningkat dengan meningkatnya Bilangan
reynolds. Aliran akan mengalami proses transisi dari aliran laminar ke aliran
turbulen sebelum aliran tersebut turbulen. Pada aliran internal, aliran transisi dari
aliran laminar ke aliran turbulen.
Adapun tinjauan umum dari aliran dan turbulen dari Osborne reynolds
(1842-1912), ilmuwan dan ahli matematika Inggris, adalah orang yang pertama
kali membedakan dan mengklasifikasikan dua aliran ini dengan menggunakan
peralatan sederhana seperti yang ditunjukkan pada Gambar Aliran laminar terjadi
pada partikel-partikel (massa molar yang kecil) fluida bergerak dalam lintasan -
lintasan yang sangat tidak teratur, yang mengakibatkan pertukaran momentum
dari satu bagian ke bagian lainnya.
Universitas Sumatera Utara
23
Gambar: 2.14 Perbedaaan antara aliran laminar, transisi, dan turbulen [11]
Untuk mengetahui jenis aliran fluida dilakukan dengan apa yang disebut
dengan bilangan reynolds (Re). Besarnya bilangan reynold yang terjadi pada suau
aliran dalam pipa dapat menunjukkan apakah profil aliran tersebut luminer atau
turbulen. Biasanya angka Re<2000 merupakan batas aliran laminer dan angka
lebih besar dari Re >4000 dikatakan aliran turbulen. Sedangkan Rd diantara
keduanya dinyatakan sebagai aliran transisi. Karakteristik lain yang
mempengaruhi pengukuran laju aliran adalah temperatur dan tekanan fluida
tersebut, khususnya bila fluida tersebut adalah fluida gas. Hal ini disebabkan
karena massa jenis (ρ) fluida gas sangat dipengaruhi oleh kedua besaran yang
disebutkan diatas. Jenis aliran fluida didalam pipa tergantung pada beberapa
faktor, yaitu:
dengan:
a. Kecepatan fluida
v didefinisikan besarnya kecepatan aliran yang mengalir persatuan luas:
v = Q/A [m/detik].............................................(2.17)
dengan : v = kecepatan fluida (m/s)
Q = laju perpindahan panas (W)
A = luas penampang tegak lurus bidang (m2)
Diagram moody yang digunakan untuk menetukan nilai fatkor gesekan
diagram sangat bermanfaat untuk menghitung aliran yang terjadi pada suatu pipa,
sejujurnya saja sangat susah untuk menghitung nilai friction didalam pipa, apalagi
bila pipa tersebut mempunyai panjang yang lumayan, sehingga perbandingan
antara diameter dan panjang pipa sangatlah kecil. cara yang paling mudah adalah
dengn pembacaan melalui moody diagram, tanpa mengetahui dengan pasti nilai
dari kekasaran pipa, kita dapat memperkirakan dengan mudah melalui pembacaan
Universitas Sumatera Utara
24
diagram ini. Untuk mencari head loss pada pipa karena gesekan dapat dihitung
dengan. Diagram Moody memberikan faktor gesekan pipa. Faktor ini dapat
ditentukan oleh bilangan Reynold dan kekasaran relatif dari Pipa. Di dekat dinding
kalor adanya daoat mengalir dengan cara konduksi karena partikel-partikel fluida
tidak bergerak relatif terhadap batas. Lebih jauh dari dinding, gerakan fluida tidak
bergerak relatif terhadap batas. Lebih jauh dari dinding, gerakan fluida membantu
transport energi itu dan gardien suhu akan kurang curam, dan akhirnya menjadi
rata di aliran utama
Gambar: 2.15 Diagram Moldy
Universitas Sumatera Utara
25
Menggunakan Diagram Moody adalah untuk memperoleh nilai gesekan
pipa (f) dan dapat dilakukan dengan mengetahui beberapa parameter seperti
berikut Perpindahan kalor antara batas padat pada fluida terjadi karena adanya
suatu gabungan dari konduksi dan pengantar massa. Kecepatan perpindahan
energi bergantungan pada gerakan masa. Kecepatan perpindahan energi
bergantungan pada gerakan pencampuran partikel-partikel fluida. Untuk
memindahkan kalor dengan cara konveksi melalui fluida pada laju tertentu
diperlukan gradien suhu yang lebih besar di daerah dimana kecepatan rendah
daripada di daerah dimana kecepatan tinggi.
Dengan menerapkan pengamatan-pengamatan kualitatif ini pada
perpindahan kalor dari dinding padat ke fluida, kita dapat menggambarkan profil
suhunya secara kasar. Di dekat dinding kalor adanya dapat mengalir dengan cara
konduksi karena partikel-partikel fluida tidak bergerak relatif terhadap batas.
Lebih jauh dari dinding, gerakan fluida tidak bergerak relatif terhadap batas.
Lebih jauh dari dinding, gerakan fluida membantu transport energi itu dan gardien
suhu akan kurang curam, dan akhirnya menjadi rata di aliran utama. Gambar
dibawah ini menunjukkan aliran udara melewati sudu-sudu pipa berelok.
Distribusi suhu yang ditunjukan dalam gambar ini menggambarkan permikiran-
pemikiran diatas secara kualtitatif.
Pembahasan diatas mengarah pada mengarah pada suatu cara untuk
menentukan laju perpindahan kalor antara dinding padat dan fluida, karena pada
bidang antara (yaitu pada y = 0) kalor mengalir hanya dengan cara konduksi,
maka laju aliran kalor dapat di hitung dari persamaan :
........................................................(2.17)
dengan :
A= luas penampang dari setiap saluran (m2)
d = diamter pipa (m)
2.5. Isolasi Panas
Isolasi berfungsi untuk mencegah kehilangan panas alat penukar kalor
pipa-pipa yang bersuhu panas dan sekelilingnya yang suhunya lebih rendah atau
sebaliknya. Untuk alat penukar kalor dengan suhu rendah, Untuk alat penukar
Universitas Sumatera Utara
26
kalor dengan suhu rendah, isolasi befungsi untuk mencegah masuknya panas
karena suhu sekitarnya lebih tinggi. Isolasi dapat juga dapat menjaga suhu
didalam agar tidak keluar. Semakin tebal isolasi, maka semakin sedikit panas yang
hilang. Bahan isolasi panas yang baik memiliki ciri-ciri sebagai berikut
1. Daya hantar panas rendah
2. Dapat menahan arus konveksi
3. Disesuaikan dengan suhu
Biasanya digunakan sebagai bahan isolasi beserta konduktivitas termalnya
Tabel 2.3 konduktivitas termal bahan isolasi [6]
Magnesit 4.15
Bahan Konduktivitas Termal (W/moK)
Magnesit 4.15
Marmar 2.08-2.94
Batu pasir 1.83
Alumanium foil kraft paper 0.037
Wol kaca 0.038
Kayu, maple atau EK 0.17
Dari tabel diatas dapat dilihat konduktivitas termal material yang
digunakan sebagai bahan isolasi adalah material yang memiliki konduktivitas
termal yang rendah
2.6. Efektivitas Penukaran Kalor dengan Metode ε-NTU(Efektivitas –
number Tranfer of Unit)
Metode log mean temperature difference dalam menganalisis penukaran
kalor berguna bila suhu fluida masuk dan suhu fluida keluar diketahui atau dapat
ditentukan dengan mudah, sehingga LMTD dapat dihitung dan aliran kalor, luar
permukaan, serta koefisian perpindahan panas dapat dihitung. Namun apabila
hanya temperatur fluifa masuk saja yang diketahui maka metode tidak dapat
keefektifan NTU. Dimana metode efektivitas ini mempunyai beberapa
keuntungan untuk menganalisis permasalahan dimana kita harus membandingkan
berbagai jenis penukaran kalor demi memilih jenis yang terbaik untuk
melaksanakan suatu tugas perpindahan kalor tertentu. perpindahan panas
Universitas Sumatera Utara
27
pada penukar panas (saat penukar counter khususnya) bila ada informasi yang
cukup untuk menghitung Log-rata-rata Suhu Selisih.
Q =
............................................................ (2.18)
dengan rumus:
Q = debit aliran
= Laju aliran masa fluida
Dalam analisis penukar panas, jika inlet fluida dan temperatur outlet
ditetapkan atau dapat ditentukan oleh keseimbangan energi sederhana, metode
LMTD dapat digunakan, tetapi ketika suhu tidak tersedia NTU atau Metode
Efektivitas digunakan. Untuk menentukan efektivitas dari penukar panas kita
perlu menemukan perpindahan panas maksimum yang mungkin yang dapat
diduga dicapai dalam penukar panas kontra-aliran panjang tak terbatas. Oleh
karena itu salah satu cairan akan mengalami perbedaan suhu maksimum yang
mungkin, yang merupakan perbedaan Thi-Tci ( Perbedaan suhu antara suhu masuk
dari arus panas dan suhu inlet aliran dingin ).Hasil metode dengan
menghitung harga kapasitas panas (laju aliran massa yaitu dikalikan dengan panas
spesifik ) Ch untuk cairan panas dan dingin masing-masing, dan yang
menunjukkan yang lebih kecil sebagai Cmin . Alasan untuk memilih tingkat
kapasitas panas yang lebih kecil adalah untuk menyertakan perpindahan
panas layak maksimum antara cairan bekerja selama perhitungan.
Qmaksinal=Cmin(Thi-Tc), ..........................................(2.19)
kemudian ditemukan, dimana Qmax adalah panas maksimum yang dapat
ditransfer antara cairan. Menurut persamaan di atas, untuk mengalami
perpindahan panas maksimum kapasitas panas harus diminimalkan karena kita
menggunakan perbedaan suhu maksimum mungkin. Hal ini membenarkan
penggunaan Cmin dalam persamaan. Efektivitas ( ), adalah rasio antara tingkat
perpindahan panas yang sebenarnya dan transfer rate mungkin panas maksimum:
( )
( ( )...................................................(2.20)
syarat penentukan efektivitas
bila Ch=Cmin,
maka
Universitas Sumatera Utara
28
bila Cc=Cmin,
maka =
.................................................(2.21)
dimana
Ch= .....................(2.22)
Cc dan Ch adalah kapasitas panas fluida dingin dan kapasitas panas fluida
panas. Keefektivitas sebuah alat penukar kalor bergantungan pada bentuk ukuran
alalt penukar kalor dan arah aliran yang terjadi. Oleh karena itu persamaan tipe
pada alat penukar kalor akan menghasilkan persamaan keefektivitas yang berbeda.
J.P Holman menulis persamaan untuk menentukan efektivitas persamaan diatas
juga dapat digunakan dalam penentuan untuk hasil pengukuran dengan
menggantikan Tout dengan yang diperoleh dari pengukuran. Untuk efektifitas dari
sisi aliran terpisah , maka persamaan yang digunakan adalah :
( ) ( )
( )................................(2.23)
Oleh karena itu dari persamaan diatas maka untuk menghitung efektifitas
terlebih dahulu kita harus mencari nilai C1 dengan menggunakan persamaan
sebagai berikut :
( ).....................................................(2.24)
dimana :
ṁ = Laju aliran massa
Cp = Panas jenis fluida
dengan persamaan – persamaan diatas maka kita dapat menentukan nilai
efektifitas dari alat penukar kalor tersebut.
Gambar: 2.16 efektivitas untuk aliran sejajar (Pararel Flow) [7]
Universitas Sumatera Utara
29
Selain dari persamaan diatas dapat ditentukan melalui grafik yang
menunjukkan hubungan tersebut, berikut adalah grafik hubungan efektivitas
sebagai fungsi NTU dan c untuk semua jenis APK. Grafik yang menunjukan
aliran sejajar alat penukar kalor tipe tabung terpusat. Dalam menjelaskan
efektivitas dari sebuah penukaran panas pertama – pertama harus ditentukan laju
perpindahan panas maksimum yang mungkin pada penukaran panas, qmaks.
Perpindahan panas ini dapat dicapai oleh penukaran searah yang mempunyai
panjang tak terhingga.
2.7. Analisa Penukar Panas Aliran yang Searah dan Berlawanan
2.7.1 Penukar Panas Aliran searah
Model matematika dari sistem APK tersebut , seperti yang digambarkan pada
Gambar dibawah. Terdiri dari tiga tabung konsentris. Seperti yang ditunjukkan
pada Gambar,aliran fluida dingin masuk ke perpindahan panas dengan suhu =
= , sedangkan suhu fluida panas masuk ke exchanger di x = L, dengan suhu
inlet seragam =
Gambar 2.17 model matematika Counter flow
Keefetifan penukar panas definisi sebagai pendingin dari tingkat transfer
panas yang sebenarnya ke transfer panas yang maksimum [7-12] karena adanya
tiga fluida terlibat dalam penuar panas tabun. Jelas terpisah keefektifan untuk
setiap aliran fluida dan keefektifan keseluruhan untuk perpindahan panas harus
didefinisikan mengikuti sistim fisik dan nomenklatur yang ditunjukkan pada
gambar 2.19 Pipa triple konsentrik
Hubungan rumus pada saluran pipa dengan persamaan rumus 2.19
diperoleh dengan dibawah ini
( ) ( ) ( ) ......................(2.25)
Universitas Sumatera Utara
30
Dimana aliran adalah kecepatan transfer panas actual untuk
aliran cairan 1, 2 dan 3 masing-masing dan dapat dihitung dari
( ) .........................................(2.26)
( ).......................................(2.27)
( ) ........................................(2.28)
dengan : = Kecepatan transfer panas aktual (watt)
Ci = Laju Kapasitas panas aliran dalam saluran i (W/oK)
Jika suhu diketahui disamping suhu inlet tingkat perpindahan panas
maksimum yang mungkin untuk aliran dapat diberikan sebagai berikut
( ) ( )....................................(2.29)
( ) ( )....................................(2.30)
( ) ( )....................................(2.31)
dimana C1 = ( ) menunjukan tingkat kapasitas panas dari saluran fluida
terdalam dan Cmin adalah kapasitas minimum untuk perpindahan panas yang
didefenisikan dalam bentuk berikut
{ ( )
( )+ ( ( ) ..................(2.32)
Subsitusikan dari ekspresi masing-masing dari persamaan 2.25 – 2.32
kedalam persamaan menghasikan ekspresi berikut untuk efektivitas
{
+
.........(2.33)
dengan:
= Efektivitas masing-masing aliran fluida
= Keefektivitas utama untuk seluruh perpindahan panas
Jika temperatur outlet ditentukan selain suhu inlet yang diketahui ekspresi
diatas untuk keefektivitas berharga untuk tujuan desain, namun pada umumnya
suhu saluran keluar tidak diketahui, untuk alasan ini bagaimana juga keefektivitas
harus dinyatakan dalam tingakt kapasitas panas (C1, C2 dan C3 ) dari tiga aliran
Universitas Sumatera Utara
31
fluida dan jumlah unit transfer yang ditentukan secara tetap ( N1, N2, dan N3 )
untuk tujuan ini volume control diferensial dari panjang persamaan 2.32 dan
keseimbangan energi keadaan normal diterapkan untuk mendapatkan hubungan
dibawah ini:
= ∫
, = ∫
, ........................(2.34)
Dimana tingkat transfer panas deferensial d dan d didefinisikan sebagai :
d ( - ) d d ( - ) d .......................(2.35)
Menggunakan parameter mondimensional dan temperatur analisis lengkap
yang ditentukan dengan persamaan 2.26 - 2.31 dibentuk dengan intergreal berikut
tingkat transfer panas yang sebenarnya diperoleh:
∫ ( )
∫ ( )
..........(2.36)
Dan menggabungkan hasil intergral dengan persamaan 2.25 – 2.32
efektivitas analisis NTU untuk pengaturan aliran searah diperoleh hubungan yang
dihasilkan bersama dengan fungsi temperatur non-demensi yang digunakan
dengan interasi dan parameter lainnya yang tersebut aliran dalam bagian berikut.
Dalam refrensi 2.25-2.32 ekspresi temperatur nondimensional diberikan
untuk semua kemungkinan kemungkinan diskriminan yaitu untuk >0 dan =0,
itu secara matematis dapat ditampilkan untuk sistem fisik yang sedangkan
dipertimbangkan untuk alasan ini dalam memperoleh hubungan efektivitas –NTU
untuk singkatnya menggunakan definisi berikut :
= ( ) = ( ) = ( ) ...................................(2.37)
= 2π L = 2π L Δ = - .............(2.38)
dan parameter dibawah nondimensional :
X=
=
=
=
............(2.39)
untuk mencari perbandingan temperature suhu dingin:
=
=
..................(2.40)
dengan :
Cr = Ratio Kapasitas Kalor
C= kalor W/K
Universitas Sumatera Utara
32
=
=
......................(2.41)
N = Bilangan NTU (Number Transfer Unit)
dengan:
dimana dan
didefinisikan sebagai berikut :
( ) ( )
= ( ) ( )
........(2.42)
Persamaan keseimbangan energi yang mengatur dapat disederhanakan
menjadi tiga persamaan ringkat berikut :
+ (1- ) - =0………………………..(2.43)
+ (1- ) - =0………………………..(2.44)
= + ……………………………..(2.45)
dengan : = diameter Koefesien pada pipa
Dengan mengeleminasikan dan masing masing dari persamaan ke
2.35 dan 2.36 maka kita memperoleh persamaan diferensial untuk fluida dingin
yaitu :
+ A
+ B = 0……………………………..(2.46)
+ A
+ B = 0……………………………(2.47)
dimna koefisien A dan B didefinisikan sebagai berikut :
A =N1 + N3 + N2...................................................(2.48)
dengan :
B = [1-( + ) .....................................(2.49)
Pada perhitungan , menggunakan persamaan pada persamaan pada 2. 48-
2.49 berikut :
+ Aλ + B = 0 ...............................................(2.50)
dimana dan adalah akar akar yang memiliki nilai – nilai :
= √
=
√
................(2.51)
Universitas Sumatera Utara
33
= Ratio kapasitas panas
dimana dan diperoleh
F1 = -[N1(1+Cr1)+N3Cr3] , F2 = -[N1 Cr1 + N3 Cr3] , F1 = [ N1 Cr1 + N3
(1+Cr1)]..(2.52)
dimana F merupakan sebuah penyederhanaan dari persamaan di atas,
Distribusi temperature fluida panas disepanjang APK kemudian
diperoleh dengan substitusi dari dan kepersamaan 2.35, 2.41 dan 2.43 dan
melalui integrasi persamaan dari X= 0 ke X maka persamaan tersebut menjadi :
( )
,( )
( ) -,.................(2.53)
( )
,( )
( ) -
Dalam analisis penukar panas, masalah disebut sebagai masalah desain,
jika perancang menghadapi pertanyaan tentang apa ukuran exchanger; , ,
L,haruslah untuk mencapai kondisi outlet yang diinginkan. Jika temperature fluida
panas telah diketahui dan juga nilai maka untuk persamaan 2.31 untuk nilai X=
1 pada (X)=1
Solusi persamaan diatas menghasilkan persamaan baru untuk suhu keluar
dari fluida panas dan fluida dingin yaitu lebih lanjut, jika mendapatkan suhu
saluran keluar dari tiga aliran dalam bentuk dimensi maka, mendapatkan
persamaan berikut dengan mentransformasikan persamaan efektivitas diatas
dengan menggunakan persamaan 2.25- 2.53 dengan mengunakan penyelesain
dengan bilangan numerik diperoleh sebagai berikut :
*( )[( ) - ( )[(
) -+ ........(2.54)
.......................................................(2.55)
*( )[( ) - ( )[(
) -+ ...........(2.56)
Adapun aliran solusi persamaan meghasilkan persamaan untuk suhu keluar
dari dluida panas dan fluida dingin didapat suhu keluar dari tiga aliran dalam
bentuk dimensi dan mendapatkan persamaan berikut dengan mengtransformasikan
persamaan efektivitas
2.7.2 Penukar Panas Aliran Berlawanan
Universitas Sumatera Utara
34
Gambar :2.18 Aliran Berlawanan
Keefetifan penukar panas definisi sebagai pendingin dari tingkat transfer
panas yang sebenarnya ke transfer panas yang maksimum [7-12] karena adanya
tiga fluida terlibat dalam penuar panas tabun. Jelas terpisah keefektifan untuk
setiap aliran fluida dan keefektifan keseluruhan untuk perpindahan panas harus
didefinisikan mengikuti sistim fisik dan nomenklatur yang ditunjukkan pada
gambar 2.29 Pipa tripel konsentrik
Secara numerik dapat ditampilkan untuk sistem fisik yang sedangkan
dipertimbangkan untuk alasan ini dalam memperoleh hubungan efektivitas –NTU
untuk singkatnya menggunakan definisi berikut :
= ( ) = ( ) = ( ) ...................................(2.57)
= 2π L = 2π L Δ = - .............(2.58)
dan parameter dibawah nondimensional :
X=
( )=
( ) ( )
( )=
( ) ( )
=
............(2.59)
untuk mencari perbandingan temperatur suhu dingin:
=
=
..................(2.60)
dengan :
Cr = Ratio Kapasitas Kalor
C= kalor W/K
=
=
......................(2.61)
N = Bilangan NTU (Number Transfer Unit)
dengan:
dimana dan
didefinisikan sebagai berikut :
( ) ( )
= ( ) ( )
........(2.62)
Universitas Sumatera Utara
35
Persamaan keseimbangan energi yang mengatur dapat disederhanakan
menjadi tiga persamaan ringkat berikut :
+ (1- ) - =0………………………..(2.63)
+ (1- ) - =0………………………..(2.64)
= + ……………………………..(2.65)
dengan :
= diameter Koefesien pada pipa
Dengan mengeleminasikan dan masing masing dari persamaan ke
2.35 dan 2.36 maka kita memperoleh persamaan diferensial untuk fluida dingin
yaitu :
+ A
+ B = 0……………………………..(2.66)
+ A
+ B = 0……………………………(2.67)
dimna koefisien A dan B didefinisikan sebagai berikut :
A =N1 + N3 - N2...................................................(2.68)
dengan :
B = [1-( + ) .....................................(2.69)
Pada perhitungan , menggunakan persamaan pada persamaan pada 2.68-
2.69 berikut :
+ Aλ + B = 0 ...............................................(2.70)
dimana dan adalah akar akar yang memiliki nilai – nilai :
= √
=
√
................(2.71)
= Ratio kapasitas panas
dimana dan diperoleh
F1 =N2 – N1, F2 = N2 – N1, F3=N2 – N3............................(2.72)
dimana F merupakan sebuah penyederhanaan dari persamaan di atas,
dengan mencari dengan menggukanan persamaan 2.39
Universitas Sumatera Utara
36
Distribusi temperature fluida panas disepanjang APK kemudian
diperoleh dengan substitusi dari dan kepersamaan 2.35, 2.41 dan 2.43 dan
melalui integrasi persamaan dari X= 0 ke X maka persamaan tersebut menjadi :
( )
,( )
( ) -,.................(2.73)
( )
,( )
( ) -
Dalam analisis penukar panas, masalah disebut sebagai masalah desain,
jika perancang menghadapi pertanyaan tentang apa ukuran exchanger; , ,
L,haruslah untuk mencapai kondisi outlet yang diinginkan. Jika temperature fluida
panas telah diketahui dan juga nilai maka untuk persamaan 2.31 untuk nilai X=
1 pada (X)=1
Solusi persamaan diatas menghasilkan persamaan baru untuk suhu keluar
dari fluida panas dan fluida dingin yaitu lebih lanjut, jika mendapatkan suhu
saluran keluar dari tiga aliran dalam bentuk dimensi maka, mendapatkan
persamaan berikut dengan mentransformasikan persamaan efektivitas diatas
dengan menggunakan persamaan 2.57- 2.73 dengan mengunakan penyelesain
dengan bilangan numerik diperoleh sebagai berikut :
*,( )[( ) - ( )[(
) -+ ,
- ..........................................................(2.74)
( )
.................................................(2.75)
*( )[( ) - ( )[(
) -+ ,
...............................................................(2.76)
Universitas Sumatera Utara
37
BAB III
METOLOGI PENELITIAN
3.1 Desain Penelitian
Penukar kalor yang penelitian untuk digunakan dalam pengerjaan adalah
metode eksperimen dan merupakan penelitian kualitatif yaitu memaparkan secara
jelas hasil eskperimen dilaoratorium terhadap variabel yang sebelumnya telah di
tentukan, dengan tujuan untuk mengalanisa nilai efektivitas yang diperoleh alat
penukar kalor tipe tabung pipa triple concentric dengan tiga tabung dua laluan
sebagai air pendigin dan air panas. Fluida yang digunakan air berasal dari air
PDAM sebagai penelitian yang digunakan.
3.2 Lokasi
Tempat penelitian merupakan lokasi pengerjaan penelitian guna
membuktikan kebenaran dari penelitian. Perpindahan panas pada alat penukar
kalor tipe tabung pipa triple concentric tube akan dilakukan di Laboratorium
Motor Bakar di Departemen Teknik Mesin S2, Universitas Sumaera Utara, setelah
di dapat data hasil penelitian maka dilakukan pengolahan data dari hasil
penelitian. Kondisi lingkungan pada waktu pengujian diperkirakan bertemperatur
26-31oC
3.3 Waktu Penelitian
Waktu penelitian selama 7 hari yaitu pada tanggal 1 Febuari sampai
dengan 8 Febuari 2018 setelah di dapat data hasil penelitian maka dilakukan
pengolahan data dari hasil penelitian
3.4 Alat dan Bahan
Pada tahap ini dilakukan pencarian dan pengumpulan bahan bahan
diperlukan dalam pengkostruksi alat penukar kalor. Alat –alat dan bahan
diperlukan dalam pengkonstruksi alat penukar kalor. Pada penelitian ini variable
bebas yaitu Tout dari ketiga pipa , sedangkan variable terikat yaitu Tin pada ketiga
pipa
3.4.1 Alat
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut
a. Termometer
Universitas Sumatera Utara
38
Untuk mengetahui suhu temperatur fluida pada air panas maupun air
dingin Yang dinginkan sebelum melukan pengujian
Tipe : Termometer Alkohol
Suhu : -1oC -78
oC
Gambar 3.1 Termometer
b. Termokopel
Termokopel tipe k, kemudian diolah oleh software Install dan Tracerdaq
di Komputer. Adapun gambar Data acquisition. Termokopel digunakan untuk
sebagai alat sensor yang di hubungkan ke kolparmar sebagai media membaca
dihubungkan komputer
Tipe : Thermocopule type T
Jangkauan pengukuran : -40 sampai 350oC
Toleransi : ± 0,75%
Gambar 3.2 Termokapel
c. Cole-Parmer
cole-parmer untuk mengetahui suhu temperatur fluida air masuk dan
fluida air keluar sebagai alat penukar kalor di berbagai enam titik untuk
Universitas Sumatera Utara
39
mengetahui suhu dua titik fluida masuk air dingin dan satu titik fluida masuk air
panas dan dua titik fluida keluar air dingin dan satu keluar fluida air panas
kemudian diolah oleh software Install dan Tracerdaq di Komputer. Adapun
gambar Data acquisition. Module type 18200-400
Gambar 3.3 cole-parmer
Spesifikasi:
1. Meter Measurement Type Thermocouple
2. Types Of Probes Acceted Type F, Type J. Type K, Type T
3. Min Temperature (oF) -418
4. Max Temperature (oF) 2501
5. Min Temperature (oC) -251
6. Max Temperature (oC) 1372
7. Resolution 0,1o:1
o below =1500
oC
8. Width 61/8
9. Koneksivitas USB
10. Input Temperatur 7 Channel
11. Model Cole-Parmer 18200-40
d. Flowmeter
PAlat ukur ini berfungsi untuk mengukur besar kapasitas aliran yang
terjadi pada tabung sebagai laju aliran fluida air panas dan laju aliran fluida air
dingin sebelum pengujian berlangsung.
Spesifikasi :
Universitas Sumatera Utara
40
Model : Jenis flowmeter vertikal
Satuan : LPM (Liter Per Menit) atau GPM( Galon Per Menit)
Debit : 1 s/d 15 LPM atau 0.5 s/d 5 GPM
Gambar 3.4 Flowmeter
e . Alat Pemanas (heater water)
Alat ini berfungsi untuk mengatur temperatur fluida panas yang masuk
kedalam APK agar tetap pada temperatur yang diinginkan sebagai fluida panas
yang akan diiginkan Sebelum percobaan dilakukan. Ini gambar alat pemanas
(heater water)
Spesifikasi :
1. Elemen Pemanas Air / Water Heater 1000 W
2. Dayaa 1000 Watt
Ukuran kemasan 28 cm x 4.5 cm x 4.5 cm
Gambar 3.5 Alat Pemanas (water heater)
f. Pompa Aquarium
Penelitian ini terdapat dua pompa yang digunakan yaitu pompa fluida air
panas dan pompa fluida air dingin. Pompa ini berfungsi untuk mengalirkan kedua
fluida baik melalui pipa konsentrik dengan aliran yang diatur melalui pompa
sesuai dengan yang dinginkan. Dari gambar pompa digunakan dalam penelitian
Universitas Sumatera Utara
41
analisis keefektivan alat penukar kalor pipa konsentrik tube. Berikut adalah
gambar pompa fluida yang digunakan.
Gambar 3.6 Pompa Fluida
Spesifikasi:
1. Power 6 watt
2. Height max 0.5 meter
3. Max output 1200 L/H
Alat penukar kalor yang digunakan dalam penelitian ini adalah alat
penukar kalor tiga saluran aliran terbagi menggunakan pipa tembaga dengan tiga
saluran terbagi menggunakan pipa tembaga dengan diameter pipa 1
=0.0127 m, diameter pipa 2 = 0.0254 m dan diameter Pipa 3 = 0.04
m dengan panjang 1,3 meter, kemudian agar meminimalisir masuknya udara
kedalam pipa diameter 0,3 mm
Gambar : 3.7 Tiga lapis tabung konsentris
Universitas Sumatera Utara
42
Pengujian dilakukan denga memberikan aliran fluida laminar.
Gambar 3.8 APK tipe tiga saluran pipa konsentrik
3.4.2 Bahan
Pada penelitian ini digunakan air PDAM yang terlebih dahulu ditampung
dalam wadah penampungan berupa ember. Pada penelitian ini dilakukan pada
pagi dan sore hari antara pukul 08.00 s/d 16.00 WIB. Air tersebut akan digunakan
sebagai penelitian dengan air dingin dan air panas. Suhu Air lingkuran mencapai
sekitar 27oC yang air digunakan pada suhu 25
oC untuk menerunkan air digunakan
es batu untuk media pendingin dan pada air panas akan digunakan media alat
pemanas (heater water) untuk mencapai suhu yang diinginkan suhu 50oC, suhu
55oC dan suhu 60
oC [14] dengan sesuai laju aliran digunakan. Sedangkan untuk
sifat-sifat fisik air bisa dilihat pada tabel properties air dilihat pada lampiran
3.5 Metode Pengumpulan Data
Percobaan ini merupakan proses pemansangan yang terjadi pada APK oleh
karena itu pada pengumpulan data yang dilakukan temperatur fluida panas yaitu
dengan 3 variasi pada suhu 50oC, 55
oC dan 60
oC sedangkan temperatur fluida air
dingin yaitu air masuk APK adalah konstan yaitu 25oC.
Universitas Sumatera Utara
43
3.6 Skema alat pengujian APK dengan konfigurasi aliran searah (Pararel
Flow)
Berikut ini adalah proses yang dilakukan dalam pengujian alat penukar
kalor ada tiga aliran terbagi
Gambar 3.9. Skema alat pengujian APK dengan konfigurasi aliran searah (Pararel
Flow)
Gambar 3.10 Skema alat pengujian APK dengan konfirgurasi aliran berlawanan
(Counter Flow)
Untuk skema alat pengujian dengan konfirgurasi aliran searah dan
berlawanan dengan aliran fluida air panas dan fluida air dingin masuk dengan
searah. Untuk bersamaan aliran fluida air panas keluar dan fluida air dingin air
Universitas Sumatera Utara
44
sebagai media untuk pelakukan percobaan pengujian. Dimana pengujian alat
penukar kalor tiga saluran pipa menjadi dua saluran yang digunakan saluran fluida
air dingin dan fluida air panas Tc1 dan Tc2 sedangkan Th1
Berikut ini adalah proses yang dilakukan dalam pengujian Alat penukar
kalor triple concentrick tube yang ada dilaboratorium
Gambar 3.11 Set Up Eksperimen aliran searah (Pararel)
Universitas Sumatera Utara
45
Gambar: 3.11 Set up Eksperimental aliran berlawanan arah (Counter Flow)
Universitas Sumatera Utara
46
Proses pengolahan data diagram alir yang dilakukan pengujian dalam
bentuk bagan dengan proses sebagai berikut ini
\\
Gambar :3.12 Diagram Alir Pengumpulan data pengujian
Universitas Sumatera Utara
47
BAB IV
HASIL DAN ANALISA PENELITIAN
4.1. Analisa Data Ekperimental
Alat penukar kalor tiga saluran dan satu laluan aliran terbagi dengan konfirgurasi
aliran yang searah (pararel flow). Adapun penelitian ini dilakukan dengan
menggunakan metode Alat Penukar Kalor tipe tiga lapis tabung (triple concentric
heat exchanger) dengan bahan dasar tembaga, tipe tripel concentric heat
exchanger ini mempunyai kelebihan dibandingkan dengan penukar kalor tipe
yang lainnya, yaitu kemudahan alat ini untuk dibuka dan dilepaskan dari
rangkainnya sehingga memungkinkan pembersihan dan perawatan yang lebih baik
dan mudah. Selain daripada itu, alat ini juga cocok digunakan untuk fluida cair,
sebab mempunyai permukaan perpindahan panas yang bergelombang sehingga
menyebabkan turbulensi dari aliran fluida menjadi lebih tinggi dan otomatis
perpindahan panas yang terjadi akan lebih efektif. Adapun variasi suhu dan laju
aliran dapat lihat pada tabel 4.1
Tabel 4.1 Variasi suhu dan laju aliran
Variasi suhu Variasi Laju aliran
Suhu 50°C 1,5 LPM
Suhu 55°C 2,0 LPM
Suhu 60°C 2,5 LPM
Tabel 4.2 Variabel pengumpulan data
Pengujian Debit air panas
(LPM)
Debit air dingin
1&2 (LPM)
Suhu air panas
(°C)
Suhu air dingin
1&2 (°C)
1
1,5
1,5
50
25
2 55
3 60
4 2.0 50
5 55
6 60
7
2,5
1,5
50
8 55 25
Universitas Sumatera Utara
48
9 60
Pada ekspriment diatas dapat di lihat untuk alat penukar kalor tiga saluran satu
laluan ini dilakukan dengan variasi kecepatan 0,000025m3/s terhadap temperatur
50oC, 55
oC, dan 60
oC, selanjutnya dengan variasi kecepatan 0,000033m
3/s
terhadap temperatur masuk 50oC, 55
oC dan 60
oC, dan untuk variasi kecepatan
0,000041m3/s terhadap temperatur masuk dengan variasi temperatur 50
oC, 55
oC
dan 60oC. Suhu air dingin 25
oC dengan variasi kecepatan 0,000025m
3/s
Eksperimen dilakukan sebanyak 9 kali setiap percobaan sesusaai dengan variasi
suhu dan laju aliran pada tabel 4.2
4.1.1. Analisa laju aliran massa
Pengujian ini menggunakan tiga jenis variasi kecepatan terhadap tiga variasi
temperatur masuk fluida yang berbeda juga, untuk menentukan laju aliran massa
udara didalam pipa diperoleh dari tabel 4.3 sebagai berikut:
Tabel 4.3 Massa jenis fluida
4.1.2. Bilangan Reynold
Untuk menentukan bilanga reynold fluida pada saluran I, saluran II, dan saluran
III dalam pipa digunakan persamaan 2.23 sebagai berikut
= 2693,35
= 1231,83
= 546,61
Vɑ (m/s) ṁ (m3/s)
1,5
2,0
2,5
0,000025
0,000033
0,000041
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
50
Adapun didapat dari data penelitian diameter dalam dan diameter luar pipa dapat
dilihat dari tabel 4.5 sebagai berikut :
Tabel 4.5 Diameter Dalam dan Diameter Luar Pipa
V(m/s) karakteristik D(m)
1,5 Di1 12,7x10-4
Do1 14,3x10-4
2,0 Di2 25,4x10-4
Do2 27,28x10-4
2,5 Di3 40,00x10-4
Do3 42,5x10-4
Dimana N merupakan sebuah koefisien dan bilangan nondimensional perkalian
dari koefisen perpindahan panas dengan luas dan dibagi dengan kapasitas kalor,
Didapatkan hasil dengan persamaan 2.41 sebagai berikut ;
=
N2 = N1 Cr1 + N3Cr3
N2 = 32,80
=
= 29,91
Selanjutnya mencari nilai A dan B, yang dimana untuk digunakan mencari
rumus diperoleh sebagai berikut dan
Rumus cari A dan B : dengan persamaan 2.48-2.49
A =N1 + N3 + N2
A = = 65,61
Dimana A dan B merupakan bilangan koefisien yang digunakan untuk
menghitung
Didapatkan hasil nya Dimana :
B = [1+( + )
B = [(1+0,99+0,00+2,90)] = 260,19
Pada perhitungan , menggunakan persamaan pada persamaan pada 2.51 berikut :
= √
= -61,37
Universitas Sumatera Utara
51
= √
= -4,23
2 - 1
= (-4,23) – (-61,37) = 57,13
Dan selanjutnya kita mencari nilai F dengan persamaan 2.52 sebagai
berikut:
F1 = -[N1(1+Cr1)+N3Cr3] , F2 = -[N1 Cr1 + N3 Cr3] , F3 = -[ N1 Cr1 + N3 (1+Cr1)]
F1 = -35,70
F2 =32,80
F3 = -61,71
Dimana = rasio kapasitas aliran (N.s/m2) diperoleh dari interpolasi sifat fluida
pada tekanan temperatur diambil sempel temperatur fluida masuk panas yaitu
pada temperatur 41,413oC
Tin2 =41,413oC = (273+41,413) K = 314,413 K
Untuk mencari nilai maka di butuhkan tabel incopera sebagai berikut :
Pada tabel 4.7 incopera diperoleh sifat-sifat fluida cair berupa :
Tin-2 ( K ) ( NS/m2) Cp (K.j/kg.k)
315
314,413
320
613x10-6
577x10-6
4179
Cp
4,180
Dari data tersebut maka cari nilai yang tidak diketahui:
=......?
Maka didapat :
( ) ( )
( )
Cp=....?
( )
Kita dapat Cp, dari table property air berdasarkan T = ΔT/2,
Universitas Sumatera Utara
52
4.1.3. Menentukan laju kapasitas aliran:
Dengan persamaan kapasitas aliran 2.33
C=ṁCp
a. Laju kapasitas pada saluran I
C1= ṁ1-Cp1 = 87,5x10-3
K.w/k
b. Laju kapasitas pada saluran II
C2= ṁ2-Cp2 = 171,421x10-3
K.w/k
c. Laju kapasitas pada saluran III
C3= ṁ3-Cp3 = 104,5x10-3
K.w/k
Maka laju total kapasitas aliran pararel flow sebagai berikut:
Cs = C2+C3 = 275,921x10-3
kw/K
Dimana :
C1 dan C3, ditentukan Cmin yang menentukan minimum kapasitas aliran :
Cmin = C1 korelasi C1 < Cs
Untuk mencari ratio kapasitas tabung tipis dengan persamaan 2.40
=
= 0,9999
=
1,0002
Dengan mengasumsikan bahwa dinding tabung tipis, diferensial luas permukaan
dan koefisien perpindahan panas keseluruhan yang muncul dalam persamaan di
atas dapat diberikan dengan menggunakan persamaan 2. 42
= ( ) ( )
G1 = 29,97
= ( ) ( )
= 7,99
4.1.4 Mencari nilai Efektivitas :
Dimana dengan menggunakan persamaan dan dapat ditentukan nilai efektivitas
( ) hasil eksperimen dengan persamaan 2.54 – 2.56
Universitas Sumatera Utara
53
*( )[( ) - ( )[(
) -+
*( )[( ) - ( )[(
) -+
Dengan adanya G1’ dan G2’, maka kita dapat mencari dengan rumus :
= 66,45%
Lakukan hal yang sama pada asumsikan perhitungan efektivitas data eksperimen
variasi temperatur 50oC; 55
oC; 60
oC; laju aliran 0,000025m
3/s , 0,000033m
3/s dan
0,000041m3/s
4.1.6. Data Eksperimen pada aliran searah
Setelah melalukan perhitungan hal diatas pada semua penelitian maka data – data
efektifitas aliran searah tersebut dapat diperoleh dalam tabel sebagai berikut :
Tabel 4.8 efektivitas aliran searah
Data
Debit
air
panas
(LPM)
Fluida Panas Debit
air
Dingin
(LPM)
Fluida Dingin
ε1 (%) ε2(%) ε3(%) Fluida
masuk
Thin(°C)
Fluida
keluar
Tho(°C)
Fluida
masuk
Tcin1
(°C)
Fluida
masuk
Tcin3
(°C)
Fluida
keluar
Tco1(°C)
Fluida
keluar
Tc03(°C)
1
1,5
49,76 29,1
1,5
25,58 25,67 41,23 40,11 32,89 66,45 33,55
2 54,9 34,66 25,08 25,25 43 40,97 32,9 66,46 33,57
3 60,7 33,08 24,83 25,03 43,52 42,5 32,99 66,48 33,57
4
2.0
50,36 30,23 25,49 25,78 41,87 40,3 39,67 59,86 40,15
5 55,15 33,78 25,06 25,88 44,04 41,67 39,76 59,88 40,12
6 59,93 37,38 24,77 25,3 45,22 41,96 39,82 59,89 40,12
7
2,5
50,95 33,41 25,64 25,94 43,98 43,08 44,93 54,87 40,11
8 55,67 35,46 25,23 26,75 44,89 42,76 44,93 54,87 45,13
9 59,38 37,78 25,31 25,8 45,54 42,42 44,93 54,87 45,13
Dari tabel diatas maka diperoleh bawah pada percobaan suhu keluar (Th,o) dan
suhu air dingin (Tc,o) diatas dapat dilihat bahwa efektivitas tertinggi atau
maksimum dari APK adalah data ke-3 yaitu sebesar 66,48% dengan laju kecepatan
fluida 0,00025m3/s yaitu pada temperature masuk air panas (Th,i) sebesar 60,7
oC
dan temperatur keluar air panas (Th,o) sebesar 33,08 oC dengan debit 0,000025m
3/s
serta temperatur air dingin (Tc,i1) masuk 24,83oC, (Tci3) sebesar 25,03
oC dan
Universitas Sumatera Utara
54
temperatur keluar (Tc1,o) sebesar 43,52oC, (Tc3,o) sebesar 42,5
oC dengan debit
0,000025m3/s.
dengan
Tc,i = Temperatur cold inlet pada pipa
Tc,o = temperatur cold outlet pada pipa
Th,i = temperatur hot inlet pada pipa
Th,o = temperatur hot outlet pada pipa
Gambar: 4.1Grafik Perbandingan Efektivitas
Dari grafik diatas maka diperoleh efisiensi pada pipa satu efisiensi terendah
sebesar 32,89 % dengan laju kecepatan 0,000025m3/s pada percobaan ke 3 dan
penaikan efisiensi tertinggi sebesar 44,93 % pada laju kecepatan 0,000041m3/s
pada percobaan ke 9
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Efek
tivi
tas
pararel
ε1
Universitas Sumatera Utara
55
Gambar: 4.2 Grafik Perbandingan Efektivitas
Dari grafik diatas maka diperoleh efisiensi pada pipa satu efisiensi tertinggi
sebesar 66,48% pada laju kecepatan 0,000041m3/s pada percobaan ke 9 dan terjadi
penurunan efisiensi terendah sebesar 54,87% dengan laju kecepatan 0,000025m3/s
pada percobaan ke 3 dan penaikan
Gambar 4.3 Grafik Perbandingan Efektivitas
Dari grafik diatas maka diperoleh efisiensi pada pipa satu efisiensi terendah
sebesar 33,57% dengan laju kecepatan 0,000025m3/s pada percobaan ke 3 dan
0
10
20
30
40
50
60
70
1 2 3 4 5 6 7 8
Efek
tivi
tas
ε2
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1 2 3 4 5 6 7 8 40.1
Efek
tivi
tas
ε3
Universitas Sumatera Utara
56
penaikan efisiensi tertinggi sebesar 45,13 % pada laju kecepatan 0,000041m3/s
pada percobaan ke 9
Untuk memudahkan dalam perbandingan antara efektivitas , , dan pada
percobaan aliran searah data pada tabel efektivitas digabungkan dengan
efektivitas dan dengan tabel perbandingan. Berikut adalah tabel
perbandingan efektivitas , , dan
Tabel 4.9 Efektivitas aliran searah
Berikut adalah hubungan grafik perbandingan efektivitas , , dan
Gambar 4.4 Grafik Perbandingan efektivitas ε1, ε2 dan ε3
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Efek
tivi
tas
Data Percobaan ke-
ε1 (%)
ε2(%)
ε3(%)
Data ε1 (%) ε2(%) ε3(%)
1 32,89 66,45 33,55
2 32,9 66,46 33,57
3 32,99 66,48 33,57
4 39,67 59,86 40,15
5 39,76 59,88 40,12
6 39,82 59,89 40,12
7 44,93 54,87 40,11
8 44,93 54,87 45,13
9 44,93 54,87 45,13
Universitas Sumatera Utara
57
Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa baik pada perhitungan secara
eksperimental diperoleh efektivitas dari alat penukar kalor berada pada percobaan
ke-3
4.2. Analisa Data Ekperimental
Alat penukar kalor tiga saluran dan satu laluan aliran terbagi dengan konfirgurasi
aliran yang berlawanan (counter flow). Adapun penelitian ini dilakukan dengan
menggunakan metode Alat Penukar Kalor tipe tiga lapis tabung (triple concentric
heat exchanger) dengan bahan dasar tembaga, tipe triple concentric heat
exchanger ini mempunyai kelebihan dibandingkan dengan penukar kalor tipe
yang lainnya, yaitu kemudahan alat ini untuk dibuka dan dilepaskan dari
rangkainnya sehingga memungkinkan pembersihan dan perawatan yang lebih baik
dan mudah. Selain daripada itu, alat ini juga cocok digunakan untuk fluida cair,
sebab mempunyai permukaan perpindahan panas yang bergelombang sehingga
menyebabkan turbulensi dari aliran fluida menjadi lebih tinggi dan otomatis
perpindahan panas yang terjadi akan lebih efektif. Adapun variasi Suhu dan Laju
aliran dapat kita lihat pada tabel 4.10
Tabel 4.10 Variasi suhu dan laju aliran
Variasi suhu Variasi Laju aliran
Suhu 50°C 1,5 LPM
Suhu 55°C 2,0 LPM
Suhu 60°C 2,5 LPM
Tabel 4.11 Variabel pengumpulan data
Pengujian Debit air panas
(LPM)
Debit air dingin
1&2 (LPM)
Suhu air panas
(°C)
Suhu air dingin
1&2 (°C)
1
1,5
1,5
50
25
2 55
3 60
4
2.0
50
5 55
6 60
7
2,5
50
8 55
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
59
Tabel 4.13 bilangan Reynold
Pipa Reynold
1 2370,65
2 2254,88
3 574,35
Dikarenakan nilai Re ketiga nya di atas lebih
Nu1 Nu2i Nu2o Nu3
214,16 103,70 159,6 381,03
Dengan ada nya Nu, maka di dapat cari h dengan rumus ;
Rumus h :
Dan didapat hasilnya ;
h1 h2i h2o h3
9324,55 2366,25 3641,54 5581,14
Untuk mencari U, digunakan rumus sebagai berikut :
[
]
[
]
Didapat kan nilai U sama dengan ;
U1 U3
1887,31 2203,69
Adapun didapat dari data penelitian diameter dalam dan diameter luar pipa dapat
dilihat dari tabel 4.5 sebagai berikut :
Tabel 4.14 Diameter Dalam dan Diameter Luar Pipa
V(m/s) karakteristik D(m)
1,5 Di1 12,7x10-4
Do1 14,3x10-4
Universitas Sumatera Utara
60
2,0 Di2 25,4x10-4
Do2 27,28x10-4
2,5 Di3 40,00x10-4
Do3 42,5x10-4
Dimana N merupakan sebuah koefisien dan bilangan nondimensional perkalian
dari koefisen perpindahan panas dengan luas dan dibagi dengan kapasitas kalor,
Didapatkan hasil dengan persamaan 2.61 sebagai berikut ;
=
N1 = 1,37
N2 = N1 Cr1 + N3Cr3
N2 = 3,02
=
N3 = 1,64
Selanjutnya kita mencari nilai A dan B, yang dimana untuk digunakan mencari
rumus diperoleh sebagai berikut dan
Rumus cari A dan B : dengan persamaan 2.68 -2.69
A =N1 + N3 - N2
A = 1,37 + 1,64 - 3,02 = -0,0021
Dimana A dan B merupakan bilangan koefisien yang digunakan untuk
menghitung
Didapatkan hasil nya Dimana :
B = [1-( + )
B = 1,37 x 1,64 [1 –(0,5120 + 0,60963)] = -2,27
Pada perhitungan , menggunakan persamaan pada persamaan pada 2.70 berikut :
= √
= -1,50
= √
= 1,50
2 - 1
= 1,50- (-1,50 ) = 3,01
dan selanjutnya mencari nilai F dengan persamaan 2.72 sebagai berikut:
Universitas Sumatera Utara
61
F1 = -[N1(1+Cr1)+N3Cr3]
F1 = 1,64
F2 = -[N1 Cr1 + N3 Cr3]
F2 =
F3 = -[ N1 Cr1 + N3 (1+Cr1)]
F3 = 1,38
dimana = rasio kapasitas aliran (N.s/m2) diperoleh dari interpolasi sifat fluida
pada tekanan temperatur diambil sempel temperatur fluida masuk panas yaitu
pada temperatur 41,413oC
Tin2 =41,413oC = (273+41,413) K = 314,413 K
Untuk mencari nilai maka di butuhkan tabel incopera sebagai berikut :
Pada tabel 4.15 incopera diperoleh sifat-sifat fluida cair berupa :
Tin2 ( K ) ( NS/m2) Cp (K.j/kg.k)
315
314,413
320
613x10-6
577x10-6
4179
Cp
4,180
Dari data tersebut maka cari nilai yang tidak diketahui:
=......?
Maka didapat :
( ) ( )
( )
Cp=....?
( )
Kita dapat Cp, dari table property air berdasarkan T = ΔT/2,
Universitas Sumatera Utara
62
4.2.3. Menentukan laju kapasitas aliran:
Dengan persamaan kapasitas aliran 2.33
C=ṁCp
a. Laju kapasitas pada saluran I
C1= ṁ1-Cp1 = 87,5x10-3
K.w/k
b. Laju kapasitas pada saluran II
C2= ṁ2-Cp2 = 171,421x10-3
K.w/k
c. Laju kapasitas pada saluran III
C3= ṁ3-Cp3 = 104,5x10-3
K.w/k
Maka laju total kapasitas aliran pararel flow sebagai berikut:
Cs = C2+C3 = 275,921x10-3
kw/K
Dimana :
C1 dan C3, ditentukan Cmin yang menentukan minimum kapasitas aliran :
Cmin = C1 korelasi C1 < Cs
Untuk mencari ratio kapasitas tabung tipis dengan persamaan 2.60
=
0,5118
=
0,6092
Dengan mengasumsikan bahwa dinding tabung tipis, diferensial luas permukaan
dan koefisien perpindahan panas keseluruhan yang muncul dalam persamaan di
atas dapat diberikan dengan menggunakan persamaan 2.62
= ( ) ( )
= 0,009
4.2.4 Mencari nilai Efektivitas :
Dimana dengan menggunakan persamaan dan dapat ditentukan nilai efektivitas
( ) hasil eksperimen dengan persamaan 2.74 – 2.76
*,( )[( ) - ( )[(
) -+ ,
-
*( )[( ) - ( )[(
) -+ ,
-
Universitas Sumatera Utara
63
Dengan adanya G1’ dan G2’, maka kita dapat mencari E2 dengan rumus :
( )
= 65,15%
Lakukan hal yang sama pada asumsikan perhitungan efektivitas data eksperimen
variasi temperatur 50oC, 55
oC, 60
oC laju aliran 0,000025 m
3/s , 0,000033m
3/s dan
0,000041 m3/s
4.2.6. Data eksperimen
Setelah melalukan perhitungan hal diatas pada semua penelitian maka data – data
efektifitas tersebut dapat diperoleh dalam tabel sebagai berikut :
Tabel. 4.16 Efektivitas aliran berlawanan
Data
Debit
air
panas
(LPM)
Fluida Panas Debit
air
Dingin
(LPM)
Fluida Dingin ε1(%) ε2(%) ε3(%)
Tinh1 Touth2 Tinc1 Tinc3 Toutc1 Toutc3
1
1,5
49,43 33,71
1,5
26,38 26,41 42,05 40,4 55,16 65,15 60,59
2 55,51 26,32 24,43 24,28 43,38 42,31 55,24 65,26 60,66
3 61,16 31,3 25,04 25,32 47,66 46,74 56,29 66,61 62,04
4
2.0
49,72 27,65 25,13 25,32 43,44 40,62 59,94 69,66 63,95
5 55,73 26,93 25,46 25,5 43,98 41,41 60,05 69,83 64,13
6 60,13 33,11 25,29 25,31 47,7 44,01 60,85 70,79 65,09
7
2,5
48,11 38,82 25,2 26,11 45,33 43,24 63,67 73,47 67,13
8 54,95 32,42 25,24 25,49 47,47 44,57 63,61 73,15 66,64
9 60,07 34,48 25,01 25,28 49,02 44,35 63,6 73,08 66,51
Dari tabel diatas maka diperoleh bawah pada percobaan suhu keluar (Th,o) dan
suhu air dingin (Tc,o) diatas dapat dilihat bahwa efektivitas terendah atau
maksimum dari APK adalah data ke- 1 yaitu sebesar yaitu 65% pada debit m3/s
pada temperatur masuk air panas (Th,i) sebesar 48,11oC dan temperatur keluar air
panas (Th,o) sebesar 38,82oC dengan debit 0,00041m
3/s
serta temperatur air dingin
(Tc,i1) masuk 25,2oC (Tci3) sebesar 26,11
oC dan temperature keluar (Tc1,o) sebesar
45,33oC, (Tc3,o) sebesar 43,24
oC dengan debit 0,000041m
3/s
Universitas Sumatera Utara
64
Gambar: 4.4 Grafik Perbandingan Efektivitas
Dari grafik diatas maka diperoleh efisiensi pada pipa satu efisiensi terendah
sebesar 55,16 % dengan laju kecepatan 0,000025m3/s pada percobaan ke 1 dan
penaikan efisiensi tertinggi sebesar 63,67 % pada laju kecepatan 0,000041m3/s
pada percobaan ke 7
Gambar: 4.5 Grafik Perbandingan Efektivitas
Dari grafik diatas maka diperoleh efisiensi pada pipa satu efisiensi terendah
sebesar 65,15% dengan laju kecepatan 0,000025m3/s pada percobaan ke 1 dan
50
52
54
56
58
60
62
64
66
1 2 3 4 5 6 7 8 2
Efek
tivi
tas
ε1
60
62
64
66
68
70
72
74
76
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Efek
tivi
tas
ε2
Universitas Sumatera Utara
65
penaikan efisiensi tertinggi sebesar 73,47 % pada laju kecepatan 0,000041m3/s
pada percobaan ke 7
Gambar 4.6 Grafik Perbandingan Efektivitas
Dari grafik diatas maka diperoleh efisiensi pada pipa satu efisiensi terendah
sebesar 64,59% dengan laju kecepatan 0,025m3/s pada percobaan ke 1 dan
penaikan efisiensi tertinggi sebesar 67,13 % pada laju kecepatan 0,000041m3/s
pada percobaan ke 7
Untuk memudahkan dalam perbandingan antara efektivitas , , dan pada
percobaan aliran berlawanan data pada tabel efektivitas digabungkan dengan
efektivitas dan dengan tabel perbandingan. Berikut adalah tabel
perbandingan efektivitas , , dan
Tabel 4.17 Efektivitas aliran berlawanan
Data ε1 (%) ε2(%) ε3(%)
1 55,16 65,15 60,59
2 55,24 65,26 60,66
3 56,29 66,61 62,04
4 59,94 69,66 63,95
5 60,05 69,83 64,13
6 60,85 70,79 65,09
56
58
60
62
64
66
68
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Efek
tivi
tas
ε3
Universitas Sumatera Utara
66
7 63,67 73,47 67,13
8 63,61 73,15 66,64
9 63,6 73,08 66,51
Berikut adalah hubungan grafik perbandingan efektivitas ε1, ε2 dan ε3
Gambar 4.7 Perbandingan efektivitas , dan aliran berlawanan
Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa baik pada perhitungan secara eksperimental
diperoleh efektivitas dari alat penukar kalor berada pada percobaan ke-3
Untuk memudahkan dalam perbandingan antara efektivitas , , dan pada
percobaan aliran searah dan berlawanan data pada tabel efektivitas
digabungkan dengan efektivitas dan dengan tabel perbandingan. Berikut
adalah tabel perbandingan efektivitas , , dan
Tabel: 4.18 Perbandingan aliran searah dan aliran berlawanan
Data Aliran Searah Aliran Berlawanan
ε1 (%) ε2(%) ε3(%) ε1 (%) ε2(%) ε3(%)
1 32,89 66,45 33,55 55,16 65,15 60,59
2 32,9 66,46 33,57 55,24 65,26 60,66
3 32,99 66,48 33,57 56,29 66,61 62,04
4 39,67 59,86 40,15 59,94 69,66 63,95
5 39,76 59,88 40,12 60,05 69,83 64,13
6 39,82 59,89 40,12 60,85 70,79 65,09
7 44,93 54,87 40,11 63,67 73,47 67,13
8 44,93 54,87 45,13 63,61 73,15 66,64
9 44,93 54,87 45,13 63,6 73,08 66,51
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Efek
tivi
tas
Data Percobaan ke-
ε1 (%)
ε2(%)
ε3(%)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Efek
tivi
tas
Pararel Flow ε1 (%) ε2(%) ε3(%)
Universitas Sumatera Utara
67
Gambar 4.8 Grafik Perbandingan Efektivitas aliran Pararel flow dan Counter flow
Aliran searah dari grafik diatas maka diperoleh bawah pada percobaan suhu
keluar (Th,o) dan suhu air dingin (Tc,o) diatas dapat dilihat bahwa efektivitas
tertinggi dari APK aliran searah adalah data ke-3 yaitu sebesar ε2 = 66,48%
dengan laju kecepatan fluida 0,000025m3/s sedangkan aliran berlawanan dari
grafik diatas maka diperoleh bawah pada percobaan suhu keluar (Th,o) dan suhu
air dingin (Tc,o) diatas dapat dilihat bahwa efektivitas tertinggi dari APK adalah
data ke-7 yaitu sebesar ε2 73,47%. Maka efektivitas pada APK tertinggi grafik
diatas adalah aliran berlawanan ke-7 yaitu sebesar ε2 = 73,47%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Efek
tivi
tas
Counter Flow ε1 (%) ε2(%) ε3(%)
Universitas Sumatera Utara
68
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Kesimpulan yang diperoleh dari prancangan alat penukar kalor tiga tabung
konsentris adalah sebagai berikut:
1. Temperatur rata-rata masuk pada masing-masing pipa saluran alat penukar
kalor secara aliran searah eksperimen pada suhu 60oC dan laju aliran
0,000025 m3/s adalah TinC1 = 25,49
oC , Tinh2 = 60,7
0C , TinC3 = 25,03
oC dan
aliran berlawanan pada suhu 50oC dan laju aliran 0,000041m
3/s adalah
TinC1 = 25,2oC , Tinh2 = 48,11
0C , TinC3 = 26,11
oC
2. Temperatur rata-rata keluar pada masing-masing pipa saluran alat penukar
kalor secara searah pada suhu 60oC dan laju aliran 0,000025 m
3/s adalah
ToutC1 = 43,52oC , Touth2 = 33,08
oC , ToutC3 = 42,5
oC dan aliran berlawanan
pada suhu 50oC laju aliran 0,000041m
3/s adalah ToutC1 = 45,33
oC , Touth2 =
38,82oC , ToutC3 = 43,24
oC
3. Efektivitas tertinggi saluran pipa satu, dua dan tiga alat penukar kalor
secara eksperimen pada suhu 55oC dengan laju kecepatan 0,000025m
3/s
aliran searah ε1= 32,99%, ε2= 66,48% dan ε3= 33,57% dan sedangkan aliran
berlawanan ε1= 55,16%, ε2= 65,15% dan ε3= 60,59% dengan laju kecepatan
0,000041m3/s pada suhu 60
oC
5.2 Saran
Adapun saran yang diperoleh dari prancangan alat penukar kalor tiga
tabung konsentris adalah sebagai berikut:
1. Sebaiknya fluida yang dilakukan pada pengujian ini bervariasi untuk
digunakan pada penelitian selanjutnya
2. Sebaiknya laju aliran yang dilakukan pada pengujian ini di buat lebih
banyak variasi untuk digunakan pada penelitian selanjutnya
3. Dalam pengujian alat penukar kalor sebaiknya diperhatikan kondisi kondisi
dilapangan menjadi acuan pada pengujian alat penukar kalor.
Universitas Sumatera Utara
69
REFERENSI
[1] Cengel, Y. A. 2006. Thermodynamics An Engineering Approach,
Edition
[2] Incropera, F. P, dkk. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Edition.
New York : John Wiley & Sons
[3] Luqman Buchori, ST, MT Perpindahan Panas Heat Transfer edisi ke-2
Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, 2005
[4] Gulta, J.P 1986 Working With Heat and Exchangers, Edition. Entiled
Fundamentals of heat exchanger and pressure vessel teknologi
[5] Anowar Hossain, Md. 2017. Experimental Analysis of a Triple Concentric
Tube Heat Exchanger. Jurnal. Universitas, Gazipur, Bangladesh.
[6] Cengel, Yunus.A. 2003. Heat Transfer: A Practical Approach, ed. New
York : McGraw-Hill
[7] Holman, J. P. 1997. Heat Transfer, Edisi ke-10. Jakarta :Erlangga
[8] Kuppan, T. 2000. Heat Exchanger Design Handbook, Second Edition.
Newyork : Marcel Dekker.Inc
[9] Munson, Bruce R. 1997. Mekanika Fluida, edisi ke-2. Jakarta : Erlangga
[10] Kreith, Frank. 1877. Principles Of Heat Transfer, ed. New York : Harper
and Row
[11] Pitts, Donald. 2008. Perpindahan Kalor, edisi ke-2. Erlangga :2108
[13] Hundry, G. F., A. R. Trott, T. C. Welch. Tanpa Tahun. Refrigeration and
Air Conditioning – Fourth Edition. B.H
[14] W.J. Minkowycz and J.P Hartnett Efektiveness-NTU Relations For Triple
Concentric-Tube Heat Exchanger. Trabzon, Turkey
Universitas Sumatera Utara