BAB 2 Dasar Teori

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2014/205 45

BAB II


2.1 Dasar Teori

2.1.1 Mekanisme Perpindahan Panas

Energi panas dapat ditransfer dari satu sistem ke sistem yang lain, sebagai

hasil dari perbedaan temperatur. Sedangkan analisis termodinamika hanya

mengangkat hasil dari perpindahan panas sebagai sistem yang mengalami proses dari

satu keadaan setimbang yang lain. Jadi ilmu yang berhubungan dengan penentuan

tingkat perpindahan energi adalah perindahan panas. Adapun transfer energi panas

selalu terjadi dari medium suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah, dan

perpindahan panas berhenti ketika dua medium mencapai suhu yang sama.

Proses perpindahan panas dapat berpindah dengan tiga cara, yaitu kondusi,

konveksi dan radiasi. Semua cara dari perpindahan panas memerlukan adanya

perbedaan suhu, dan semua cara berasal dari medium suhu yang lebih tinggi ke suhu

yang lebih rendah. Di bawah ini kita memberikan gambaran singkat dari setiap cara.

2.1.2 Konduksi

Konduksi adalah perpindahan energi dari partikel yang lebih energik dari

suatu zat dengan yang kurang energik yang berdekatan sebagai akibat dari interaksi

antara partikel. Konduksi dapat terjadi pada zat padat, cair dan gas. Pada gas dan

cair, konduksi ini disebabkan oleh tabrakan dan pembauran dari gerakan molekul

selama gerakan acak mereka. Pada benda padat, gerakan ini disebabkan akibat

kombinasi getaran dari molekul di dalam kisi dan berpindahnya energi yang

disebabkan oleh elektron bebas. Laju konduksi panas melalui media tergantung pada

geometri dari medium, ketebalan, dan bahan dari medium, serta beda suhu di

medium terdebut.

Pada penjelasan berikut, dapat dilihat proses perpindahan panas melalui

dinding yang tebalnya Δx=L dan luasnya A, seperti pada gambar berikut :



Gambar 2.1 Perpindahan Panas Konduksi Melalui Dinding

Sumber: Cengel. (2003:21)

Perbedaan temperatur pada dinding adalah ΔT= T2-T1. Percobaan dapat

menghasilkan laju dari perpindahan panas Q melalui dinding dua kali lipat ketika

perbedaan suhu di seluruh dinding atau area A normal terhadap arah perpindahan

panas dua kali lipat, tapi dibelah duaketika ketebalan dinding L dua kali lipat.

Dengan demikian kita menyimpulkan bahwa lajukonduksi panas melalui lapisan

dinding sebanding dengan perbedaan suhu di seluruh lapisandan area perpindahan

panas, namun berbanding terbalik dengan ketebalan lapisan, sehingga dapat

dirumuskan dengan:

( )( )

Atau,

Dimana konstanta k adalah konduktivitas termal material, yang merupakan

ukuran kemampuan suatu material untuk menghantarkan panas. Jika Δx = 0,

persamaan di atas tereduksi menjadi bentuk diferensial

=

Tanda negatif di dalam rumus memastikan bahwa perpindahan panas dalam

arah x positif adalah jumlah yang positif.



2.1.3 Konveksi

Konveksi adalah proses transport energi dengan kerja gabungan dari

konduksi panas, penyimpanan dan gerakan mencampur. Konveksi sangat penting

sebagai mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat dan cairan

atau gas.

Perpindahan energi dengan cara konveksi dari suatu permukaan yang

suhunya di atas suhu fluida sekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap. Pertama,

panas akan mengalir dengan cara konduksi dari permukaan ke partikel-partikel fluida

yang berbatasan. Energi yang berpindah dengan cara demikian akan menaikkan suhu

dan energi dalam partikel-partikel fluida ini. Kemudian partikel-partikel fluida

tersebut akan bergerak ke daerah yang bersuhurendah didalam fluida di mana mereka

akan bercampur dengan, dan memindahkan sebagian energinya kepada, partikel-

partikel fluida lainnya. Dalam hal ini alirannya adalah aliran fluida maupun energi.

Energi sebenarnya disimpan di dalam partikel-partikel fluida dan diangkut sebagai

akibat gerakan massa partikel-partikel tersebut. Mekanisme ini untuk operasinya

tidak tergantung hanya pada beda suhu dan oleh karena itu tidak secara tepat

memenuhi definisi perpindahan panas. Tetapi hasil bersihnya adalah angkutan

energi, dankarena terjadinya dalam arah gradien suhu, maka juga digolongkan dalam

suatu cara perpindahan panas dan ditunjuk dengan sebutan aliran panas dengan cara

konveksi.

Laju perpindahan panas dengan cara konveksi antara suatu permukaan dan

suatu fluida dapat dihitung dengan hubungan

Di mana :

q = laju perpindahan panas dengan cara konveksi, (Watt)

As = luas perpindahan panas, (m²)

Ts = Temperarur permukaan benda padat, (ºK)



T∞ = Temperatur fluida mengalir, (ºK)

h = koefisien perpindahan panas konveksi, (W/m²ºK)

Perpindahan panas konveksi diklasifikasikan dalam konveksi bebas (free

convection) dan konveksi paksa (forced convection) menurut cara menggerakkan

alirannya. Konveksi M alami adalah perpindahan panas yang disebabkan oleh beda

suhu dan beda rapat saja dan tidak ada tenaga dari luar yang mendorongnya.

Konveksi alamiah dapat terjadi karena ada arus yang mengalir akibat gaya apung,

sedangkan gaya apung terjadi karena ada perbedaan densitas fluida tanpa

dipengaruhi gaya dari luar sistem. Perbedaan densitas fluida terjadi karena adanya

gradien suhu pada fluida.

Konveksi paksa adalah perpindahan panas aliran gas atau cairan yang

disebabkan adanya tenaga dari luar. Konveksi paksa dapat pula terjadi karena arus

fluida yang terjadi digerakkan oleh suatu peralatan mekanik (contoh : pompa dan

pengaduk), jadi arus fluida tidak hanya tergantung pada perbedaan densitas. Contoh

perpindahan panas secara konveksi paksa adalah pelat panas dihembus udara dengan

kipas/blower.

Secara umum aliran fluida dapat diklasifikasikan sebagai aliran eksternal dan

aliran internal.Aliran eksternal terjadi saat fluida mengenai suatu permukaan benda.

Contohnya adalah aliran fluida melintasi plat atau melintang pipa. Aliran internal

adalah aliran fluida yang dibatasi oleh permukaan zat padat, misalnya aliran dalam

pipa/saluran. Perbedaan antara aliran eksternal dan aliran internal pada suatu

pipa/saluran ditunjukkan pada Gambar 2.2.

Secara umum aliran fluida dapat diklasifikasikan sebagai aliran eksternal dan

aliran internal. Aliran eksternal terjadi saat fluida mengenai suatu permukaan benda.

Contohnya adalah aliran fluida melintasi plat atau melintang pipa. Aliran internal

adalah aliran fluida yang dibatasi oleh permukaan zat padat, misalnya aliran dalam

pipa/saluran. Perbedaan antara aliran eksternal dan aliran internal pada suatu

pipa/saluran ditunjukkan pada Gambar 2.2.



Gambar 2.2 Aliran eksternal udara dan aliran internal air pada suatu pipa/saluran


2.1.4 Radiasi

Radiasi adalah energi yang dipancarkan oleh materi dalam bentuk gelombang

elektromagnetik sebagai akibat dari perubahan konfigurasi elektronik dari atom atau

molekul. Tingkat maksimum radiasi yang dapat dipancarkan permukaan pada suhu

Ts mutlak diberikan oleh hukum Stefann-Boltzmann yaitu

Dimana σ = 5,67 x W/m2 K4 merupakan konstanta Stefann-Boltzmann.

Permukaan ideal yang memancarkan radiasi pada tingkat maksimum ini disebut

benda hitam, dan radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam disebut Radiasi benda

hitam. Radiasi yang dipancarkan oleh semua permukaan nyata lebih kecil dari radiasi

yang dipancarkan oleh benda hitam pada suhu yang sama, dan dinyatakan sebagai

Dimana ε adalah emisivitas permukaan yang besarnya adalah diantara 0 ≤ ε ≤ 1.As

adalah luas permukaan dan Ts adalah temperatur absolut.

2.1.5 Konduktivitas termal

Konduktivitas termal adalah kemampuan suatu material untuk

menghantarkan panas. Persamaan untuk laju perpindahan panas konduksi dalam

kondisi stabil juga dapat dilihat sebagai persamaan penentu bagi konduktivitas



termal. Sehingga konduktivitas termal dari material dapat didefinisikan sebagai laju

perpindahan panas melalui ketebalan unit bahan per satuan luas per perbedaan suhu.

Konduktivitas termal material adalah ukuran kemampuan bahan untuk

menghantarkan panas. Harga tertinggi untuk konduktivitas termal menunjukkan

bahwa material adalah konduktor panas yang baik, dan harga terendah untuk

konduktivitas termal menunjukan bahwa material adalah bukan pengahantar panas

yang baik atau disebut isolator.Konduktivitas termal beberapa bahan umum pada

suhu kamar diberikan dalam table di bawah ini.

Suhu adalah ukuran energi kinetik dari partikel seperti molekul atau atom dari

suatu zat.Pada cairan dan gas, energi kinetik dari partikel terjadi karena gerak

translasi acak mereka serta gerakan getaran dan rotasi mereka. Ketika dua molekul

yang memiliki energi kinetic yang berbeda berbenturan, bagian dari energi kinetik

dari molekul lebih bertenaga ditransfer ke molekul kurang bertenaga, sama seperti

ketika dua bola elastis dari massa yang sama dengan kecepatan yang berbeda

berbenturan, bagian dari energi kinetik dengan bola kecepatan tinggi ditransfer ke

bola yang kecepatanya lebih lambat. Makin tinggi suhu, semakin cepat molekul

bergerak, semakin tinggi jumlah molekul tabrakan, dan semakin baik perpindahan

panasnya.

2.1.6 Difusivitas Termal

Cp sering dijumpai dalam analisis perpindahan panas, disebut kapasitas panas

material. Baik dari Cp panas spesifik dan kapasitas panas ρCp mewakili kemampuan

penyimpanan panas dari suatu material. Tapi Cp mengungkapkan itu per satuan

massa sedangkan ρCp mengungkapkan itu per satuan volume, dapat melihat dari

satuan mereka masing-masing. Sifat bahan lain yang muncul dalam analisis konduksi

panas transien adalah difusivitas termal, yang mewakili bagaimana cepat panas

berdifusi melalui materi dan dirumuskan dengan

( )

Harap diingat bahwa Konduktivitas termal k merupakan seberapa baik suatu

bahan menghantarkan panas, dan kapasitas panas ρCp mewakili berapa banyak

menyimpan sebuah energi bahan per satuan volume. Oleh karena itu, difusivitas



termal dari material dapat dipandang sebagai rasio panas yang dilakukan melalui

bentuk material panas yang tersimpan per satuan volume. Bahan yang memiliki

konduktivitas panas yang tinggi atau kapasitas panas yang rendah jelas akan

memiliki difusivitas termal besar. Semakin besar difusivitas termal, semakin cepat

penyebaran panas ke medium. Nilai diffusivitas termal yang kecil berarti panas yang

sebagian besar diserap oleh material.

2.1.8 Heat Exchanger

Heat exchanger adalah perangkat yang memfasilitasi pertukaran panas antara

dua cairan pada temperatur yang berbeda, sekaligus menjaga mereka dari

pencampuran satu sama lain. Dalam radiator mobil, misalnya , panas dipindahkan

dari air panas yang mengalir melalui tabung radiator ke udara mengalir melalui pelat

tipis berjarak dekat dinding luar yang melekat pada tabung . Perpindahan panas pada

Heat exchanger biasanya melibatkan konveksi di setiap cairan dan konduksi melalui

dinding yang memisahkan dua cairan . Dalam analisis penukar panas , akan lebih

mudah untuk bekerja dengan koefisien perpindahan panas keseluruhan U yang

menyumbang kontribusi dari semua efek transfer panas ini . Laju perpindahan panas

antara dua cairan pada lokasi di penukar panas tergantung pada besarnya perbedaan

suhu dibahwa lokasi , yang bervariasi sepanjang penukar panas . Jenis paling

sederhana dari penukarpanas terdiri dari dua pipa konsentris yang berbeda diameter ,

seperti yang ditunjukkan pada

Gambar 3.3 , yang disebut double pipa panas exchanger.

Gambar 2.3 Aliran sistem heat exchanger pipa ganda




Salah satu cairan dalam penukar panas double- pipa mengalir melalui pipa

yang lebih kecil, sementara cairan lainnya mengalir melalui ruang annular antara dua

pipa . Dua jenis pengaturan aliran yang mungkin dalam double- pipa penukar panas

yaitu dalam aliran parallel, baik cairan panas dan dingin memasuki panas penukar

pada akhir yang sama dan bergerak ke arah yang sama. Dalam aliran counter, di sisi

lain , cairan panas dan dingin memasuki penukar panas di seberang berakhir dan

aliran dalam arah yang berlawanan . Tipe lain dari penukar panas , yang dirancang

khusus untuk mewujudkan besar luas permukaan perpindahan panas per satuan

volume , adalah penukar panas kompak. Panas Compact exchanger memungkinkan

kita untuk mencapai kecepatan transfer panas tinggi antara dua cairan dalam volume

kecil , dan mereka biasanya digunakan dalam aplikasi dengan keterbatasan yang

ketat pada berat dan volume penukar panas.

Sebuah penukar panas biasanya melibatkan dua cairan mengalir dipisahkan

oleh dinding yang padat.Panas pertama ditransfer dari fluida panas ke dinding oleh

konveksi, melalui dinding dengan konduksi, dan dari dinding ke fluida dingin lagi

dengan konveksi. Jaringan tahan panas yang terkait dengan proses perpindahan panas

ini melibatkan dua konveksi dan konduksi satu resistensi.

Gambar 2.4 Perpindahan panas pada pipa ganda


Variabel i dan o mewakili permukaan dalam dan luar dari tabung bagian

dalam. Untuk heat exchanger double pipa kita memiliki Ai πDiL dan A0 πD0L

dan tahanan panas tabung dalam situasi ini adalah



Dimana k adalah konduktivitas termal dari material dinding dan L adalah

panjang tabung. Kemudian tahan panas keseluruhan menjadi

( )

Ai adalah luas permukaan dalam dari dinding yang memisahkan dua cairan,

dan Ao adalah luas permukaan luar dinding. Dengan kata lain, Ai dan A0 adalah luas

permukaan dinding yang memisahkan dan dibasahi oleh cairan dalam dan cairan

luar, masing-masing.

2.1.9 Counter-flow Heat Exchanger

Variasi suhu cairan panas dan dingin dalam heat exchanger counter-flow

diberikan pada Gambar 3.5. Perhatikan bahwa cairan panas dan dingin masukkan

pada ujung-ujung pipa, dan suhu keluar dingin cairan pada keadaan ini dapat

melebihi suhu keluar panas cairan.dalam kasus ini , cairan dingin akan dipanaskan

sampai suhu inlet dari fluida panas . Namun, suhu outlet fluida dingin tidak pernah

bisa melebihi inlet suhu dari fluida panas karena ini akan menjadi pelanggaran

hukum kedua dari termodinamika . Tetapi kita dapat menunjukkan dengan

mengulangi analisis atas yang juga berlaku untuk penukar counter-flow panas.

Untuk inlet dan outlet suhu yang ditentukan, log rata-rata suhu perbedaan bagi

penukar panas counter-flow selalu lebih besar dari itu untuk paralel -flow. Artinya,

ΔT counter-flow lebih besar dari pada ΔT paralel –flow dan dengan demikian untuk

mencapai laju perpindahan panas tertentu dalam counter-flow dibutuhkan luas

penampang yang kecil .



Gambar 2.5 aliran (a) counter flow, (b) parallel flow, dan grafik temperatur in, out.


2.2 Tujuan Praktikum

Menghitung Formulasi dasar dari heat exchanger sederhana

Perhitungan keseimbangan panas pada heat exchanger

Pengukuran koefisien perpindahan panas berdasarkan kuantita aliran fluida

Mengetahui efesiensi heat exchanger

2.3 Spesifikasi Alat

Hot water source

Head tank with square weir

Flow rate meter (rotameter) : 200 liter/jam

Termometer pada inlet & outlet : 0 – 100˚C

Electrically immersion heater : 5 kW & 3 kW

Cold water source

Head tank with square weir

Flow rate meter (rotameter) : 500 liter/jam

Termometer pada inlet & outlet : 0 – 100˚C

Heat exchanger

Double tubes water to water heat exchanger : Diameter 1’x Panjang 1000

mm



Katup pengatur aliran : katup 3 arah

Controller unit

Hot water temperature control unit

Gambar 2.6 Heat Exchanger

Sumber: Laboratorium Fenomena Dasar Mesin Jurusan Mesin Fakultas Teknik

Universitas Brawijaya

2.4 Cara Pengambilan Data

1) Set Temperatur

Atur temperatur air panas pada head tank dengan TEMP.SET pada control

unit. Tunggu hingga pembacaan termometer air panas mencapai stabil.

Tabel 2.1 Kombinasi eksperimen

Hot

Water

Cold

Water

Hot

Water

Cold

Water

PARALLEL

FLOW

A Laminer Laminer

COUNTER

FLOW

E Laminer Laminer

B Turbulent Laminer F Turbulent Laminer

C Laminer Turbulent G Laminer Turbulent

D Turbulent Turbulent H Turbulent Turbulent



Sumber : Modul Praktikum Laboraturium Fenomena Dasar Mesin

2) Set Aliran Laminer dan Turbulen

Dengan mengatur katup no (3) dan (19) atur debit air panas dan air dingn

sesuai dengan tabel berikut :

Tabel 2.2 Turbulen dan laminer

Sumber: Modul Praktikum Laboraturium Fenomena Dasar Mesin

3) Pengukuran

Ukurlah nilai , , , W dan w dan tulis data dalam lembar

pengambilan data yang telah disediakan.

4) Perhitungan

a) Hitung nilai ∆ dengan persamaan (4) dan (5)

b) Hitung nilai ( + )/2 kemudian tentukan nilai viskositas kinematik pada

tabel properti air.

c) Hitung nilai dan dengan persamaan (1)

d) Hitung nilai ( + )/2 kemudian tentukan nilai viskositas kinematic pada

tabel properti air.

e) Hitung nilai Reⱳ dengan persamaan (8) dan Reⱳ dengan persamaan (9)

f) Hitung nilai efesiensi dengan persamaan (7)

g) Hitung nilai U dengan persamaan (6)

TURBULEN LAMINER

Flow Rate Meter

(Hot Water)

≤ 30 I / h ≥ 100 I / h

Flow Rate Meter

(Cold Water)

≥ 150 I / h ≤500 I / h

Documents

BAB 2 Dasar Teori