BAB IV DESAIN TERMAL

Transkripsi

1 BAB IV DESAIN TERMAL Rumus-rumus yang digunakan dalam desain ternal di bawah ini di ambil dari buku J.P Holman, Perpindahan Kalor, Penerbit Erlangga, Rumus yang di ambil dari buku acuan lain akan diber keterangan sendiri. 4.1 Desain Kondensor Gambar 4.1. Desain kondensor Desain Kondensor Stanless Steel

2 Bahan Tube : Stainle Steel ( Cr 16-26,in 8-36) Jari-jari luas pipa r₀ : 11.1 mm = m Jari-jari dalam pipa r₁ : 12.7 m Tekanan zat cair P₁ : 8000 Pa Kalor spesifik zat cair penuh C₁ : 502,10 J/kg o C Densitas uap jenuh Pv : kg/m 3 Densitas zat cair jenuh P₁ : 0.6 kg/m 3 Enthalpy penguapan h fg : 2.26 x 10 6 J/kg Kecepatan gravitasi g : 9.8 m/s 2 Vikositas zat cair µ₁ : 2.27 x 10-4 kg/m. Beda suhu rata loga litmik m : (96-35) o C Konstanta untuk penukaran isothermal C, m : 4217 J/kg. o C Persamaan Koefisien Perpindahan kalor Kondensasi : H fg h fg kondensat H fg = j/kg Persamaan Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi di Luat Tube :

3 ³ h = µ 1/4 h = ³. ⁶ 1/4. ⁴ =.. /₁ /₁ Data spesifikasi pipa dan tangki : Jari-jari luas pipa r₀ = 12.7 mm = m Panjang pipa L = 350 mm =0.35 m Suhu dingin Tw = 004 Luasan permukaan bagian luar A₀ = 3.14 x (0.35/2) 2 = 0.02 m 2 Suhu penukaran solid Ts = 30 o C Suhu diefaluasi pada kondisi arus bebas T = 30 Densitas zat cair penuh P₁ = kg/m 3 Viskositas zat cair µ ₁ = 8.03 x 10-4 kg/m.s Angka prandtl Pr₁ = 5.41 Pa Koefisien perpindahan kalor menyeluruh U₀ = 0.62 w/m. 0 C. Percepatan grafitasi g = = m/s2.. Jaringan luar pipa r₀ = m Jaringan dalam pipa r₁ =... = 6.3 m.

4 Bilangan Nossel(Pada kondisi suhu film) Nu = ( R 0.5 ) Pr 0.38 ntuk 1<R e <10 3 Bilangan Nossel(Pada kondisi suhu film) Nu = ( ) asumsi = 1. Sehinga Bilangan Nossel(Pada kondisi suhu film)nu = ( ) (1) 0.25 = 3.2 m Kovisiensi perpindahan kalor konveksi h 0 = Nu Kovisiensi perpindahan kalor konveksi h 0 = = 58.8 W/m2 C Tahanan termal di bagian luar per satuan panjang pipa : Panjang pipa L Kofiensi kondensasi pipa rata-rata h =... = W/m². 0 C Tahanan termal pipa untuk setiap satuan panjang pipa : W/m. 0 C. Mencari suhu bagian dalam dinding pipa,t 1 dan bagian luar pipa T 0 : ¼..

5 1.098 = ¾ ; (100-T 1 ) 3/4 =...( i).. ; =..(i i) T 1 dan T 0 dicari dengan iterasi persamaan (i) dan (ii) : T 1 = C Maka : Koefiensi perpindahan kalor h₁ =.¼ = W/m² Perpindahan Kalor Menyeluruh : Perpindahan kalor menyeluruh U 0 = ₀ ₁ ₁ ₀/₁ ₀ U 0 = ₀ ₀ ₀/₁ ₁ ₀ U 0 =...../.. = W/m 2.. Mencari Luasan Perpindahan Kalor Kondensor dengan LMDT metode : Data Percobaan : Uap masuk T 1 =98 0 C Uap Keluar T 2 = 35 0 C Air Pendingin masuk t 1 = 27 0 C

6 Air Pendingin keluar t 2 = 43 0 C Aliran masa uap m = 5x 10-4 kg/s Panjang pipa L = 2.94 m Panas Spesifik C P = 4217J/kg. 0 C =4.217 kj/kg. 0 C Koefisien perpindahan kalor menyeluruh U = W/m 2. 0 C Faktor koreksi F = 1.0 (Table Faktor Koreksi ) Gravitasi g = 9.8 m/s 2 Jumlah pipa per baris m = 9 Viskositas zat cair ₁ = 2.27 x 10-4 kg/s.m Densitas zat cair jenuh p₁ = 8000 kg/m 3 q = m.c p T = (0.005).(4.217).(96-35) = 0.12 kw T m = T m = = C karena q UAF. T m, maka :

7 Luas permukaan bagian kuar A₀ =... =... =1394.8m2 Tabel 4.1 Data Percobaan dan Hasil Perhitung Kondensor No. Data Stainless Steel 1 Uap masuk ( o C) 96 2 Uap Keluar ( o C) 33 3 Suhu Air Pendingin masuk ( o C) 27 4 Suhu Air pendingin keluar ( o C) 43 5 Koefiensi perpindahan kalor menyeluruh (W/m 2. C Koefiensi perpindahan kalor konveksi (W/m 2. ) Tekanan uap didalam gelembung (Pa) Desain Ketel Gambar 4.2. Desain Ketel

8 Konstruksi Ketel Ketel Uap Bahan Diameter Tinggi Kapasitas tanki bahan Kepadatan bahan dalam tangki Uap air yang dibutuhkan Uap air per jam : Stainless Steel ( Cast Tempered) : 350 mm : 400 mm : 2.45 kg (nilam kering) : 0.08 kg/liter : 8.6 liter : 1.84 liter = 1.84 Kg Penentuan Lusas Area Perpindahan Kalor Ketel a.koefisien heat transfer proses didih To = T permukaan panas T didih air = 10 o C (asumsi) Rumus Perpindahan Kalor Didih : Karakteristik Air dan Uap Jenuh pada 100 Kalor spesifikzat cair jenuh C 1 = 4216 J/kg. 0 C Beda suhu rata-rata logaritmik m = lebih suhu = Tw- Tjenuh = 10 0 C Enthalpy penguapan H fg = J/kg Angka prandtl Pr 1 = 1.9 Pa Vikositas zat 1 = kg/m.s Konduksi fluida jenuh K = W/m². Percepatan grafitasi g = 9.8 m/s 2

9 Densitas zat cair jenuh 1 = kg/m 3 Densitas uap jenuh v = kg/m 3 Konstanta gabungan fluida-permukaan C xf = J/kg. Tahanan pengotoran Rƒ = 1.0 untuk air. C /. q / A ρ ρ σ ρ ρ. 10s3971.2=.. ³ W/ m² = 102 Kw / m 2 16<q /A, Kw / m 2 < 240 Penyederhanaan koefisien perpindahan kalor didih di atas permukaan pada 1 atm absolute (natural convection) : Untuk Permukaan Horisontal h, Btu/h ft 2 of = 151 T 0 1/3 q/a, Btu/ h ft 2 < 5000 h, W/m 2 0 K = 1043 T 0 1/3 q/a,kw/m 2 < 16 h, Btu/h ft 2 0F = T <q/A,Btu/h ft 2 < h, W/m 2 o K = q/a,kw/m 2 <240 h = 5.56(10) 3 = 5560 W/m 3 0C = 5560 J/s. m 2 0C

10 b.koefisien perpindahan kalor menyeliruh ketel (U₀) Bahan : Stainless Steel Tebel Ketel : 1 mm k (Konduksi fluida jenuh) : W/m 2. 0 C I/U = ( x/k) + (1/h) =( /83.68) +(1/5560) =1.92e-4 U₀ = 1/1.92e-4 =5208 W/m 2. 0 C c.mencari Kalor yang Dibutuhkan untuk Menguapkan Air Destilasi Asumsi Laju Aliran Uap Air = 1.84 kg/jam =5.le-4 kg/s = 0.5 g/s Kalor yang di butuhkan = m spesifikasi uap air x (kalor sensible +kalor laten) = 5.le-4 kg/s x [(4.184 jj/kg 0 C (100-26) 0 C)+ 2257kJ/kg] =5.le-4 kg/s x kj/kg = 1.3 kj/kg = 1.3 kw d. Mencari Luasan Perpindahan Kalor Ketel. Q = U.A. T 1.3 kw = kw/m². 0 C x A x 10 0 C A = 1.3 kw / (5.28 kw / m². 0 C x 10 0 C) = m² Luasan dasar ketel dengan diameter 0.35 m = (3.14 x 0.35²) 4 = m² Jadi luasan dasar ketel yang ada sudah dianggap mencukupi untuk jumlah perpindahan kalor yang diperlukan untuk menguapkan air destilasi. Jumlah Perppindahan

11 kalor yang terjadi juga tergantung oleh luasan efektif dasar ketel yang terkena oleh sumber kalor Tebal isolasi Gambar 4.3. Tebal Isolasi a. Rugi-Rugi kalor Konveksi Bebas Pada Dinding Ketel parameter-parameter : Suhu dingding Tw = 1000 Suhu udara lingkungan T = 30 0 C Suhu air pendidihan masuk Percepatan grafitasi g = 9.8 m/s 2 Suhu dingin Tw = 1/338 = o C Suhu uap jenuh ts = 1.041

12 Kalor spesifik zat cair jenuh C p = kj/kg. o C = 1008 J/kg. o C Vikositas zat cair 1 = 2.02 x 10 5 kg/m.s Konduksi fluida jenuh K = 0.03 W/m. o C Kalor spesifik zat cair jenuh C 1 = 350 mm = 0.35m Grƒ Prƒ= 2 (T w- T ) d 3 Grƒ Prƒ=..... (100-30) (0.35)³ = x 10⁸ Laminar, 10⁴<Gr ƒ Pr ƒ <10⁹ h = 1.42 ¼ h = 1.42 ¼ = 4.8 W/m². C b. Tebal Isolasi Dinding Ketel Bahan isolasi : Jika menggunakan karet talang dan kaca serat L=0.53 m Karet talang (karet dengan karbon hitam), k = 0.24 W/m. C Tebal = 0.8 mm = 0.08 cm = m Selubung kaca-serat, k = 86 mw/m. C = W/m. ²C Tebal = 1.45 cm = m R A R B R C Kondisi isolasi = dinding ketel karet kaca-serat karet R k = R A + R B + R C

13 = = =. 0.05m = 5cm (isolasi kristis). Karena r o aktual > dari r o kritis, maka penambahan tebal isolasi akan mengurangi perpindahan kalor dari dinding ketel ke lingkungan. lnd /d 2 lnd /d 2 lnd /d 2 =./.../../. 0.3 /.... R h = 1/(2 x π x r o x L x h) = 1/(2 x 3.14 x (0.3822/2) x 0.53 x 4.8) = 0.33 C/W R th = R k + R h = = 0.63 C/W q = (T w - T )/R th = (100-30). C / 0.63 C/W = 111W Kerugian kalor konveksi bebas tanpa isolasi (dari dinding ketel) : q = h x π x d x L x (T w - T ) = 4.8 x 3.14 x 0.35 x 0.53 x (100-30) = W Penurunan rugi-rugi kalor konveksi bebas dari dinding ketel = ( )/195.7 = 43.3 % c. Rugi-rugi Kalor Konveksi Bebas pada Dinding Pipa Uap Parameter-parameter Suhu dinding T w = 100 Suhu dievaluasi pada kondisi arus bebas T = 30 C Percepatan grafitasi g = 9.8 m/s 2

14 Suhu permukaran solid T s = 1/338 = C Densitas zat cair jenuh P 1 = kg/m 3 Kalor spesifik zat cair jenuh C 1 = kj/kg. C = 1008J/kg. C Viskositas zat cair µ 1 = 2.02 x 10 5 kg/m.s Konduksi fluida jenuh K = 0.03 W/m. C Panjang pipa L = 350 mm = 0.35 m gβρ c = Laminar, <10 9 h=1.32 ¼ (Silinder horizontal) h = 1.32 = 10.3 W/m 2 C d. Tebal Isolasi Dinding Uap. Bahan Isolasi : Jika menggunakan selubung kaca-serat L = 1.4 m Selubung kaca-serat, k = 86 m W/m. 2 C Tebal = 1.45 cm = m Kondisi isolasi : dinding pipa uap selubung kaca-serat =. = m = cm (isolasi kritis).

15 Karena r o aktual > dari r o kritis, maka penambahan tebal isolasi akan mengurangi perpindahan kalor dari dinding pipa uap ke lingkungan. = / +./.. = 1.23 ºC R h = 1/(2 x x r o x L x h) = 1/(2 x 3.14 x (0.048/2) x 1.4 x 10.3) = 0.46 ºC R th = R k + R h = = 1.69 ºC q = (T w - T )/R th = (100-30) ºC / 1.69 ºC = W/m². Kerugian kalor konveksi bebas tanpa isolasi (dari dinding ketel) : Fluks kalor per satuan luas q/a= h x x d x L x (T w - T ) = 10.3 x 3.14 x x 1.4 x (100-30) = W/m 2 Penurunan rugi-rugi kalor konveksi bebas dari dinding pipa uap = ( )/60.22 = 31.2 % 4. 4 Karakteristik Bahan Tabel 4.2 Karakteristik Bahan Sumber Balai Penelitian Tanaman Obat dan Aromatika (Balittro) Karakteristik Keterangan Spesifikasi Grafitasi 25ºC/25ºC 0,9625 Massa jenis pada 25ºC.p Kalor spesifikasi bahan Kalor laten minyak kayu putih Kadar air 0,9625 x 1000 = 9625,5 kg/m³ Spesifik Grafitasi. Pš = 0,9625 = p/ph2o ( acuan massa jenis air ) 0,5 Btu/1b/ºF = 2093,4 J/kg.ºC 846 kj/kg 10 % (v/b) (ml/g)

16 Rendemen 1,6 % (v/b) (ml/g) Titik didih 275ºC Pacthhouly alcohol % Bahan yang didestilasi menggunakan daun nilam kering (Pogostemon Pacthouly) yang akan menghasilkan Pacthouly Oil. Karakteristik dari bahan yang akan didestilasi yaitu: Keseimbangan Massa Asumsi jumlah daun kayu putih kering per kg : Table 4.3 keseimbangan massa dalam (kg) Zat/komposisi Solids Air rendemen Uap Total (awal) Daun kayu putih kering Air Proses Daun kayu putih kering Air Produk Daun kayu putih kering air destilasi Sumber Balai Penelitian Obat dan Aromatika (Balittro) Keseimbangan Kalor Kalor yang dilepaskan uap dan air Karakteristik air destilasi Densitas uap jenuh P v : 1000 kg/m³ Kalor spesifikasi zat cair jenuh C 1 : 2275 J/kg.

17 KOnstanta gabungan fluida-permukaan C sƒ : 4184 kj/kg ºC Suhu uap jenuh T s : 26ºC Suhu air pendingin masuk t i : 100ºC Jumlah kalor / kg uap air = kalor laten x massa uap air =2275 kj/kg x 0,1 ( asumsi kalor laten diserap bahan per kg uap 10% ) = 225,7 kj Kalor Yang Dibutuhkan Untuk Menguapkan Air Dan Rendemen Dalam Bahan a. Kalor untuk menguap air/kilogram bahan Jumlah air/kg bahan = 0,1 kg Kalor laten dari uap air pada 100ºC,1 atm ( water steam table ) = 2275 kj Suhu awal 29ºC Jumlah kalor = kalor laten + kalor sensible (29ºC) = ( 2257 kjkg x 0,1 kg ) + ( 0,1 kg x 4,418 kj/kgºc ) = kj = kj b. Kalor untuk menguapkan rendeman / kilogram Bahan Massa jenis pada 25ºC, p 1 = x 1000 = kg / m³ Kalor laten minyak kayu putih = 846 kj/kg ( asumsi ) Tawal minyak = 30ºC Kalor spesifik daun kayu putih kering 0.5Btu/1b/ºF = J/kg.ºC

18 Jumlah kalor = kalor laten ( redemen ) + kalor sensible bahan (dari 30ºC ke 100º) = ( kg x 864 kj/kg) + [ 1 kg x kj/kg.ºc x ( ) = kj kj = kj = 160 kj Kalor total (a+b) = 255.kJ + 160kJ = kj Jumlah uap / kg bahan = / = 1.84 kg. Jika jumlah bahan 2 kg Uap air yang di butuhkan = 1.84 x 2 = 3.68 liter Setelah melakukan proses analisa dan desain termal pada proses destilasi maka dilakukan ujicoba alat destilator, berikut ini adalah data minyak Atsiri yang dihasilkan selama ± 4 jam, dapat dilihat pada table 4.4 Table 4.4 Minyak kayu putih yang dihasilkan selama percobaan. menit ke Untuk bahan 2 kg daun kayu putih,minyak yg dihasilkan pada

19 Gambar 4.1. Grafik hasil minyak kayu putih Waktu Minyak Atsiri Yang di hasilkan Setelah mengalami proses destilasi selama ± 4 jam. Pada menit ke 75 hasil minyak turun ke kran penampung minyak tetapi hasil minyak masih bercampur air kondensat dengan suhu mencapai 106. Suhu tersebut adalah suhu tertinggi selama proses destilasi, Dan hasil minyak setelah proses destilasi ± 4 jam adalah 37.5 ml (Setelah diukur gelas penampung)