BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pengertian Kalor Pengertian kalor yaitu bentuk energi yang berpindah dari benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah ketika benda bersentuhan. 1 kalori = 4,2 joule ; 1 joule = 0,24 kalori 1 kkal (kilokalori) = 1000 kal (kalori) = 4200 joule = 4,2 kj (kilojoule) Kalor dapat menaikan atau menurunkan suhu. Semakin besar kenaikan suhu maka kalor yang diterima semakin banyak. Semakin kecil kenaikan suhu maka kalor yang diterima semakin kecil. Maka hubungan kalor (Q) berbanding lurus FAKULTAS TEKNIK 5

2 atau sebanding dengan kenaikan suhu (ΔT) jika massa (m) dan kalor jenis zat (c) tetap. Semakin besar massa zat (m) maka kalor (Q) yang diterima semakin banyak. Semakin kecil massa zat (m) maka kalor (Q) yang diterima semakin sedikit. Maka hubungan kalor (Q) berbanding lurus atau sebanding dengan massa zat (m) jika kenaikan suhu (ΔT) dan kalor jenis zat (c) tetap. Semakin besar kalor jenis zat (c) maka kalor (Q) yang diterima semakin banyak. Semakin kecil kalor jenis zat (c) maka kalor (Q) yang diterima semakin sedikit. Maka hubungan kalor (Q) berbanding lurus atau sebanding dengan kalor jenis zat (c) jika kenaikan suhu (ΔT) dan massa zat (m) tetap. Kalor jenis zat (c) yaitu banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu 1 kg zat sebesar 1 C. Persamaan energi kalor yaitu : Q = m c ΔT Keterangan : Q = m.c.(t2 t1) Q = banyaknya kalor satuan joule (J) c = kalor jenis zat satuan J / kg C m = massa zat satuan kg ΔT = perubahan suhu satuan C Kalor dapat dibagi menjadi 2 jenis : 1. Kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu FAKULTAS TEKNIK 6

3 2. Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud (kalor laten), persamaan yang digunakan dalam kalor laten nada dua macam Q = m.u dan Q = m.l. Dengan U adalah kalor uap (J/kg) dan L adalah kalor lebur (J/kg) Dalam pembahasan kalor ada dua konsep yang hampir sama tetapi berbeda yaitu kapasitas kalor (H) dan kalor jenis (c). Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebesar 1 derajat celcius. H = Q/(t2-t1) Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius. Alat yang digunakan untuk menentukan besar kalor jenis adalah kalorimeter. c = Q/(t2 t1) Bila kedua persamaan tersebut dihubungkan maka terbentuk persamaan baru H = m.c Analisis grafik perubahan wujud pada es yang dipanaskan sampai menjadi uap. Dalam grafik ini dapat dilihat semua persamaan kalor digunakan. FAKULTAS TEKNIK 7

4 Keterangan : Pada Q1 es mendapat kalor dan digunakan menaikkan suhu es, setelah suhu sampai pada 0 C kalor yang diterima digunakan untuk melebur (Q2), setelah semua menjadi air barulah terjadi kenaikan suhu air (Q3), setelah suhunya mencapai suhu 100 C maka kalor yang diterima digunakan untuk berubah wujud menjadi uap (Q4), kemudian setelah berubah menjadi uap semua maka akan kembali terjadi kenaikan suhu kembali (Q5) 2.2 Perpindahan kalor Perpindahan panas adalah proses berpindahnya energi dari suatu tempat ke tempat yang lain dikarenakan adanya perbedaan suhu di tempat FAKULTAS TEKNIK 8

5 tempat tersebut. Perpindahan panas dapat berlangsung dengan beberapa cara seperti : 1. Perpindahan Panas Konduksi Merupakan proses perpindahan panas dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah di dalam medium (padat, cair, dan gas) atau antara medium yang bersinggungan langsung. Jika terdapat suatu gradien suhu, maka menurut pengalama akan terjadi perpindahan dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah. Dapat dikatakan bahwa energi akan berpindah secara konduksi atau hantaran, laju perpindahan kalor dinyatakan sebagai : q = k. A. T x 1 Dimana : q = laju perpindahan kalor T x = gradien suhu kearah perpindahan kalor k A = konduktivitas thermal bahan = luas bidang perpindahan kalor 2. Perpindahan Panas Konveksi Merupakan proses transport energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan energi dan proses mencampur. Proses ini terjadi pada permukaan padat, cair dan gas. FAKULTAS TEKNIK 9

6 Aliran Arus bebas U T U q Dinding Gambar 2.1 perpindahan kalor konveksi dari suatu plat Pada gambar 2.1 diatas T w adalah suhu plat dan T adalah suhu fluida. Apabila kecepatan di atas plat adalah nol, maka kalor hanya dapat perpindah dengan cara konduksi. Akan tetapi apabila fluida diatas plat bergerak dengan kecepatan tertentu, maka kalor perpindah dengan cara konveksi, yang dimana gradien suhu bergantung dari laju fluida membawa kalor. Sedangkan laju perpindahan kalor dipengaruhi oleh luas permukaan perpindahan kalor (A) dan beda suhu menyeluruh antara permukan bidang dengan fluida yang dapat dirumuskan sebagai berikut : q = h. A. (T w T )... 2 Dimana h merupakan koefisian perpindahan panas konveksi. Untuk keadaan yang sederhana, koefisien perpindahan panas konveksi (h) dapat diperhitungkan secara analisis, sedangkan untuk keadan yang FAKULTAS TEKNIK 10

7 rumit, harus diperhitungkan dengan cara eksperiman atau percobaan. Perpindahan panas konveksi tergantung pada vikositas fluida, disamping ketergantunganya terhadap sifat sifat termal fluida, seperti: konduktivitas termal, kalor spesifik, dan densitas. Hal ini disebabkan karena viskositas mempengaruhi laju perpindahan energi di daerah dinding. Ada dua jenis perpandahan panas konveksi, yaitu : a. Perpindahan panas konveksi alami Fenomena ini tejadi karena fluida yang terjadi karena pemanasan, berubah densitasnya, sehingga fluidanya bergerak. b. Perpindahan panas konveksi paksa Fenomena ini terjadi apabila sistim dimana fluida didorong oleh permukaan perpindahan kalor, atau melaluinya, fluida bergerak adanya faktor pemaksa. Sebagai gambaran adalah fenomena perpindahan panas aliran atau di dalam pipa yang dinyatakan sebagai : dq = m. C p. dt b dq = h. 2π. r T w T b dx... 3 q m.c p Aliran T b1 1 2 dx L T b2 FAKULTAS TEKNIK 11

8 Gambar 2.2 Perpindahan kalor menyeluruh dinyatakan dengan beda suhu limbak Angka Nusselt untuk aliran turbulen sepenuhnya adalah : Nu d = 0,023Re d 0,8 Pr n... 4 Dimana : n = nilai eksponen = 0,4 untuk pemanasan = 0,3 untuk pendinginan Angka Nusselt untuk aliran laminar sepenuhnya adalah : Nu d = 3,66 + Dimana : d = diameter pipa 0,0668 (d L)Re d Pr 1+0,04[ d L Re d Pr ] L = panjang pipa Koevisien perpindahan panas konveksi dibantu oleh : h d = Nu d.k d Perpindahan Panas Radiasi Merupakan proses perpindahan panas dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah bila benda benda itu terpisah di dalam suatu ruangan bahkan bila terdapat suatu ruang hampa diantara benda benda tersebut. Untuk radiasi diantara dua benda dapat dirumuskan : FAKULTAS TEKNIK 12

9 q = F x. F g. A. σ(t 1 4 T 2 4 )... 7 Dimana : F x = fungsi emisivitas F g = fungsi geometeri A = luas permukaan bidang σ = konstanta Stefan Boltzman (5,669 x 10-8 W / m 2 K 4 ) 4. Perpindahan Panas Gabungan Dinding datar seperti pada gambar 2.2 dimana pada suatu sisinya te rdapat luida panas A, dan pada sisi alinnya terdapat fluida B yang lebih dingin. Perpindahan kalor dinyatakan oleh : q = h 1. A T A T 1 = k. A x(t 2 T B ) q = h 2. A(T 2 T B )... 8 Proses perpindahan kalor dapat di gambarkan dengan jaringan tahanan seperti pada gambar 2.2. Perpindahan kalor gabungan dihitung dengan jalan membagi beda suhu menyeluruh dengan jumlah tahanan thermal : q = T A T B 1 h1.a + x k.a +1 h 2.A... 9 FAKULTAS TEKNIK 13

10 T A Fluida A q Fluida B T 1 h 1 T 2 h 2 Gambar 2.3 Perpindahan kalor gabungan melalui dinding datar T B Nilai 1/h. A digunakan untuk menunjukan tahanan konveksi. Aliran kalor menyeluruh sebagai hasil gabungan proses konduksi dan konveksi bisa dinyatakan dengan koevisien perpindahan kalor menyeluruh U, yang dirumuskan dengan hubungan : q = U. A. T (menyeluruh) Dimana A adalah luas bidang aliran kalor, koofisien perpindahan kalor menyeluruh adalah : U = 1 1 h1 + x k +1 h Sedangkan pada penukar kalor aliran silang, fluida yang mengalami pertukara panas berjalan secara menyilang satu sama lain. Dalam penerapannya penukar kalor air silang, banyak dipakai untuk pemanasan FAKULTAS TEKNIK 14

11 dan pendinginan udara, gas atau air. Sebagai contoh adalah radiator yang konstruksinya menggunakan saluran diantara sirip sirip. Dengan luas permukaan yang sangat besar persatuan volume yang diwujudkan dalam bentuk konstruksi pipa dan sirip, maka akan memungkinkan terjadinya kontak langsung dengan udara secara lebih luas. Gambar 2.4 Contoh contoh konvigurasi penukar kalor kompak Keterangan : a. Penukar kalor tabung bersirip dengan tabung tabung rata. b. Penukar kalor bersirip bundar dalam satuan konfigurasi. c dan d. Menggambarkan cara lain untuk mendapatkan luas permukaan yang sangat besar pada kedua sisi penukar kalor. 2.3 Alat Penukar kalor Alat penukar panas atau Heat Exchanger adalah alat yang digunakan untuk memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium pemanas dipakai adalah air yang dipanaskan sebagai FAKULTAS TEKNIK 15

12 fluida panas dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water). Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung (direct contact). Salah satu contoh sederhana dari alat penukar panas adalah radiator mobil dimana cairan pendingin memindahkan panas mesin ke udara sekitar. Tipe aliran di dalam alat penukar panas ini ada 4 macam aliran, yaitu : 1. Counter current flow (aliran berlawanan arah) 2. Paralel flow/co current flow (aliran searah) 3. Cross flow (aliran silang) 4. Cross counter flow (aliran silang berlawanan) Jenis jenis penukar panas antara lain : 1. Penukar panas pipa rangkap (double pipe heat exchanger) Salah satu jenis penukar panas adalah susunan pipa ganda. Dalam jenis penukar panas dapat digunakan berlawanan arah aliran atau arah aliran, baik dengan cairan panas atau dingin cairan yang terkandung dalam ruang annular dan cairan lainnya dalam pipa. Gambar 2.5 Penukar panas jenis pipa rangkap FAKULTAS TEKNIK 16

13 2. Penukar panas cangkang dan buluh ( shell and tube heat exchanger ) Alat penukar panas cangkang dan buluh terdiri atas suatu bundel pipa yang dihubungkan secara parallel dan ditempatkan dalam sebuah pipa mantel (cangkang ). Fluida yang satu mengalir di dalam bundel pipa, sedangkan fluida yang lain mengalir di luar pipa pada arah yang sama, berlawanan, atau bersilangan. Gambar 2.6 Penukar panas jenis cangkang dan buluh 3. Penukar Panas Plate and Frame ( plate and frame heat exchanger ) Alat penukar panas pelat dan bingkai terdiri dari paket pelat pelat tegak lurus, bergelombang, atau profil lain. Pemisah antara pelat tegak lurus dipasang penyekat lunak ( biasanya terbuat dari karet ) terdapat lubang pengalir fluida. Gambar 2.7 Penukar panas jenis pelat and Frame FAKULTAS TEKNIK 17

14 4. Adiabatic wheel heat exchanger Jenis penukar panas ini menggunakan intermediate cairan atau toko yang solid untuk menahan panas, yang kemudian pindah ke sisi lain dari penukar panas akan dirilis. 5. Pillow plate heat exchanger Pelat bantal memungkinkan untuk pendinginan di hampir daerah seluruh permukaan tangki, tanpa sela yang akan terjadi antara pipa dilas ke bagian luar tangki. Pelat bantal dibangun menggunakan lembaran tipis dari logam-spot dilas ke permukaan selembar tebal dari logam. Pelat tipis dilas dalam pola teratur dari titik-titik atau dengan pola serpentin garis las. Setelah pengelasan ruang tertutup bertekanan dengan kekuatan yang cukup untuk menyebabkan logam tipis untuk tonjolan di sekitar lasan, menyediakan ruang untuk cairan penukar panas mengalir, dan menciptakan penampilan yang karakteristik bantal membengkak terbentuk dari logam. 6. Dynamic scraped surface heat exchanger Tipe lain dari penukar panas disebut "(dinamis) besot permukaan heat exchanger". Ini terutama digunakan untuk pemanasan atau pendinginan dengan tinggi viskositas produk, proses kristalisasi, penguapan tinggi dan fouling aplikasi. 7. Phase change heat exchanger Selain pemanasan atau pendinginan cairan hanya dalam satu fasa, penukar panas dapat digunakan baik untuk memanaskan cairan FAKULTAS TEKNIK 18

15 menguap (atau mendidih) atau digunakan sebagai kondensor untuk mendinginkan uap dan mengembun ke cairan. Pada pabrik kimia dan kilang, reboilers digunakan untuk memanaskan umpan masuk untuk menara distilasi sering penukar panas. Distilasi set up biasanya menggunakan kondensor untuk mengkondensasikan uap distilasi kembali ke dalam cairan. Pembangkit tenaga listrik yang memiliki uap yang digerakkan turbin biasanya menggunakan penukar panas untuk mendidihkan air menjadi uap. Gambar 2.8 Penukar panas jenis Phase change heat exchanger 2.4 Water heater Gambar 2.9 Sistem pendingin mobil FAKULTAS TEKNIK 19

16 Pada umumnya water heater tebagi menjadi beberapa jenis, yaitu : 1) Water Heater Gas Prinsip kerja water heater gas hampir sama dengan proses memasak air menggunakan kompor gas. Yang membedakan adalah air tidak ditempatkan ke dalam panci atau ceret, tetapi dilewatkan ke dalam pipa-pipa kemudian pada bagian bawahnya dibakar dengan gas. Kapasitas water heater gas dipasaran bermacam-macam, mulai dari 5,8 hingga 10liter/menit. Biasanya 1 buah water heater gas digunakan untuk 1 kamar mandi saja. Sistim kerja water heater gas : Mengingat water heater jenis ini menggunakan gas sebagai energi pemanasnya, seringkali menimbulkan ketakutan pada pengguna akan terjadinya kebocoran. Namun kita tidak perlu takut menggunakannya karena ada beberapa cara untuk mengantisipasinya. - Usahakan rutin memeriksa kondisi sambungan, apakah baik atau tidak -Jika terjadi kebocoran (biasanya ditandai dengan bau gas yang menyengat) jangan langsung menyalakan water heater. Bukalah jendela dan ventilasi lain lebar-lebar agar gas bsa langsung dikeluarkan dari ruangan. -Beberapa produk water heater yang baik sudah delengkapi dengan pengaman (safety device) untuk mengantisipasi bila terjadi kebocoran. FAKULTAS TEKNIK 20

17 Sistem pengaman ini dilengkapi dengan sensor yang secara otomatis menutup saluran gas bila api (pemanas air) tiba-tiba mati. Selain permasalahan gas beserta perlengkapan water heater nya, kita perlu memperhatikan tekanan airnya. Usahakan tekanan air tidak di bawah 0,3 bar agar water heater dapat digunakan. Permasalahan lain yang sering muncul adalah aliran air yang tidak lancar bahkan terkadang macet. Kondisi ini terjadi karena air yang mengalir ke dalam water heater tidak bersih dan banyak mengandung partikel kecil seperti pasir debu serta tingginya kadar kapur di dalamnya. Untuk mengantisipasi resiko kemacetan, ada baiknya kita memasang filter serta tidak lupa untuk membersihkan saluran airnya secara berkala. 2) Water heater listrik Sesuai namanya, water heater listrik menggunakan listrik sebagai sumber energi pemanasnya. Water heater listrik yang tersedia di pasaran terbagi menjadi 2 macam, sistem tangki dan instan. Prinsip kerja water heater listrik sistem tangki hampir sama dengan memasak air menggunakan listrik (thermos listrik). Air ditampung dalam sebuah tangki berisolasi yang dilengkapi pipa ber elemen pemanas listrik yang melingkar. Perpindahan kalor/panas yang terjadi akan diserap oleh air di dalam tangki tersebut. Di dalam tangki sendiri terdapat 3 elemen utama, yaitu: - Heating elemen, berfungsi untuk memanaskan air, biasanya terbuat dari bahan kuningan. - Thermostat, berfungsi untuk menjaga kondisi air dalam tangki tetap panas pada suhu tertentu. FAKULTAS TEKNIK 21

18 - Magnesium anode, berfungsi untuk menetralkan ion-ion positif dalam air sehingga membantu mencegah karat pada elemen-elemen dalam tangki. Penggunaan water heater listrik seringkali menimbulkan kekhawatiran timbulnya masalah dari pemakaian alatnya. Momok yang kerap muncul adalah bahaya tersengat aliran listrik. Namun kita tidak perlu takut karena mayoritas water heater listrik sudah dilengkapi dengan pengaman berupa anti kontak, sehingga secara otomatis akan memutus aliran listrik jika terjadi kebocoran atau muncul masalah-masalah lain. Tangki water heater listrik masalah lain yang sering ditemui yaitu volume air yang didapatkan sedikit serta panasnya tidak bisa bertahan lama. Permasalahan ini biasanya muncul pada water heater listrik dengan sitem tangki. Untuk mengatasinya pastikan aliran air yang keluar cukup kencang, sehingga volume air yang keluar dan masuk kran berimbang. 3) Water Heater tenaga surya Water heater tenaga surya (solar water heater) merupakan water heater yang menggunakan energi matahari sebagai sumber energi penghasil panasnya. Jenis yang satu ini memang paling hemat listrik karena menggunakan tenaga matahri sebagai sumber panas, tetapi harga jenis ini jauh lebih mahal dibandingkan dengan tipe lainnya. Solar water heater sangat cocok untuk daerah tropis yang dilimpahi sinar matahri sepanjang tahun. Tipe ini memerlukan biaya operasional yang besar karena menggunakan tenaga surya yang tersedia secara gratis. Water heater tenaga surya ini memiliki beberapa komponen penting diantaranya : FAKULTAS TEKNIK 22

19 - Tangki penampung air, berfungsi menyimpan air - Panel kolektor penyerap sinar matahari, terdiri dari plat alumunium yang dilindungi pabel kaca setebal 5mm dan terpasang di atap - Pipa air panas, berfungsi untuk mengalirkan air panas dari tangki ke kran air yang terpasang di rumah Panel kolektor water heater tenaga surya selain menggunakan sinar matahari, water heater tenaga surya masih memerlukan energi listrik untuk menyalakan pompa yang mengalirkan air ke kran serta menyalakan pemanas cadangan (electric heater) saat sinar matahari tidak memadai untuk memanaskan air (karena cuaca mendung atau hujan). Untuk menggunakan water heater tenaga surya, diperlukan ruang di atas atap yang cukup luas. Kemiringan atap harus sesuai dengan spesifikasi produknya. Apabila kemiringan atap tidak memenuhi syarat harus dipasang rangka tambahan untuk peletakan panel kolektornya. 2.5 Metode Perhitungan NTU Dan MLTD 1. Number of Transfer Unit atau NTU Metode efektivitas mempunyai beberapa keuntungan untuk menganalisis perbendingan berbagai jenis penukar kalor dalam memilih jenis yang terbaik untuk melaksanakan pemindahan kalor tertentu. Efektifitas penukar kalor (heat exchanger effectiveness) didefinisikan sebagai berikut : ε = T(fluida minimum ) Beda suhu maksimum di dalam penukar kalor FAKULTAS TEKNIK 23

20 Perpindahan kalor yang sebenarnya (actual) dapat dihitung dari energi yang dilepaskan oleh fluida panas atau energi yang diterima oleh fluida dingin untuk penukar kalor aliran lawan arah : q = m h C h T h1 T h2 q = m c C c (T c1 T c2 ) Dimana : q = perpindahan panas m = laju aliran massa C h = kalor spesifik fluida panas C c = Kalor spesifik fluida dingin T h1 = suhu masuk fluida panas T h2 = suhu keluar fluida panas T c1 = suhu masuk fluida dingin T c2 = suhu keluar fluida dingin Untuk menentukan perpindahan kalor maksimum bagi penukar kalor itu harus dipahami bahwa nilai maksimum akan didapat bila salah satu fluida mengalami perubahan suhu sebesar beda suhu maksimum yang terdapat dalam penukar kalor itu, yaitu selisih antara suhu masuk fluida panas dan fluida dingin. Fluida yang mungkin mengalami beda suhu maksimum ini ialah yang nilai m c nya minimum, karena neraca energi mensyaratkan bahwa energi yang diterima oleh fluida yang satu mesti sama FAKULTAS TEKNIK 24

21 dengan energi yang dilepas oleh fluida yang satu lagi. Jika fluida yang mempunyai nilai m c yang lebih besar yang dibuat mangalmi beda suhu maksimum, maka tentu fluida yang satu lagi akan harus mengalami suhu yang lebih besar dari maksimum, dan ini tidak dimungkinkan. Jadi perpindahan kalor maksimum yang mungkin dinyatakan sebagai : q maks = m c min (T h masuk T c masuk ) Jika fluida dingin adalah fluida minimum, maka : ε = T c2 T c1 T h 1 T h Log Mean Temperature difference atau LMTD Fluida dapat mengalir dalam aliran sejajar maupun aliran lawan arah, dan profil suhu. Perpindahan kalor dalam susunan pipa ganda dapat dihitung memakai rumus : q = U. A. T m Dimana : U = koefisien perpindahan kalor menyeluruh A = luar permukaan perpindahan kalor yang sesuai dengan definisi U T m = beda suhu rata-rata yang tepat untuk digunakan dalam penukar kalor FAKULTAS TEKNIK 25

22 yaitu : Jadi rumus perhitungan Log Mean Temperature difference atau LMTD, q = U. A. LMTD Dimana nilai LMTD didapat dari rumus sebagai berikut : LMTD = T A T B ln ( T A T B ) LMTD = T m = T h 2 T c2 (T h 1 T c1 ) ln (T h 2 T c2 ) (T h 1 T c1 ) FAKULTAS TEKNIK 26