1.1 Tujuan Pengujian WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH BAB I PENDAHULUAN a) Mempelajari formulasi dasar dari heat exchanger sederhana. b) Perhitungan keseimbangan panas pada heat exchanger. c) Pengukuran koefisien perpindahan panas berdasarkan kuantitas aliran fluida. 1.2 Dasar Teori 1.2.1 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. Perpindahan panas pada Heat exchanger biasanya melibatkan konveksi di setiap cairan dan konduksi melalui dinding yang memisahkan dua cairan.. 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 1.1, yang disebut double pipa panas exchanger.
Gambar 1.1 aliran (a) counter flow, (b) parallel flow, dan grafik temperatur in, out. Sumber: Cengel. (2003:21). 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. 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 1.2 Perpindahan panas pada pipa ganda Sumber: Cengel. (2003:21)
1.2.2 Mekanisme Perpindahan Panas Energi panas dapat ditransfer dari satu sistem ke sistem yang lain, sebagai hasil dari perbedaan temperatur. 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 konduksi, konveksi dan radiasi. Di bawah ini kita memberikan gambaran singkat dari setiap cara. 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. 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. 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. 1.2.3 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. 1.2.4 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. Oleh karena itu, difusivitas termal dari material dapat dipandang sebagai rasio panas yang dilakukan melalui bentuk material panas yang tersimpan per satuan volume. 1.2.5 Resistansi Termal Resistansi termal merupakan salah satu properti panas dan memiliki definisi ukuran perbedaan temperatur dari material yang tahan terhadap aliran panas. Resistansi termal sendiri berbanding terbalik dengan Konduktivitas termal. Resistansi termal memiliki satuan yaitu (m 2 K)/W. 1.3 Spesifikasi Alat Gambar 1.3 Water to Water Heat Exchanger Bench Sumber : Laboratorium Fenomena Dasar Mesin FT-UB Hot water source Head tank with square weir Flow rate meter (rotameter) Termometer pada inlet & outlet Electrically immersion heater Cold water source : 200 liter/jam : 0 100 o C : 5 kw & 3 kw
Head tank with square weir Flow rate meter (rotameter) : 500 liter/jam Termometer pada inlet & outlet : 0 100 o 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 Kebutuhan Pendukung Listrik 3 fase 200/220 Volt, 50/60 Hz, 50 Ampere Suplai air (700 liter/jam) 1.4 Cara Pengambilan Data Air panas mengalir melalui tabung dan air dingin melalui jacket. Eksperimen aliran pararel dan counter flow dilakukan dengan merubah arah aliran air dingin dengan memutar katup 3 arah (A) dan (B). Dengan mengatur debit aliran air panas dan air dingin aliran laminar dan turbulen dapat diatur. Tabel berikut menunjukkan kombinasi eksperimen: Hot Water Cold Water Hot Water Cold Water PARALLEL FLOW A LAMINAR LAMINAR E LAMINAR LAMINAR B TURBULENT LAMINAR COUNTER F TURBULENT LAMINAR C LAMINAR TURBULENT FLOW G LAMINAR TURBULENT D TURBULENT TURBULENT H TURBULENT TURBULENT 1) Set temperatur Atur temperatur air panas pada head tank dengan TEMP. SET pada control unit. Tunggu hingga pembacaan termometer air panas mencapai stabil. 2) Set aliran laminar dan turbulen
Dengan mengatur katup no (3) dan (19) aturlah debit air panas dan air dingin sesuai dengan tabel berikut: Flow Rate Meter (Hot Water) Flow Rate Meter (Cold Water) LAMINAR TURBULENT < 30 l / h > 100 l / h < 150 l / h > 500 l / h 3) Pengukuran Ukurlah nilai T 1, T 2, t 1, t 2, W dan w dan tulis data dalam lembar pengambilan data yang telah disediakan. 4) Perhitungan a. Hitung nilai Δt m dengan persamaan (4) dan (5) b. Hitung nilai (T 1 + T 2 ) / 2 kemudian tentukan nilai viskositas kinematic v h pada tabel properti air. c. Hitung nilai q w dan Q W dengan persamaan (1) d. Hitung nilai (t 1 + t 2 ) / 2 kemudian tentukan nilai viskositas kinematic v l pada tabel properti air. e. Hitung nilai Re W dengan persamaan (8) dan Re w dengan persamaan (9) f. Hitung nilai efektifitas dengan persamaan (7) g. Hitung nilai U dengan persamaan (6) 1.4.1 Heat-Exchanger Gambar 1.4 Double Tube Heat Exchanger Sumber : Harlan Bengtson, (2010) Saat fluida dengan temperatur tinggi mengalir pada tabung dan fluida bertemperatur rendah mengalir pada jacket maka kalor sejumlah Q akan berpindah
melalui dinding tabung dalam keadaan tunak (steady state), jumlah panas yang dilepas pada fluida bertemperatur tinggi akan sama dengan jumlah panas yang diterima pada fluida bertemperatur rendah. Sehingga keseimbangan panasnya menjadi: dimana: = kalor yang dilepas (kcal / jam) = kalor yang diterima (kcal / jam) T = temperatur fluida bertemperatur tinggi ( o C) t = temperatur fluida bertemperatur rendah ( o C) W = Laju alir fluida bertemperatur tinggi (kg/ jam) w = Laju alir fluida bertemperatur rendah (kg/ jam) C H = Panas spesifik fluida bertemperatur tinggi (kcal/kg o C) C C = Panas spesifik fluida bertemperatur rendah (kcal/kg o C)..(1) Jika ditentukan rata-rata perbedaan temperatur antara kedua fluida sebagai Δt m, maka jumlah panas (q): dimana: q = jumlah panas yang ditukar (kcal / jam) A = area permukaan perpindahan kalor (m 2 ) dalam kasus tabung A = πdl U = koefisien transmisi kalor / heat transmission coefficient (kcal/m 2 jam o C) Δt m = Rata-rata (logaritmik) perbedaan temperatur ( o C)
Gambar 1.5 Profil Temperatur Heat Exchanger Sumber : Harlan Bengtson, (2010) Untuk paralel flow..(4) Untuk counter flow..(5) Sehingga dapat ditentukan nilai koefisien transmisi kalor (U)..(6) Nilai efektifitas heat exchanger (ϵ h ) 1.4.2 Bilangan Reynolds
Bilangan Reynolds digunakan untuk menentukan regime aliran apakah laminar atau turbulen. Didapatkan dengan persamaan: d merupakan diameter pipa dan v merupakan kecepatan alir fluida didapatkan dengan persamaan: v = W/A Luas penampang (A) tabung dan jacket dapat diketahui dengan fungsi diameternya seperti pada gambar 3. Gambar 1.6 Penampang Heat Exchanger Sumber : Harlan Bengtson, (2010) Air panas Passing area : dengan dimana W dengan satuan liter/jam dengan mensubtitusikan nilainya pada persamaan maka: Sehingga:
adalah viskositas kinematik (m 2 /s) pada temperatur rata-rata air panas dalam tabung Air dingin Passing area: Nilai d untuk perhitungan bilangan Reynold Sehingga bilanagn Reynold untuk air dingin dengan subtitusi besaran di atas maka: adalah viskositas kinematik (m 2 /s) pada temperatur rata-rata air dingin dalam tabung Tabel 1.1 Properti Air
COUNTER PARALLEL WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH 1.5 Lembar Data 1.5.1 Data Hasil Pengujian Tabel 1.2 Data Hasil Pengujian VARIATION logarithmic meantemperature difference T1-t1 T2-t2 tm HOT WATER COLD WATER EFFECTIVENESS OF HEAT EXCHANGER COEFFICIENT OF OVERALL HEAT TRANSFER Qw Rew qw Rew q U A B C D E F G H
COUNTER PARALLEL Tabel 1.3 Data Hasil Pengujian WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH HOT WATER COLD WATER KINEMATIC VISCOUSITY OF WATER VARIATION INLET OUTLET FLOW R. METER INLET OUTLET FLOW R. METER HOT WATER COLD WATER T1 T2 W t1 t2 w (T1+T2)/2 Vh (t1+t2)/2 vl A B C D E F G H
1.5.2 Contoh Perhitungan A. Untuk Menghitung Nilai Qw dan..................... B. Untuk Menghitung Nilai Δt m Untuk Jenis Aliran Parallel Flow..................... C. Untuk Menghitung Nilai Δt m Untuk Jenis Aliran Counter Flow
D. Untuk Menghitung Nilai Efektifitas Heat Exchanger ϵh E. Untuk Menghitung Nilai Bilangan Reynolds
1.6 Grafik dan Pembahasan 1.6.1 Hubungan Efektifitas Perpindahan Panas Terhadap Regime Aliran Pada Variasi Arah Aliran
1.6.2 Hubungan Koefisien Perpindahan Panas Terhadap Regime Aliran Pada Variasi Arah Aliran WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH
DAFTAR PUSTAKA Bengtson, Harlan. 2010. Heat Exchangers - Arithmetic and Logarithmic Mean Temperature Difference. Diakses pada tanggal : 26 September 2015. Cenggel, Yusuf A. 2003. Heat Transfer : A Practical Approach. New York : McGraw-Hill.