Water to water heat exchanger

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH

BAB III WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH 3.1 Dasar Teori 3.1.1 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. 3.1.2 Konduksi 3.1.2.1 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 :

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH

Gambar 3.1 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: Laju Konduksi=

( Luas ) ( gradient temperatur ) Ketebalan

Atau, Qkonduksi =kA

T 2−T 1 △T =−kA △x △x

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 Qkonduksi = −kA

dT dx

Tanda negatif di dalam rumus memastikan bahwa perpindahan panas dalam arah x positif adalah jumlah yang positif.

3.1.2.2 Konveksi

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH 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 partikelpartikel 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 LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH 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. 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.

Gambar 3.2 Aliran eksternal udara dan aliran internal air pada suatu pipa/saluran Sumber: Cengel. (2003:21) 3.1.2.3 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 T s mutlak diberikan oleh hukum Stefann-Boltzmann yaitu LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH Qradiasimax =σ A s T 4s Dimana σ = 5,67 x

10−8 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 Qradiasi =εσ A s T 4s Dimana ε adalah emisivitas permukaan yang besarnya adalah diantara 0 ≤ ε ≤ 1.As adalah luas permukaan dan Ts adalah temperatur absolut. 3.1.3 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. 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. 3.1.4 Difusivitas Termal

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH 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 α=

Panas yang diberikan k = (m² /s) panas yang disimpan p C p

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. 3.1.5 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 (m2K)/W. Aliran panas dapat dimodelkan dengan analogi rangkaian listrik di mana aliran panas diwakili oleh arus, suhu diwakili oleh tegangan, sumber panas yang diwakili oleh sumber arus konstan, resistensi termal mutlak diwakili oleh resistor dan kapasitansi termal dengan kapasitor. Diagram menunjukkan rangkaian termal setara untuk perangkat semikonduktor dengan heat sink. 3.1.6 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 LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH 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 2.3 , yang disebut double pipa panas exchanger.

Gambar 3.5 Aliran sistem heat exchanger pipa ganda Sumber: Cengel. (2003:21) 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, LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH 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 3.6 Perpindahan panas pada pipa ganda Sumber: Cengel. (2003:21) 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 R=R tot + R wall + R 0=

¿(D0 l Di ) 1 1 + + h1 A 1 2 ΠkL h0 A 0

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, masingmasing.

3.1.7 Counter-flow Heat Exchanger Variasi suhu cairan panas dan dingin dalam heat exchanger counter-flow diberikan pada Gambar 2.5. Perhatikan bahwa cairan panas dan dingin masukkan pada ujung-ujung pipa, dan suhu keluar dingin cairan pada keadaan ini dapat melebihi suhu LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH 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 3.7 aliran (a) counter flow, (b) parallel flow, dan grafik temperatur in, out. Sumber: Cengel. (2003:21) 3.2 Tujuan Praktikum   

Menghitung Formulasi dasar dari heat exchanger sederhana Perhitungan keseimbangan panas pada heat exchanger Pengukuran koefisien perpindahan panas berdasarkan kuantita aliran fluida

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH 

Mengetahui efesiensi heat exchanger

3.3 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

3.4 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 3.1 Kombinasi eksperimen Hot Water

Cold Water

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

Hot Water

Cold Water

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH A

Laminer

Laminer

E

Laminer

Laminer

PARALLEL FLOW

COUNTER F Turbulent Laminer B Turbulent Laminer FLOW 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 3.2 Turbulen dan laminer Flow Rate Meter

TURBULEN ≤ 30 I / h

LAMINER ≥ 100 I / h

(Hot Water) Flow Rate Meter

≥ 150 I / h

≤500 I / h

(Cold Water) Sumber: Modul Praktikum Laboraturium Fenomena Dasar Mesin 3) Pengukuran Ukurlah nilai

T1

T2

,

,

t1

,

t2

W dan w dan tulis data dalam lembar

pengambilan data yang telah disediakan. 4) Perhitungan a

Hitung nilai ∆ t m dengan persamaan (4) dan (5)

b

Hitung nilai ( T 1

c d

V h pada tabel properti air. Hitung nilai q w dan Qw dengan persamaan (1) Hitung nilai ( t 1 + t 2 )/2 kemudian tentukan nilai viskositas kinematic

+

T 2 )/2 kemudian tentukan nilai viskositas kinematik

V 1 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)

3.5 Hasil Pengujian T1 3.5.1 Data Hasil Pengujian Tabel 3.3 Data Hasil Pengujian

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH MEASUREMENTS HIGH TEMP. WATER (HOT LOW TEMP. WATER WATER) (COLD WATER) THERMOMETE THERMOMETE FLOW FLOW R R R. R. INLE OUTL INLE OUTL METER WATER T ET T ET t1(o w T1(oC) T2(oC) W(kg/h) t2(oC) C) (kg/h)

INSTRU. (EQUATIO N)

COUNTER

PARALLEL

Symbols (Unit)

TABLE HIGH TEMP. WATER (HOT WATER)

LOW TEMP. WATER (COLD WATER)

KINEMATIC VISCOSITY OH WATER (T1+T2)/ 2 (oC)

Vh (m2/s)

(t1+t2)/ 2 (oC)

Vl(m2/s) 0.0000007 99

A

76

51

20

34

40

100

63.5

5.034E-07

37

B

76

70

150

34

48

100

73

4.500E-07

41

8.283E-07

5.378E-07

35

0.0000008 53

4.503E-07

36

C

71

47

20

34

36

450

59

D

73

64

150

34

38

450

68.5

E

70

49

20

43

47

100

59.5

F

74

70

150

43

54

100

72

G

69

49

20

45

45

450

59

H

74

67

150

43

47

450

70.5

0.0000005 2 0.0000004 34 0.0000005 52

48.5

4.491E-07

45

45

45

8.314E-07 0.0000008 1 0.0000007 59 0.0000008 5 0.0000008 3

Tabel 3.4 Data Hasil Pengujian CALCULATION (Cp, cp ≈ 1 kcal / kg.oC)

INSTRU. (EQUATI ON)

SYMBOL S (UNIT)

PARALLEL

A B C D

COUNTER

E F G H

LOGARITHMICMEAN-TEMP. DIFFERENCE T T 12t1 t2 PARALL EL FLOW T T 12∆tm t2 t1 (oC) COUNT ER FLOW ∆t ∆t 1 2 (o (o C) C) 4 1 23.1 2 1 38 4 2 30.9 2 2 29 3 1 21.4 7 1 34 3 2 32.0 9 6 61 2 12.6 6 3 51 2 2 23.3 0 7 25 2 11.1 4 4 622 2 2 25.4 7 4 70

HIGH TEMP. FLUID (HOT WATER)

Qw (kcal /h)

REYNO LD'S NO.

LOW TEMP. FLUID (COLD WATER)

qw (kcal /h)

REw 500 900 480 1350 420 600 400 1050

826.38 06 6933.3 33 773.52 17 6928.7 14 800 7188.9 40 753.62 3 6947.2 27

REYNO LD'S NO

Rew 600 1400 900 1800 400 1100 0 1800

949.18 64 915.61 02 4000.9 37 4104.8 83 936.29 63 999.20 94 4015.0 58 4111.8 07

EFFICIENCY OF HEAT EXCHANGER

PARAL LEL FLOW

COUN TER FLOW

COEFFICIENT OF EVERALL HEAT TRANS

q (kcal /h)

PARAL LEL FLOW

COUN TER FLOW

U (kcal/m2.h.0C)

�h (%) 59.52

550

14.29

1150

64.86

690

23.08

1575 77.78

410

12.90

850

83.33

200

22.58

1425

445.3 0 696.5 4 603.0 7 920.2 6 607.1 1 682.6 8 335.6 6 1048. 09

3.5.2 Contoh Perhitungan Dalam contoh perhitungan kali ini, contoh data yang diambil adalah dari Instru. Equation A, yang di ambil dari hasil perhitungan, yaitu: LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH A.

Untuk menghitung Qw dan qw Qw = qw W . Cp . (T1 – T2) = w . cp . (t2 – t1) Dimana

: Qw

= Kalor yang dilepas ( kcal / jam)

qw

= Kalor yang diterima (kcal / jam)

T1,T2= Temperatur fluida yang bertemperatur tinggi (oC) t1,t2 = Temperatur fluida yang bertemperatur rendah (oC) W

= Laju aliran fluida bertemperatur tinggi (kg/jam)

w

= Laju aliran fluida bertemperatur rendah (kg/jam)

Cp

= Panas spesifik (kcal/ kgoC)

Dengan perhitungan Instru. Equation A Qw = W . Cp . (T1 - T2) = 20 kg/jam . 1 kcal/kgoC . (76,0 oC – 51,0 oC) = 500 kcal/jam qw = w . Cp . (t2 - t1) = 100 kg/jam . 1 kcal/kgoC . (40 oC – 34 oC) = 600 kcal/jam Jika ditentukan rata – rata perbedaan temperatur antara kedua fluida sebagai ∆Tm, maka jumlah panas (q) : q = A . U . ∆Tm q = (Qw + qw) / 2 Dimana

:q A

= Jumlah panas yang ditukar (kcal/jam) = Area permukaan perpindahan panas (m2) dalam kasus A=ΠdL

u

= Koefisien transmisi kalor (kcal/m2jamoC)

∆Tm = Rata – rata perbedaan temperatur (oC) Dengan perhitungan q

= (Qw + qw) / 2

q

= (500 + 600) / 2

q

= 550 Dengan perhitungan q U = q / (A∆Tm) = 550 / (0,05338 . 23,14)

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH = 445,30 kcal/m2jamoC Dimana : A = 3,14 . 1 . 1,7 x 10-2 = 3,14 . 1 . 1,7 x 10-2 = 0,05338 B.

Untuk menghitung Parallel Flow ∆Tm = [(T1 – t1) – (T2-t2)] / [ln ((T1-t1) / (T2-t2))] Dimana : ∆Tm

= Rata – rata perbedaan temperatur (oC)

T

= Temperatur fluida bertemperatur tinggi (oC)

t

= Temperatur fluida bertemperatur rendah (oC)

Dengan perhitungan ∆Tm untuk Parallel Flow ∆Tm

= (42) – (11) / [ln (42 / 11)] = 23,14

C.

Untuk menghitung ∆Tm Counter Flow ∆Tm = [(T1 – t2) – (T2-t1)] / [ln ((T1-t2) / (T2-t1))] Dimana : ∆Tm

= Rata – rata perbedaan temperatur (oC)

T

= Temperatur fluida bertemperatur tinggi (oC)

t

= Temperatur fluida bertemperatur rendah (oC)

Dengan perhitungan ∆Tm

= (23) – (6) / [ln (23/6)] = 12.651

D.

Mencari nilai efisiensi heat exchanger (�h)

�h = [(W . Cp . (T1 – t2)) / (W . Cp . (T1 – t1))] LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH Dimana :

�h = Nilai efisiensi heat exchanger W = Laju alir fluida betemperatur tinggi (kg/jam) Cp = Panas Spesifik (kcal/kgoC) Dengan perhitungan efisiensi heat exchanger

�h = [(W . Cp . (T1 – T2)) / (W . Cp . (T1 – t1))] = (25/42) x 100% = 59.52 % E.

Mencari Bilangan Reynold Untuk air panas Rew = 2,080 x 10-5 . (W / Vh) Dimana : Rew

= Bilangan Reynold

W

= Laju alir fluida bertemperatur tinggi (kg/jam)

Vh

= Viskositas kinematik (m2/s) pada temperatur rata – rata air Panas

Dengan perhitungan bilangan Reynold (Rew) = 2,080 x 10-5 . (20 /5,034 x10-7)

Rew

= 826,38 Untuk air dingin : Rew= 7,584 x 10-6 . ( W/Vi) Dimana : Vl

= Viskositas kinematik (m2/s) pada temperatur rata – rata air dingin di dalam tabung

Dengan perhitungan bilangan Reynold (Rew) Rew

= 7,584 x 10-6 (100 / 0,799 x 10-6) = 949,18

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH 3.5.3 Grafik Dan Pembahasan 3.5.3.1 Hubungan Koefisien Perpindahan Panas Terhadap Regime Aliran Pada Variasi Arah Aliran

1200.00 1048.09 1000.00

920.26 Parallel Flow

800.00 696.54 Koefisien Aliran (kcal/m2.h.oC)

603.07

600.00

Counter Flow

682.68

Parallel Flow C

607.11

Parallel Flow D Counter Flow E

445.30

Counter Flow F

400.00

335.66

Counter Flow Counter Flow H

200.00 1.00

0.00 REGIME

Gambar 3.6 Diagram Hubungan Koefisien Perpindahan Panas Terhadap Regime Aliran Pada Variasi Arah Aliran Koefisien perpindahan panas dalam termodinamika dan mekanika adalah koefisien proporsionalitas antara fluks panas dan kekuatan pendorong termodinamika untuk aliran panas (yaitu , perbedaan suhu ,

Δt ). Diagram diatas menunjukan

hubungan antara koefisiensi heat exchanger terhadap regimealiran pada variasi arah aliran. Dari diagram di atas dapat kita lihat bahwa semakin tinggi jumlah panas yang ditukar (q) dan semakin kecil nilai luas permukaan (A) serta nilai rata rata (logaritmik) perbedaan temperatur ( Δ t m ) nya maka semakin tinggi nilai efisiensinya. Hal ini berdasarkan rumusan pada dasar teori yang mengatakan bahwa : U=

q A Δt m

Dimana : A=⫪ dL Keterangan:

⫪: 3.14

d: 1,7 x 10−7 (m) L: 1 (m)

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH Diagram di atas merupakan diagram hubungan koefisien perpindahan panas terhadap regime aliran pada variasi arah aliran. Masing – masing warna diagram tersebut menggambarkan tipe – tipe aliran dan variasinya. Pada bahasan yang pertama ini, secara teoritis didapatkan data sebagai berikut : 

Grafik koefisien A Dengan Arah aliran Pararel dan Regime Aliran Hot Water Laminer serta Cold WaterLaminer: Dari grafik ini dapat kita lihat bahwa koefisiensi yang terjadi sebesar 445,30



Grafik koefisien B Dengan Arah aliran Pararel dan Regime Aliran Hot Water Turbulent serta Cold WaterLaminer : Dari Grafik ini dapat kita lihat bahwa



koefisiensi yang terjadi sebesar 696,54 Grafik koefisien C Dengan Arah aliran paralel dan Regime Aliran Hot Water Laminer serta Cold Water Turbulent: Dari grafik ini dapat kita lihat bahwa



koefisiensi yang terjadi sebesar 603,07 Grafik koefisien D Dengan Arah aliran paralel dan Regime Aliran Hot Water Turbulent serta Cold Water Turbulent : Dari Grafik ini dapat kita lihat bahwa koefisiensi yang terjadi sebesar 920,26



Grafik koefisien E Dengan Arah aliran Counter dan Regime Aliran Hot Water Laminer serta Cold Water Laminer : Dari grafik ini dapat kita lihat bahwa koefisiensi yang terjadi sebesar 607,11



Grafik koefisien F Dengan Arah aliran counter dan Regime Aliran Hot WaterTurbulent serta Cold WaterLaminer : Dari Grafik ini dapat kita lihat



bahwa koefisiensi yang terjadi sebesar 682,68 Grafik koefisien G Dengan Arah aliran counter dan Regime Aliran Hot Water Laminer serta Cold Water Turbulent : Dari Grafik ini dapat kita lihat bahwa



koefisiensi yang terjadi sebesar 335,66 Grafik koefisien H Dengan Arah aliran counter dan Regime Aliran Hot Water Turbulent serta Cold Water Turbulent : Dari grafik ini dapat kita lihat bahwa koefisiensi yang terjadi sebesar 1048,09 Pada grafik Counter Flow nilai koefisien perpindahan panas yang dihasilkan

paling tinggi nilainya adalah pada saat kondisi H, dimana pada kondisi tersebut kondisi alirannya adalah Hot Water turbulen dan Cold Water Turbulent, sama seperti pada kondisi D dimana pada saat kedua jenis alirn air berbeda suhu ini sama – sama memiliki kondisi turbulent maka perpindahan panas yang terjadi juga semakin besar nilainya, yang nantinya akan mempengaruhi nilai q. LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH Perbedaan antara Counter Flow dan Parallel Flow dalam mempengaruhi koefisien perpindahan panas ini adalah pada perbedaan suhu yang terjadi, karena pada Counter Flow dan Parallel Flow perbedaan suhu yang terjadi cenderung berbeda. Pada Parallel Flow perpindahan panas terjadi mulai fluida masuk ke tabung terisolasi, sedangkan pada Counter Flow perpindahan panas terjadi saat air panas dan dingin bertemu dari arah yang berlawanan Selain itu, koefisien perpindahan panas juga dipengaruhi oleh arah aliran, dimana arah aliran turbulen ( baik Hot Water maupun Cold Water) akan menghasilkan nilai Qw dan qw yang tinggi yang nantinya akan membuat nilai q juga semakin meningkat, dan membuat nilai koefisien perpindahan panas juga meningkat. Penyimpangan terjadi pada grafik koefisien B dengan G dan grafik C dengan D. dimana nilai dari Counter Flow lebih kecil dari Parallel Flow. Hal ini disebabkan karena waktu pemanasan air tidak sesuai dengan waktu teoritisnya. Sehingga suhu yang di inginkan juga tidak tepat. Kedua, karena terdapat gelembung udara yang masuk pada pipa, sehingga menghalangi transfer panas pada pipa 3.5.3.2 Hubungan Efisiensi Perpindahan Panas Terhadap Regime Aliran Pada Variasi Arah Aliran

90.00

83.33 77.78

80.00 70.00

Parallel Flow

Efisiensi (%)

64.86 59.52 60.00 Flow B Parallel Parallel Flow C Parallel Flow D

Counter Flow F

50.00 40.00 30.00

Counter Flow G

Counter Flow

23.08

20.00 Flow H Counter

22.58 12.90

10.00 0.00

14.29

REGIME

Gambar 3.7 Hubungan Efisiensi Aliran Perpindahan Panas Terhadap Regime Aliran Pada Variasi Arah Aliran Efisiensi adalah ukuran tingkat penggunaan sumber daya dalam suatu proses. Semakin hemat/sedikit penggunaan sumber daya, maka prosesnya dikatakan semakin LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH efisien. Proses yang efisien ditandai dengan perbaikan proses sehingga menjadi lebih murah dan lebih cepat. Diagram diatas menunjukan hubungan antara efisiensi heat exchanger terhadap regime aliran pada variasi arah aliran. Dari diagram dapat kita lihat bahwa semakin kecil nilai kuantitas ideal panas yang ditukar dan semakin tinggi nilai kuantitas aktual panas yang ditukar maka semakin tinggi nilai efisiensinya. Hal ini berdasarkan rumusan dasar teori yang mengatakan bahwa η=

kuantitas aktual panas yang ditukar kuantitasideal panas yang ditukar

atau η= Semakin tinggi suhu

W C p (T 1−T 2 ) W C p (T 1−t 1)

( T 1−T 2 ) maka semakin tinggi nilai kuantitas aktual panas

yang ditukar dan semakin kecil suhu

(T 1 −t 1 )

dan semakin kecil nilai kuantitas

ideal panas yang ditukar akan membuat efisiensinya semakin tinggi. Seperti yang ditunjukkan pada diagram laminer – turbulenyang memiliki nilai paling tinggi, dia memiliki nilai

(T 1−T 2 ) (T 1−t 1)

yang paling besar. Selain itu tedapat juga faktor kalor

alir, pada aliran air panas laminer-air dingin turbulen maka akan membuat kalor alirnya semakin tinggi, dimana semakin tinggi kalor yang diserap oleh air dingin maka semakin tinggi pula efisiensinya. Pada diagram ini terdapat beberapa warna diagram yang menggambarkan tipe – tipe aliran dan variasinya. Pada bahasan yang pertama ini, berdasarkan hasil praktikum didapatkan data sebagai berikut : 

Grafik Efisiensi A Dengan Arah aliran Pararel dan Regime Aliran Hot Water Laminer serta Cold Water Laminer : dari grafik ini dapat kita lihat bahwa efisiensi yang terjadi sebesar 59,52 persen



Grafik Efisiensi B Dengan Arah aliran Pararel dan Regime Aliran Hot Water Turbulen serta Cold Water Laminer : dari Grafik ini dapat kita lihat bahwa efisiensi yang terjadi sebesar 14,29 persen



Grafik Efisiensi C Dengan Arah aliran Pararel dan Regime Aliran Hot Water Laminer serta Cold Water Turbulent : dari Grafik ini dapat kita lihat bahwa efisiensi yang terjadi sebesar 64,86 persen

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH 

Grafik Efisiensi D Dengan Arah aliran Pararel dan Regime Aliran Hot Water Turbulent serta Cold Water Turbulent : dari Grafik ini dapat kita lihat bahwa efisiensi yang terjadi sebesar 23,08 persen



Grafik Efisiensi E Dengan Arah aliran Counter dan Regime Aliran Hot Water Laminer serta Cold Water Laminer : Dari grafik ini dapat kita lihat bahwa efisiensi yang terjadi sebesar 77,78 persen



Grafik Efisiensi F Dengan Arah aliran Counter dan Regime Aliran Hot WaterTurbulen serta Cold WaterLaminer : dari Grafik ini dapat kita lihat bahwa efisiensi yang terjadi sebesar 12,90 persen



Grafik Efisiensi G Dengan Arah aliran Counter dan Regime Aliran Hot Water Laminer serta Cold Water Turbulent: dari Grafik ini dapat kita lihat bahwa efisiensi yang terjadi sebesar 83,33 persen



Grafik Efisiensi H Dengan Arah aliran Counter dan Regime Aliran Hot Water Turbulent serta Cold Water Turbulent : dari Grafik ini dapat kita lihat bahwa efisiensi yang terjadi sebesar 22,58 persen

Ada beberapa faktor yang menentukan besaran nilai efisiensi pada aliran Parallel Flow dan Counter Flow. Hal ini antara lain dipengaruhi oleh arah aliran dan Regime aliran dari Hot Water serta Cold Water.Dari data dan grafik yang telah diambil didapatkan nilai efisiensi dari Jenis Counter Flow yang paling besar saat aliran Cold Water bersifat turbulen dan Hot Water bersifat Laminer (didapatkan hasil 83,33 %) jika dibandingkan dengan semua jenis aliran. Kemudian diikuti oleh Counter Flow E dan terbesar ketiga adalah Parallel Flow C. Hal ini disebabkan oleh karena Cold Water memiliki peran yang sangat penting dalam menyerap kalor dari Hot Water , sehingga jika Cold Water diberi aliran turbulen terhadap Hot Water Laminer maka akan terjadi perpindahan kalor yang sangat besar , hal ini diakibatkan karena pada saat Cold Water Turbulen akan terjadi perpindahan energi dan pendistribusian kalor di Cold Water secara cepat dan terdistribusi ke segala arah sehingga akan terjadi perpindahan kalor yang terus menerus dan cepat ( efek yang sama saat kita mengaduk teh panas akan lebih cepat dingin jika dibandingkan dengan dengan teh yang tidak diaduk). Hal ini berbeda dengan Hot Water Laminer dengan Cold WaterLaminer , memang kondisi ini memiliki efisiensi yang lumayan tinggi yaitu 59,52%. Namun, dikarenakan Cold Water alirannya Laminer sehingga kalor yang diserap pada Cold LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH Water tidak terdistribusi dengan baik di Cold Water tersebut sehingga pelepasan kalor tidak berjalan dengan baik , yang ditunjukkan dengan nilai efisiensi yang tidak lebih tinggi dari Hot Water Laminer dan Cold Water Turbulen. Disisi Lain , Hot Water Turbulent dan Cold Water Turbulent sangat tidak efektif dalam pertukaran kalor, hal ini diakibatkan karena Cold Water yang memiliki peranan penting dalam penyerapan kalor tidak dapat menyerap dengan baik ( karena alirannya laminer) diperparah lagi dengan kondisi Hot Water yang turbulent sehingga kalor dari Hot Water tidak dapat diserap dengan baik oleh Cold Water Turbulent. Penyimpangan terjadi pada grafik efisiensi B dengan G dan grafik efisiensi D dengan I. Dimana nilai dari Counter Flow lebih kecil dari Parallel Flow. Hal ini disebabkan karena waktu pemanasan air tidak sesuai dengan waktu teoritisnya. Sehingga suhu yang di inginkan juga tidak tepat. Kedua, karena terdapat gelembung udara yang masuk pada pipa, sehingga menghalangi transfer panas pada pipa tersebut.

3.6 Kesimpulan dan Saran LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH 3.6.1. Kesimpulan 1.

Dalam efisiensi heat exchanger, nilai efisiensi semakin besar jika regime aliran yang digunakan adalah air dingin aliran turbulen dan air panas aliran laminer dan arah aliran yang digunakan adalah Counter Flow.

2.

Nilai perpindahan panas akan semkain besar jika kedua jenis regime aliran dari air panas maupun air dingin adalah turbulen karena hal ini akan mengakibatkan kenaikan nilai q.

3.6.2. Saran 1. Sebaiknya peralatan di laboratorium dapat diperbarui atau lebih dirwat supaya tidak terjadi penyimpangan saat melakukan pengambilan data. 2. Asisten agar dapat merespon janjian dengan praktikan lebih cepat agar koordinasi untuk asisten lain nya dapat lebih pasti. 3. Praktikan sebaiknya dating tepat waktu agar asisten dapat berjalan lebih baik.

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN 2015/2016 KELOMPOK 01