makalah kelompok pemicu 4: perpindahan kalor 2013
TRANSCRIPT
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
1/26
MAKALAH PERPINDAHAN KALOR
PEMICU IV: PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI PAKSA DAN ALATPENUKAR KALOR
Kelompok 2
Adilfi Finasthi Kusuma Putri (1106018594)
Ikhsan Nur Rosid (1106007691)
Nuri Liswanti Pertiwi (1106015421)
Rizqi Pandu Sudarmawan (0906557045)
Wahyudi Maha Putra (1106005742)
Departemen Teknik Kimia
Fakultas Teknik Universitas Indonesia
Depok 2013
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
2/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 2
Peta Konsep
Konveksi Paksa
Konsep Dasar
Definisi
Mekanisme
Temperatur Bulk
Aplikasi: Alat
Penukar Kalor
Cara Kerja
Komponen
Fenomena pada
Alat Penukar Kalor
Pressure Drop
Fouling
Parameter Kinerja
Faktor Pengotor
LTMD
Efektifitas NTU
Jenis Alat Penukar
Kalor
Shell and Tube
Arus Silang
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
3/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 3
Daftar Pustaka
Peta Konsep ................................................................................................. 2
Daftar Isi...................................................................................................... 3
Pendahuluan
Latar Belakang ................................................................................... 4 Perumusan Masalah ........................................................................... 4 Tujuan Penulisan ............................................................................... 4
Jawaban Pertanyaan
1. Tugas I Soal 1 ........................................................................................ 5 Soal 2 ........................................................................................ 6 Soal 3 ........................................................................................ 9
2. Tugas II Soal 1 ........................................................................................ 12 Soal 2 ........................................................................................ 12 Soal 3 ........................................................................................ 13 Soal 4 ........................................................................................ 15
3. Soal Perhitungan Soal 1 ........................................................................................ 17 Soal 2 ........................................................................................ 21
Kesimpulan ................................................................................................. 25
Daftar Pustaka ............................................................................................. 26
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
4/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 4
Pendahuluan
I. Latar BelakangProses produksi dalam suatu pabrik tidak dapat lepas dari proses perpindahan
panas yang terjadi antara dua fluida yang memiliki perbedaan temperatur. Alat
yang digunakan adalah penukar panas (heat exchanger). Penukar panas adalah
peralatan proses yang digunakan untuk memindahkan panas dari dua fluida
yang berbeda dimana perpindahan panasnya dapat terjadi secara langsung
(kedua fluida mengalami pengontakan) ataupun secara tidak langsung
(dibatasi oleh suatu dinding pemisah atau sekat). Fluida yang mengalami
pertukaran panas dapat berupa fasa cair-cair, cair-gas, dan gas-gas.
II. Perumusan Masalah1. Apakah yang dimaksud dengan alat penukar kalor?2. Bagaimanakah prinsip kerja alat penukar kalor?3. Apa saja komponen penyusun alat penukar kalor?4. Apa saja jenis-jenis alat penukar kalor?5. Fenomena-fenomena apa saja yang dapat terjadi pada alat penukar kalor?6. Parameter apa sajakah yang diperlukan untuk mengetahui kinerja suatu
alat penukar kalor?
III. Tujuan Penulisan1. Mengetahui definisi alat penukar kalor.2. Mengetahui prinsip kerja alat penukar kalor.3. Mengetahui jenis-jenis alat penukar kalor.4. Mengetahui fenomena-fenomena yang terjadi pada alat penukar kalor.5. Mengetahui parameter kinerja dari alat penukar kalor.
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
5/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 5
Jawaban Pertanyaan
Tugas I:
1. Apa yang anda ketahui tentang alat penukar kalor dan bagaimana prinsipkerjanya?
Jawab:
Alat penukar kalor adalah alat yang difungsikan untuk melakukan perpindahan
sejumlah kalor atau panas dari suatu fluida ke fluida yang lainnya. Tujuan
perpindahan panas ini di dalam proses produksi adalah untuk memanaskan
ataupun mendinginkan suatu fluida hingga mencapai temperatur tertentu yang
diinginkan ataupun juga bertujuan untuk mengubah keadaan (fase) fluida darisatu fase ke fase yang lainnya. Biasanya, medium pemanas dipakai uap lewat
panas (super heated steam) 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 begitu saja. Pada alat penukar kalor ini perpindahan panas
dapat terjadi secara konduksi, konveksi ataupun radiasi tergantung dari tipe dan
konstruksi alat tersebut.
Prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari dua fluidapada temperatur berbeda di mana transfer panas dapat dilakukan secara langsung
ataupun tidak langsung.
a. Secara kontak langsungPanas yang dipindahkan antara fluida panas dan dingin melalui permukaan
kontak langsung berarti tidak ada dinding antara kedua fluida. Transfer panas
yang terjadi yaitu melalui interfase atau penghubung antara kedua fluida. Sebagai
contoh aliran steam pada kontak langsung yaitu dua zat cair yang immiscible
(tidak dapat bercampur), gas-liquid, dan partikel padat-kombinasi fluida.
b. Secara kontak tak langsungPerpindahan panas terjadi antar fluida melalui dinding pemisah. Dalam sistem
ini, kedua fluida akan mengalir. Kalor mengalir dari fluida yang bertemperatur
tinggi ke fluida yang bertemperatur rendah.
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
6/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 6
2. Jelaskan jenis alat penukar kalor berdasarkan kompleksitas alat!Jawab:
a. Double Pipe Heat ExchangerDouble Pipe Heat Exchanger adalah salah satu tipe APK yang memiliki
konfigurasi paling sederhana. Alat ini terdiri dari dua concentric circular tubes
dengan suatu fluida mengalir di bagian dalam tube dan fluida yang lain mengalir
di dalam annular space di antara tubes. Umumnya digunakan dalam proses
pendinginan fluida di mana dibutuhkan luas perpindahan panas yang kecil. Alat
ini dapat didesain dengan berbagai pengaturan aliran (parallel flow & counter
flow), dan dapat pula disusun seri atau paralel dengan APK lain dalam suatu
sistem.
Gambar 1. Double Pipe Heat Exchanger
(Sumber:http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-
exchanger-design/#imgn_0)
http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0 -
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
7/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 7
Gambar 2. Double Pipe Heat Exchanger Counter Flow
(Sumber:http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-
exchanger-design/#imgn_1)
Gambar 3. Double Pipe Heat Exchanger Parallel Flow
(Sumber:http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-
exchanger-design/#imgn_2)
b. Shell and Tube Heat ExchangerAPK jenis ini sangat banyak digunakan sebagai power condensers, oil coolers,
preheaters, dansteam generators. Alat ini terdiri dari banyak tubes yang disusun
sejajar satu sama lain dalam suatu cylindrical shell. Aliran dapat diatur secara
parallel flow, counter flow, atau cross flowdan dapat juga merupakan kombinasi
dari aliran-aliran tersebut. Desainshell and tube heat exchangermemiliki standar
yang ditetapkan oleh TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association).
Tabel 1. Advantages and Disadvantages of Shell & Tube Heat Exchangers
http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0http://www.brighthubengineering.com/hvac/64548-double-pipe-heat-exchanger-design/#imgn_0 -
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
8/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 8
(Sumber:http://www.hcheattransfer.com/selection.html)
Gambar 4. Shell & Tube Heat Exchanger
(Sumber:http://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-
and-tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistance)
c. Compact Heat ExchangerAPK jenis ini sangat bergantung pada penggunaan extended surface untuk
meningkatkan overall surface area dengan tetap mempertahankan ukuran
minimum alat. Umumnya digunakan sebagai oil coolers, automotive radiators,intercoolers, cryogenics, dan electronics cooling applications. Yang termasuk
dalam golongan APK tipe ini adalah:
Plate & frame heat exchanger (gasketed, semi-wielded,wielded)
Spiral heat exchanger
http://www.hcheattransfer.com/selection.htmlhttp://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-and-tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistancehttp://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-and-tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistancehttp://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-and-tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistancehttp://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-and-tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistancehttp://www.hcheattransfer.com/selection.html -
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
9/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 9
Blazed plate & frame heat exchanger Plate-fin heat exchanger Printed circuits heat exchanger
Tabel 2. Advantages and Disadvantages of Compact Heat Exchangers
(Sumber:http://www.hcheattransfer.com/selection.html)
3. Bagaimana fenomena foulingdan pressure dropdapat menurunkan kinerja darialat penukar kalor?
Jawab:
a. Faktor Pengotor (Fouling Factor)Fouling dapat didefinisikan sebagai akumulasi endapan yang tidak diinginkan
pada permukaan perpindahan panas alat penukar kalor. Pengotoran ini dapat
terjadi endapan dari fluida yang mengalir, juga disebabkan oleh korosi pada
komponen dari alat penukar kalor akibat pengaruh dari jenis fluida yang
dialirinya. Selama heat exchanger ini dioperasikan pengaruh pengotoran pasti
akan terjadi. Terjadinya pengotoran tersebut dapat menganggu atau
mempengaruhi temperatur fluida yang mengalir, temperature dinding tube serta
kecepatan aliran fluida. Selain itu, juga dapat menurunkan ataau mempengaruhikoefisien perpindahan panas menyeluruh dari fluida tersebut. Oleh sebab itu,
perancang heat exchanger akan memasukkan nilai koefisien fouling pada saat
penentuan koefisien keseluruhan (overall coefficient heat transfer) untuk
memastikan bahwa heat exchanger tersebut nantinya ketika dioperasikan tidak
http://www.hcheattransfer.com/selection.htmlhttp://www.hcheattransfer.com/selection.html -
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
10/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 10
mengalami masalah dalam jangka waktu yang cepat. Faktor pengotoran (fouling
factor,Rf) dapat dicari dengan menggunakan persamaan berikut.
(1)
dimana U pipa yang sudah tua tersebut dapat dihitung dengan menggunakan
rumus sebagai berikut :
(2)
Jika nilaifouling factordi atas sudah memiliki nilai sedemikian besar, maka alat
penukar kalor tersebut tersebut dapat disimpulkan sudah tidah baik kinerjanya.
Nilai faktor pengotoran untuk berbagai fluida ditunjukkan pada Tabel 1 berikut.
Tabel 3. Faktor Pengotoran Untuk Beberapa Fluida
(Sumber: Holman, J.P. 2009. Heat Transfer 10th
Edition. New York: McGraw-
Hill, hal 527)
b. Penurunan Tekanan (Pressur e Dr op)Perhitungan Pressure Drop pada aliran dalam pipa alat penukar kalor sangat
penting karena mempengaruhi desain heat exchanger secara keseluruhan.
Kekasaran pipa, panjang pipa, diameter pipa, jenis fluida yang mengalir,kecepatan dan bentuk aliran fluida yang terjadi sangat berhubungan dengan
penurunan tekanan pada sistem alat penukar kalor.
Aliran fluida didalam pipa pada kenyataannya mengalami penurunan tekanan
seiring dengan panjang pipa yang dilalui fluida tersebut. Menurut teori dalam
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
11/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 11
mekanika fluida, hal ini disebabkan karena fluida yang mengalir memiliki
viskositas. Viskositas ini menyebabkan timbulnya gaya geser yang sifatnya
menghambat. Untuk melawan gaya geser tersebut diperlukan energi sehingga
mengakibatkan adanya energi yang hilang pada aliran fluida. Energi yang hilang
ini mengakibatkan penurunan tekanan aliran fluida atau disebut juga kerugian
tekanan (head loses). Akibatnya, pada sistem heat exchanger membutuhkan
energi tambahan untuk meningkatkan energi pompa untuk mengalirkan fluida.
Presure drop pada shell heat exchanger dapat dihitung dengan persamaan berikut.
(3)dimana:
Nb= jumlah baffle
Gs = laju aliran massa per satuan
luas
fs = friction factor
De= diameter ekivalen
s= rasio viskositas
= massa jenis fluida dalam
shell
Ds= Diameter dalam shell
Pressure drop dalam tube heat exchanger dapat dihitung dengan menggunakan
persaman Nikuradse.
(4)Dimana,
L = panjang tube
Np= jumlah laluan tube/pass
f = fanning friction factor
di = diameter dalam tube
= massa jenis fluida dalam tube
v = kecepatan alir fluida dalam
tube
Pada saat fluida dalam tube berubah arah ketika melakukan pass (bila pass rubeN1>1) maka akan terjadi pressure drop tambahan yang disebabkan oleh kontraksi
dan ekspansi pipa.
(5)
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
12/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 12
Dimana:
V = velocity of fluid
Sg = spesific gravity
G = konstanta gravitasi
Maka pressure drop total (PT) sisi tube:
(6)Pressure Dropbertambah seiring dengan meningkatnyafouling factorpada heat
exchanger. Pressure Drop yang terlalu tinggi dapat menyebabkan kavitasi dan
getaran pada pipa sehingga menghambat kerja sistem alat penukar kalor.
TUGAS II:
1. Pada perpindahan kalor konveksi paksa didefinisikan suatu temperatur yangdisebut Temperature Bulk.Beikan penjelasan tentang Temperature Bulk?
Jawab:
Suhu limbak / ruah (Temperature Bulk), , merupakan suhu fluida yang dirata-ratakan energinya di seluruh penampang tabung dan menunjukkan energi rata-rata
dan dapat dihitung dengan :
p
r
pr
bucdrr
TucdrrTT
..2
..2
0
0
0
0
(7)
x
TruTT cb
2
00
96
7
(8)
Perbedaan suhu limbak / ruah digunakan untuk menentukan energi total yang
ditambahkan dalam suatu aliran tabung. Sedangkan suhu limbak / ruah itu sendiri
digunakan untuk menentukan perpindahan kalor total dan koefisien perpindahan
kalor (kalor yang ditambahkan).
2. Jabarkan neraca energi yang terjadi pada alat penukar kalor!Jawab:
Dalam neraca entalpi pendingin dan pemanas didasarkan pada asumsi bahwa
dalam penukar kalor tidak terjadi kerja poros, sedang energi mekanik, energi
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
13/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 13
potensial, dan energi kinetik semuanya kecil dibandingkan dengan suku-suku lain
dalam persamaan neraca energi. Maka, untuk satu arus dalam penukar kalor
Q = m (Hb-Ha) (9)
Dimana,
m = laju aliran massa dalam arus tersebut
t
Qq
= laju perpindahan kalor ke dalam arus
Hadan Hb = entalpi per satuan massa arus pada waktu masuk dan pada
waktu keluar.
Penggunaan laju perpindahan kalor dapat lebih disederhanakan dengan asumsi
salah satu dari fluida dapat mengambil kalor dan melepaskan kalor ke udara
sekitar jika fluida itu lebih dingin dari udara. Perpindahan kalor dari atau ke udarasekitar dibuat sekecil mungkin dengan isolasi yang baik sehingga kehilangan kalor
tersebut diabaikan terhadap perpindahan kalor yang melalui dinding tabung yang
memisahkan udara panas dan udara dingin. Dengan asumsi tersebut, perpindahan
kalor pada fluida panas adalah:
mh(HhbHha) = qh (10)
sedangkan untuk fluida dingin adalah :
mc(HcbHca) = qc (11)
Tanda qc positif sedangkan tanda qhnegatif karena fluida panas menerima kalorsedangkan fluida dingin melepas kalor. Dengan asumsi tidak ada kalor yang
terbuang ke lingkungan, maka
qc= -qh (12)
Maka persamaan neraca entalpi keseluruhan adalah
mhCph(ThbTha) = mcCpb.(TcbTca) = qc (13)
3. Bagaimana mekanisme dan hubungan empiris untuk perpindahan kalor konveksipaksa pada aliran sejajar dengan benda?
Jawab:
Suhu limbak atau bulk temperature menunjukkan energi rata-rata atau kondisi
seperti pada Gambar ? dibawah ini
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
14/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 14
Gambar 5. Perpindahan Kalor Menyeluruh Dinyatakan dengan Beda Suhu
Ruah
(Holman, J.P, dan E. Jasjfi. 1991.Perpindahan Kalor. Erlangga: Jakarta)
dimana perpindahan kalor menyeluruh dinyatakan dengan beda suhu limbak,
sesuai dengan rumus berikut ini :
(14)
Energi total yang ditambahkan dapat dinyatakan dengan beda suhu limbak, dengan
syarat Cp sepanjang aliran tersebut tetap. Kalor dq yang ditambahkan dalam
panjang diferensial dx dapat dinyatakan dengan beda suhu limbak atau dengan
koefisien perpindahan kalor yaitu :
(15)dimana Tw dan Tb masing-masing adalah suhu dinding dan suhu limbak pada
posisi x tertentu. Perpindahan kalor total dapat pula diyatakan sebagai:
(16)
Untuk aliran turbulen yang sudah jadi atau berkembang penuh (fully
developed turbulent flow) dalam tabung licin, disarankan menggunakan persamaan
berikut :
(17)
Untuk persamaan ini, sifat-sifat ditentukan pada suhu fluida limbak dan nilai
eksponen n adalah sebagai berikut :
n = 0,4 (untuk pemanasan)
n = 0,3 (untuk pendinginan)
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
15/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 15
Persamaan diatas berlaku untuk fluida dengan angka Prandtl antara 0,6 hingga
100. Bentuk paling sederhananya adalah fungsi eksponen dari masing-masing
parameter, sehingga didapat :
(18)
dimana C, m, dan n ialah konstanta yang harus ditentukan dari data percobaan.
4. Apa yang anda ketahui tentang faktor kekotoran keseluruhan (overall dirty factor= fouling factor)? Bagaimana menentukan suhu rata-rata log atau log mean
temperature difference (LMTD) pada alat penukar kalor?
Jawab:
a. Fouling FactorFouling factor adalah besaran yang menyatakan seberapa besar kekotoran suatu
alat penukar kalor. Kekotoran yang dimaksud adalah deposit pada dinding alatpenukar kalor yang diakibatkan oleh adanya pengotor dari fluida yang mengalir
dalam alat penukar kalor atau hasil korosi dari interaksi fluida dan dinding alat
penukar kalor. Deposit ini akan menyebabkan tambahan hambatan termal pada
alat penukar kalor, sehingga dapat mempengaruhi performa alat penukar kalor.
Pengaruh dari pengotor tersebut dinyatakan dalam besaran fouling factor.Fouling
factor dapat dihitung dengan persamaan dalam buku Perpindahan Kalor edisi 6
karangan J.P. Holman:
(19)Nilai faktor pengotor untuk berbagai fluida dapat dilihat lebih lengkap di Daftar10-2 pada buku Perpindahan Kalor Edisi 6 karangan J.P. Holman di halaman 486.
Nilai faktor pengotor ini kemudian dimasukkan ke dalam persamaan untuk
menghitung koefisien perpindahan kalor menyeluruh bersama tahanan termal lain
dalam sistem.
b. Log Mean Temperature Difference(LTMD)Untuk menganalisis suatu alat penukar kalor, digunakan persamaan:
(20)dimana q adalah laju perpindahan kalor, U adalah koefisien perpindahan kalor
menyeluruh dan T adalah perbedaan suhu dalam alat penukar kalor. Untuk
menyelesaikan persamaan tersebut, maka salah satu besaran yang dibutuhkan
adalah perbedaan suhu dalam alat penukar kalor.
Profil suhu pada alat penukar kalor aliran parallel dapat digambarkan menjadi:
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
16/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 16
Gambar 6. Profil suhu pada alat penukar kalor aliran paralel
(sumber: Cengel, Y.A. 2009.Heat Transfer: A Practical Approach, Second
Edition.McGraw-Hill, halaman 681)
Dengan mengasumsikan bahwa pertukaran kalor yang terjadi hanyalah antar fluida
dalam alat penukar kalor dan mengabaikan energi kinetik serta potensial, maka
neraca energi dalam alat penukar kalor dapatdituliskan menjadi:
(21)
(22)dimana merupakan laju perpindahan kalor, merupakan laju massa, cmerupakan kalor jenis dan dT adalah perbedaan suhu. Transkrip c dan h
menyatakan fluida dingin dan panas. Pada fluida panas, neraca energinya bertanda
negatif karena fluida melepaskan panas. Persamaan di atas dapat diselesaikan
untuk dT sehingga didapatkan:
(23) (24)Selisih dari persamaan di atas adalah:
(25)Laju perpindahan kalor juga dapat dituliskan dengan persamaan:
(26)
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
17/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 17
Dengan mensubstitusi persamaan (26) ke persamaan (25) dan menyusunnya
kembali, maka akan didapatkan:
(27)Persamaan (27) kemudian diintegrasikan dari keadaan inlet hingga keadaan outletsehingga didapatkan:
(28)Persamaan (28) kemudian kita substitusikan ke persamaan (21), dan setelah
penyusunan ulang, maka akan didapatkan perbedaan suhu dalam alat penukar
kalor yang juga disebut log mean temperature difference(LTMD):
(29)T1menyatakan perbedaan suhu pada inlet dan T2menyatakan perbedaan suhu
pada bagian outlet alat penukar kalor. Persamaan ini dapat digunakan untuk aliran
paralel maupun berlawanan.
SOAL PERHITUNGAN
1. Helium mengalir dengan kecepatan 5 gr/dtk dalam pipa sebuah alat penukarkalor pipa ganda dengan aliran berlawanan arah. Helium masuk pada suhu 300 K
dan keluar pada suhu 84 K, diameter dalam pipa 2 cm. Gas nitrogen mengalir
dalam annulus berlawanan dengan He pada kecepatan 35 gr/dtk. Keadaan
annulus dapat diekivalenkan dengan pipa yang diameternya 8 cm. Suhu N278 K.
Sifat-sifat fisis He dan N2sbb:
He: Cp=1,25 kal/groC; =0,018 cp; k=0,082 btu/jam.ft.
oF
N2: Cp=0,25 kal/groC; =0,0165 cp; k=0,014 btu/jam.ft.
oF
Hitunglah:
a. Perpindahan kalor antara He dan N2b. Suhu nitrogen keluar dari alat penukar kalorc. LMTDd. hN2e. Panjang pipa jika U1=400 btu/jam.oF.ft2
Jawab:
Diketahui:
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
18/26
He = 5 gr/s
N2= 35 gr/sTinHe = 300 K
TinN2= 78 K
ToutHe = 84 K
DN2= 8 cm = 0,08 m
DHe= 2 cm = 0,02 m
CpHe = 1,25 kal/groC = 5,23x10
3
J/kg.K
CpN2 = 0,25 kal/groC = 1,05x10
3
J/kg.K
Ditanyakan:
a) qb) ToutN2c) LMTD
d) hN2e) panjang pipa jika U1=400
btu/jam.oF.ft
2
Penyelesaian:
Asumsi:
c. Tidak ada faktor pengotor dalam alat penukar kalord. Tidak ada perpindahan kalor lain yang terjadi selain perpindahan kalor secara
konveksi antara helium dan nitrogen
Skema sistem:
a) Menghitung perpindahan kalor antara helium dan nitrogenPerpindahan kalor antara helium dan nitrogen dapat dihitung dari kalor yang
dilepas oleh helium dengan persamaan:
Tanda negatif menandakan bahwa helium melepas kalor.
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
19/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 19
b) Suhu nitrogen keluar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan yangdigunakan di bagian (a), dengan mengasumsikan bahwa kalor yang
dikeluarkan oleh helium sama dengan kalor yang diterima oleh nitrogen
c) Nilai LMTD dihitung dengan menggunakan persamaan (29):
[ ]
(tak berdimensi)
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
20/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 20
d) Nilai hN2dapat dihitung dengan persamaan:
e) Untuk menghitung panjang dengan jika U1=400 btu/jam.oF.ft2 atau 2271,28
J/s.m2.0K, maka digunakan persamaan:
(10)dimana F adalah faktor koreksi. Faktor koreksi didapatkan dari Figure 10-9 pada
buku Heat Transfer 10th
Edition karangan J.P. Holman halaman 534. Untuk
mendapatkan faktor koreksi, maka dibutuhkan parameter P dan R yang didapatkan
dengan persamaan:
.(11)
(12)
Dengan nilai R = 0,71 dan P = 0,97, didapatkan nilai F = 0,75. Nilai F kemudian
dimasukkan ke dalam persamaan (10) untuk mendapatkan nilai A:
Nilai A kemudian digunakan untuk menghitung panjang pipa:
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
21/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 21
2. Sebanyak 96000 lb zat cair A akan didinginkan dari suhu 400 oF menjadi 200oF.
Sebagai pendingin digunakan zat cair B yang akan naik suhunya dari 100oF
menjadi 200oF. Alat yang tersedia untuk tersedia untuk keperluan ini adalah
sebuah alat pertukaran kalor shell and tube dengan ID shell = 29 in, jumlah
tube/pipa dalam shell= 338 buah. Diameter pipa OP = 1 in (BWG 14), panajng
16 ft. letak pipa triangular pitch PT = 1,25 in, jarank antara 2 penghalang/baffle
10 in. Aliran pipa 4 pass dan aliran dalam shell 1 pass. Diketahui sifat-sifat fluida
(konstan terhadap suhu) sebagai berikut.
A: Cp = 0,4 BTU/lb.F; = 0,6 cp; k= 0,07 BTU/jam.ft.FB: Cp = 0,6 BTU/lb.F; = 0,8 cp; k= 0,08 BTU/jam.ft.F
Hitunglah:
a. Jumlah zat cair B yangbisa dipanaskanb. Koefisien perpindahan kalor dalam pipac. Koefisien perpindahan kalor dalam shelld. Koefisien perpindahan kalor menyeluruh jika dalam kedaan baru (bersih)e. Fouling factor (Rd)
Gambar 7. Heat Exchanger Shell and Tube
(Sumber: Cengel. 2010. Heat Transfer 2nd
Edition)
Jawab:
Diketahui:
Jenis heat exchanger = shelland tube (4 pass, 1 shell)
TA,in = 400oF = 204,4oC TA,out = 200oF = 93,33oC
TB,in = 100oF = 37,78oC TB,out = 200oF = 93,33oC Diameter shell (inner) = 29 in
= 0,7366 m
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
22/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 22
Diameter tube (outer) = 1 in = m
L tube = 16 ft = 4,877 m Jumlah tube = 338
Jarak baffle = 10 in = 0,254 m PT = 1,25 in = 96000 lb/jam
Asumsi
Aliran fluida adalah steady state Heat exchanger terinsulasi sehingga tidak ada kalor yang terbuang ke
lingkungan
Energy potensial dan energy kinetikk dari fluida diabaikan Aliran fluida adalah counter flow
Bagian 2a
Menentukan massa zat cair B yang dipanaskan
Gambar 8. Penampang Sederhana dari Heat Exchanger Shell and Tube
(Sumber: Cengel. 2010. Heat Transfer 2nd
Edition)
( ) ( ) ( ) ( )
Bagian 2b
Menentukan nilai Q
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
23/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 23
( )
Menentukan nilai P, R, dan F
Dari soal diketahui
TA,in = t1 = 400oF = 204,4oC TA,out = t2 = 200oF = 93,33oC
TB,in = 100oF = 37,78oC TB,out = 200oF = 93,33oC
Menentukan nilai F dari grafik berikut
Gambar 9. Grafik hubungan P, R, dan F(Sumber: Cengel. 2010. Heat Transfer 2
ndEdition)
Nilai F tidak ada yang memenuhi sehingga asumsikan nilai F = 1
Menentukan dan
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
24/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 24
Nilai tidak dapat ditentukan, oleh karena itu digunakanlah nilai , karenanilai tidak berbeda jauh (error sekitar 1%) dengan nilai apabilaperbedaan lebih dari 40%. *+ Menentukan A tube, A shell, dan A baffle
Bagian 2b (Menentukan nilai U
tube)
Bagian 2c (Menentukan U shell)
( )
Bagian 2d (Menentukan U
menyeluruh)
Bagian 2e (Menentukan nilai R)
Asumsikan nilai U kotor = 80% U
bersih =
* +
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
25/26
Makalah Konveksi Paksa-Kelompok 2 25
Kesimpulan
1. Alat penukar kalor adalah alat yang difungsikan untuk melakukanperpindahan sejumlah kalor atau panas dari suatu fluida ke fluida yang
lainnya. Tujuan perpindahan panas ini di dalam proses produksi adalah untuk
memanaskan ataupun mendinginkan suatu fluida hingga mencapai temperatur
tertentu yang diinginkan ataupun juga bertujuan untuk mengubah keadaan
(fase) fluida dari satu fase ke fase yang lainnya.
2. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida terdapatdinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung begitu
saja. Pada alat penukar kalor ini perpindahan panas dapat terjadi secara
konduksi, konveksi ataupun radiasi tergantung dari tipe dan konstruksi alat
tersebut.
3. Jenis-jenis alat penukar kalor antara lain double pipe heat exchanger, shelland tube heat exchanger, compact heat exchanger dan lain-lain. Masing-
masing jenis memiliki kompleksibilitas dan tujuan penggunaan yang berbeda.
4. Pressure drop dan fouling dapat terjadi pada pengoperasian alat penukarkalor.
5. Parameter untuk mengukur kinerja alat penukar kalor antara lain faktorpengotor, LTMD, dan efektifitas NTU.
-
7/22/2019 Makalah Kelompok Pemicu 4: Perpindahan Kalor 2013
26/26
Makalah Konveksi Paksa Kelompok 2 26
Daftar Pustaka
Cengel, Y. 2006.Heat Transfer 2
nd
Editon. USA: McGraw-Hill
Holman, J.P. 2009.Heat Transfer 10th
Edition. New York:McGraw-Hill
Anonim. 2013. Diakses dari
http://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-and-
tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistance
http://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-and-tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistancehttp://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-and-tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistancehttp://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-and-tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistancehttp://www.globalspec.com/reference/81443/203279/chapter-22-shell-and-tube-heat-exchangers-heat-transfer-fouling-resistance