Bab 2 FIX fdm

WATER TO WATER HEAT EXCHANGER BENCH

BAB 2WATER TO WATER HEAT EXCHANGER APPARATUS

2.1 Dasar Teori

2.1.1 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

konduksi adalah proses 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 dari medium,

ketebalan, dan bahan dari medium, serta beda suhu di geometri 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 2014/20151


Gambar 2.1 :Perpindahan panas konduksi melalui dindingSumber : Heat Transfer, 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 dua ketika ketebalan dinding L dua kali lipat. Dengan

demikian kita menyimpulkan bahwa laju konduksi panas melalui lapisan dinding

sebanding dengan perbedaan suhu di seluruh lapisan dan area perpindahan panas,

namun berbanding terbalik dengan ketebalan lapisan, sehingga dapat dirumuskan

dengan:

Atau ,

Dimana konstanta k adalah konduktivitas termal material, yang merupakan

ukuran kemampuan suatu material untuk menghantarkan panas. Jika Δx =0, persamaan

diatas tereduksi menjadi bentuk differensial.



Dengan:

= Laju perpindahan panas konduksi (Watt)

k = Konduktivitas termal (Watt/m0C)

A = Luas penampang pada sisi normal arah perpindahan panas (m2)

Δx = Tebal material (m)

T1-T2 = Beda temperatur pada penampang (0C)

(-) = Tanda negatif didalam rumus memastikan bahwa perpindahan panas dalam

arah x positif adalah jumlah yang positif

2.1.3 Konveksi

Konveksi adalah proses perpindahan energi dengan kerja gabungan dari suatu

permukaan yang suhunya di atas suhu fluida dan sekitarnya berlangsung dalam

beberapa tahap. Pertama energi panas akan mengalir dengan cara konduksi dari

permukaan ke 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 bersuhu rendah didalam

fluida di mana mereka akan bercampur 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 partikel-partikel 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, dan karena

terjadinya dalam arah gradien suhu, maka juga digolongkan dalam suatu cara

perpindahan panas dan ditunjuk dengan sebutan aliran panas dengan cara konveksi.

Pada penjelasan berikut, perpindahan panas yang disertai dengan perpindahan

partikelnya.Proses konveksi ini pada umumnya terjadi pada fluida (cair dan gas).



Gambar 2.2: Perpindahan panas secara konveksiSumber: Anonymous 14,2011

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, (0K)

T∞ = Temperatur fluida mengalir, (0K)

h = Koefisien perpindahan panas konveksi, (W/m2 0K)

Perpindahan panas konveksi diklasifikasikan dalam konveksi bebas (free

convection) dan konveksi paksa (forced convection) menurut cara menggerakkan

alirannya. Konveksi alami adalah perpindahan panas yang disebabkan oleh beda suhu

dan beda rapat saja dan tidak ada tenaga dari luar yang mendorongnya. Jadi Konveksi

alamiah dapat terjadi karena ada arus yang mengalir akibat gaya apung, sedangkan gaya

apung terjadi karena ada perbedaan densitas fluida tanpa pengaruh 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 atau 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

atau saluran. Perbedaan antara aliran eksternal dan aliran internal pada suatu pipa atau

saluran ditunjukkan pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Aliran eksternal udara dan aliran internal air pada suatu pipa Sumber: Heat Transfer, Cengel. 2003:21

2.1.4 Radiasi

Radiasi adalah energi yang dipancarkan oleh materi dalam bentuk gelombang

elektromagnetik sebagai akibat dari perubahan konfigurasi elektronik dari atom atau

molekul.

Gambar 2.4: Perpindahan panas secara radiasiSumber: Anonymous 15,2012

Tingkat maksimum radiasi yang dapat dipancarkan permukaan pada suhu Ts

mutlak diberikan oleh hukum Stefaan-Boltzmann yaitu :



Rumus diatas didapat dari karena stefaan-Boltzmann menemukan bahwa daya

total per satuan luas yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh suatu benda hitam

panas (intensitas total) adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya.

Sehingga dapat dirumuskan:

I total = σ . T4 ....................................................... (1)

I = Intensitas radiasi pada permukaan benda hitam pada semua frekuensi

T = Suhu mutlak benda (K)

σ = Tetapan Stefan-Boltzman, yang bernilai 5,67 × 10-8 Wm-2K-4.

Untuk 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, hanya diberi

tambahan koefisien emisivitas yang lebih kecil daripada 1 atau diantara 0 ≤ ε ≤ 1

sehingga:

I total = ε .σ.T4 ...................................................... (2)

Intensitas merupakan daya per satuan luas, maka persamaan (2) dapat ditulis

sebagai:

P/As = ε. σ. T4 ...................................................(3)

Atau

P = ε σ As Ts4

Dengan :

P = Daya radiasi (W)

As = Luas permukaan benda (m2)

ε = Koefisien emisivitas

Ts = Temperatur mutlak (K)

Jadi rumus akhirnya :

Q radiasi = ε σ As Ts

4

2.1.5 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 dapat

dirumuskan dengan :



Dimana :

k = Konduktivitas termal (W/m0C)

α = Diffusifitas termal (m3/s)

Cp = Kapasitas panas spesifik pada tekanan konstan (J/kg0C)

ρ = Massa jenis (kg/m3)

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.

Table 2.1 Konduktivitas Termal (K) Berbagai Zat

Sumber : Heat Transfer , J.P Homan

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 kinetik 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 maka semakin cepat molekul bergerak dan

semakin tinggi jumlah molekul tabrakan akan semakin baik perpindahan panasnya.

2.1.6 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. 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:

k = Konduktivitas termal (W/(m·K))

ρ = Densitas (kg/m³)

Cp = Panas jenis (J/(kg·K))

ΡCp =dapat disebut sebagai kapasitas panas volumetrik (J/(m³·K))

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.



2.1.7 Resistensi 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, sehingga dapat

dirumuskan dengan :

R =

Dimana :

R = Tahanan atau resistensi termal (m2K)/W)

L = Ketebalan bahan (m)

K = Konduktivitas termal (W/(m·K)

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.

2.1.8 Heat Exchanger

Heat exchanger adalah perangkat yang memfasilitasi pertukaran panas antara

dua cairan pada temperatur yang berbeda serta menjaga mereka dari campuran satu

sama lain. Misalnya dalam radiator mobil panas dipindahkan dari air panas yang

mengalir melalui tabung radiator ke udara mengalir melalui pelat tipis berjarak dekat

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 di lokasi yang bervariasi



sepanjang penukar panas . Jenis paling sederhana dari penukar panas terdiri dari dua

pipa konsentris yang berbeda diameter seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.5 yang

disebut double pipa panas exchanger.

Gambar 2.5 Aliran sistem heat exchanger double pipaSumber: Heat Transfer, 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 persatuan 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, 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 2.6 Perpindahan panas pada double pipaSumber: Heat Transfer, 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 :

Rwall = Resistansi dinding (m2K)/W)

k = Konduktivitas termal dari material dinding (W/(m·K)

L = Panjang tabung (m)

DO = Diameter luar (m )

Di = Diameter dalam (m )

Kemudian tahan panas keseluruhan menjadi :



Dimana :

R = Resistansi (m2K)/W)

Rtot = Resistansi total (m2K)/W)

Rwall = Resistansi dinding (m2K)/W)

Ro = Resistansi permukaan luar (m2K)/W)

Ai = Luas permukaan dalam dinding (m2)

Ao = Luas permukaan luar dinding (m2)

hi = Koefesien perpindahan panas konveksi dalam (W/m2 0K)

ho = Koefesien perpindahan panas konveksi luar(W/m2 0K)

Dengan kata lain, Ai dan A0 adalah luas permukaan dinding yang memisahkan

dan dibasahi oleh cairan dalam dan cairan luar, masing-masing.

2.1.9 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

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. Hubungan di atas untuk log berarti perbedaan suhu dikembangkan

menggunakan penukar panas aliran parallel, tetapi kita dapat menunjukkan dengan

mengulangi analisis atas untuk counter flow penukar panas yang juga berlaku untuk

counter flow penukar 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 parallel flow dan dengan demikian lebih kecil

luas permukaan yang dibutuhkan untuk mencapai laju perpindahan panas tertentu dalam

counter-flow .

Gambar 2.7 Aliran (a) Parallel flow, (b) Counter flow, dan grafik temperatur in, out.Sumber: Heat Transfer, Cengel. 2003:21

2.2 Tujuan Pengujian

1. Mempelajari formulasi dasar dari heat exchanger sederhana.

2. Mengetahui perhitungan keseimbangan panas pada heat exchanger.

3. Mengetahui pengukuran koefesien perpindahan panas berdasarkan kuantitas

aliran fluida.

4. Mengetahui efisiensi heat exchanger.



2.3 Spesifikasi Alat

Gambar 2.8 Heat exchanger benchSumber: Laboratorium Fenomena Dasar Mesin

Hot water source

Head tank with square weir

Flow rate meter (rotameter) : 200 liter/jam

Termometer pada inlet dan outlet : 0 – 1000c

Electrically immersion heater : 5 kW dan 3 Kw

Cold water source

Head tank with square weir

Flow rate meter (rotameter) : 500 liter/jam

Termometer pada inlet dan outlet : 0 – 1000c

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



2.4 Cara Pengambilan Data

Air panas mengalir melalui tabung dan air dingin melalui jacket. Eksperimen

aliran parallel dan counter flow dilakukan dengan merubah arah aliran air dingin

dengan memutar katub 3 arah (A) dan (B). Dengan mengatur debit aliran panas dan air

dingin aliran laminar dan turbulen dapat diatur. Table berikut menunjukkan kombinasi

eksperimen:

Tabel 2.2 Kombinasi Eksperimen

Hot water Cold water Hot water Cold water

Parallel

Flow

A LAMINAR LAMINAR counter

flow

E LAMINAR LAMINAR

B TURBULENT LAMINAR F TURBULENT LAMINAR

C LAMINAR TURBULENT G LAMINAR TURBULENT

D TURBULENT TURBULENT H TURBULENT TURBULENT

1. Set temperature

Atur temperatur air panas pada head tank dengan TEMP.SET pada

control unit. Tunggu hingga pembacaan thermometer air panas mencapai stabil.

2. Set aliran laminar atau tubulen

Dengan mengatur katup no (3) dan (19) aturlah debit air panas dan air

dingin sesuai dengan tabel berikut :

Tabel 2.3 Set aliran laminar atau tubulen

LAMINAR TURBULENT

FLOW RATE METER

(HOT WATER)

< 30 l/h >100 l/h

FLOW RATE METER

(COLD WATER)

< 50 l/h >500 l/h



3. Pengukuran

Ukurlah nilai T1, T2, t1, t2, W dan w serta tulis data dalam lembar

pengambilan data yang telah disediakan

4. Perhitungan

a) Hitung nilai ∆tm dengan persamaan (4) dan (5)

b) Hitung nilai (T1+T2)/2 kemudian tentukan nilai viskositas kinematik vh

pada table properti air.

c) Hitung nilai qw dan Qw dengan persamaan (1)

d) Hitung nilai (T1+T2)/2 kemudian tentukan nilai viskositas kinematik v1

pada tabel properti air.

e) Hitung nilai Rew dengan persamaan (8) dan Rew dengan persamaan (9)

f) Hitung nilai efisiensi dengan persamaan (7)

g) Hitung persamaan U dengan persamaan (6)



2.5 Hasil Pengujian

2.5.1 Data Hasil Pengujian

Tabel 2.4 Data 1

INLET OUTLET INLET OUTLETT1 (oC) T2(oC) W(kg/h) t1(oC) t2(oC) w (kg/h) (T1+T2)/2 (oC) Vh (m2/s) (t1+t2/2 (oC) Vi(m2/s)

A 65.6 45.1 20 26.2 32.8 100 55.35 0.000000427 29.5 0.00000074B 67.8 65.2 150 26.4 38.8 100 66.5 3.475E-07 32.6 6.6815E-07C 63.7 38.5 20 27.2 28.9 500 51.1 4.584E-07 28.05 8.1415E-07D 69 59.8 150 27.3 31.5 500 64.4 3.612E-07 29.4 0.000000783E 66 43 20 25.9 33.5 100 54.5 4.243E-07 29.7 5.6805E-07F 70 63.9 150 26 40.3 100 66.95 3.475E-07 33.15 6.753E-07G 63 38.1 20 26.6 28.2 500 50.55 4.615E-07 27.4 8.3445E-07H 70 59 150 26.6 30.7 500 64.5 3.933E-07 28.65 7.9685E-07

LOW TEMP. WATER (COLD WATER)HIGH TEMP. WATER (HOT WATER)MEASUREMENTS

FLOW R. WATER

LOW TEMP. WATER (COLD WATER)HIGH TEMP. WATER (HOT WATER)THERMOMETER THERMOMETER

COUNTE

R

KINEMATIC VISCOSITY OH WATERINSTRU. (EQUATION)

Symbols (Unit)

PARALLE

L

TABLE

FLOW R. METER

Tabel 2.5 Data 2

T1-t1 T2-t2

T1-t2 T2-t1

∆t1 (oC) ∆tm (oC) REw - Rew -A 39.4 12.3 23.27845608 410 974.2388759 660 1024.864865 52.03 535 430.55B 41.4 26.4 33.3394922 390 8978.417266 1240 1135.074459 6.28 815 457.95C 36.5 9.6 20.14152737 504 907.504363 850 4657.618375 69.04 677 629.68D 41.7 28.3 34.56821629 1380 8637.873754 2100 4842.911877 22.06 1740 942.96E 32.5 17.1 23.98150151 460 980.4383691 760 1335.093742 57.36 610 476.51F 29.7 37.9 33.63356537 915 8978.417266 1430 1123.056419 13.86 1172.5 653.07G 34.8 11.5 21.04273809 498 901.4084507 800 4544.310624 68.41 649 577.78H 39.3 32.4 35.7390559 1650 7932.875667 2050 4758.737529 25.35 1850 969.73

LOW TEMP. FLUID (COLD WATER)

q (kcal/h)

PARALLEL FLOW

COUNTER FLOW ∆tm (oC)

HIGH TEMP. FLUID (HOT WATER)

2 13

qw (kcal/h)REYNOLD'S NO PARALLEL FLOW

1 12

Qw (kcal/h)REYNOLD'S NO.

CALCULATION (Cp, cp ≈ 1 kcal / kg deg)COEFFICIENT OF EVERALL HEAT TRANS

6 9

COUNTER FLOW

U (kcal/m2.h.deg)

LOGARITHMIC-MEAN-TEMP. DIFFERENCE

8

PARALLEL

COUNTER

EFFICIENCY OF HEAT EXCHANGER

10 11

PARALLEL FLOW COUNTER FLOW𝜂h (%)

INSTRU. (EQUATION)

SYMBOLS (UNIT)



2.5.2 Contoh Perhitungan

a. Menghitung T1 + T2/ 2 (°C)

(69 + 59.8)/ 2 = 64.4

b. Menghitung nilai viskositas kinematik vh pada tabel properti air

c. Menghitung t1 + t2/ 2 (°C)

(65.6 + 63.9)/ 2 = 33.15

d. Menghitung nilai viskositas kinematik v1 pada tabel properti air

e. Menghitung ∆t1 (°C)

Parallel

∆t1= T1-t1 = 65.6- 26.2 = 39.4

Counter

∆t1= T1-t2 = 66- 33.5 = 32.5

f. Menghitung ∆t2 (°C)

Parallel

∆t1= T2-t2 = 45.1- 32.8 = 12.3

Counter

∆t1= T2-t1 = 43- 25.9 =17.1

g. Menghitung ∆tm (°C)

Parallel

∆tm =



=

= 23.278

Counter

∆tm =

=

=23.98

h. Menghitung QW (kcal/h)

W.Cp.(T1-T2)

=20.1.(65.6-45.1) = 410

i. Menghitung qw (kcal/h)

w.Cp.(t2-t1)

=100.1.(26.2-32.8) = 660

j. Menghitung REw

REw = 0.0000208.(W/vh)

= 0.0000208.(20/0.000000427)

= 974.2288

k. Menghitung Rew

Rew = 0.000007584.(w/v1)

= 0.000007584.(100/0.00000074)



= 1024.86

l. Menghitung ηh (%)

ηh =

=

= 0.5203

= 52.03%

m. Menghitung q (kcal/h)

q =

=

=535

n. Menghitung U (kcal/m2.h.deg)

U =

=

=430.55



2.5.3 Grafik dan Pembahasan

2.5.3.1 Grafik hubungan koefesien perpindahan panas terhadap regime aliran pada variasi arah aliran.

Gambar 2.9 Grafik koefisien perpindahan panas terhadap regime aliran



Grafik hubungan koefesien perpindahan panas terhadap regime aliran pada

variasi arah aliran. Perpindahan panas yang terjadi dikarenakan adanya perbedaan

temperatur antara aliran fluida panas dan fluida dingin. Maka untuk menentukan laju

perpindahan panas yang terjadi perlu ditentukan harga koefisien perpindahan panas

menyeluruh (U). Pada grafik tersebut terdapat variasi menurut regime alirannya yaitu

parallel disimbolkan (A,B,C,D) dan counter disimbolkan (E,F,G,H). pada aliran parallel

maupun counter memiliki bilangan reynold (Re) yang digunakan untuk menentukan

regime aliran apakah laminer atau turbulen.

Pada grafik menunjukkan aliran parallel saat kondisi A regime alirannya

laminer-laminer mempunyai nilai koefesien perpindahan panas sebesar 430.5475. Saat

di kondisi B regime alirannya turbulen-laminer mempunyai nilai koefesien perpindahan

panas sebesar 457.9521039. Saat kondisi C regime alirannya laminer-turbulen

mempunyai nilai koefesien perpindahan panas sebesar 629.678089. saat kondisi D

regime alirannya turbulen-turbulen mempunyai nilai koefesien perpindahan panas

sebesar 942.9609503. Sedangkan pada aliran counter saat kondisi E regime alirannya

laminer-laminer mempunyai nilai koefesien perpindahan panas sebesar 476.5131546.

Saat kondisi F regime alirannya turbulen-laminer memiliki nilai koefesien perpindahan

panas sebesar 653.0724664. Saat kondisi G regime alirannya laminer-turbulen memiliki

nilai koefesien perpindahan panas sebesar 577.7818267. Saat kondisi H regime

alirannya turbulen-turbulen mempunyai nilai koefesien perpindahan panas sebesar

969.7283294

Dapat di lihat dari perbandingan aliran turbulen dan laminar bahwa koefisien

perpindahan panas lebih besar saat aliran turbulen di bandingkan saat aliranya

laminar.Lalu dalam grafik berikut ini terjadi penyimpangan dapat kita lihat dari sampel

H dan D dengan nilai masing masing H=969.7283294 dan D=942.9609503 di mana

seharusnya koefisien parallel flow lebih tinggi di bandingkan counter flow hal ini

mungkin di sebabkan aliran counter low yang membuat aliran panas bertemu dengan

aliran yang dingin yang masih belum terkena perpindahan panas dan sebaliknya aliran

dingin juga bertemu dengan aliran panas yang masih belum mengalami perpindahan

panas sehingga membuat perbedaan suhu rata ratanya menjadi kecil karena rumus

koefisiensinya adalah:



2.5.3.2 Grafik hubungan efisiensi heat exchanger terhadap regime aliran pada variasi arah aliran.

Gambar 2.10 Grafik hubungan efesiensi heat exchanger



Grafik hubungan efesiensi heat exchanger terhadap regime aliran pada variasi

arah aliran. Efisiensi Heat Exchanger adalah sebuah istilah yang menyatakan seberapa

banyak panas yang dapat ditransfer. Pada grafik tersebut terdapat variasi menurut

regime alirannya yaitu parallel disimbolkan (A,B,C,D) dan counter disimbolkan

(E,F,G,H). pada aliran parallel maupun counter memiliki bilangan reynold (Re) yang

digunakan untuk menentukan regime aliran apakah laminar atau turbulen.

Pada grafik menunjukkan aliran parallel saat kondisi A regime alirannya

laminar-laminer dan nilai efisiensi 52%. Saat di kondisi B regime alirannya turbulen-

laminer dan nilai efisiensi 6%. saat kondisi C regime alirannya laminar-turbulen dan

nilai efisiensi 69%. saat kondisi D regime alirannya turbulen-turbulen dan nilai efisiensi

22%. sedangkan pada aliran counter saat kondisi E regime alirannya laminer-laminer

dan nilai efisiensi 57%. saat kondisi F regime alirannya turbulen-laminer dan nilai

efisiensi 13.8%. pada kondisi G regime alirannya laminar-turbulen dan nilai efisiensi

68.4%. pada kodisi H regime alirannya turbulen-turbulen dan nilai efisiensi 25.3%.

Dari grafik bisa kita lihat bahwa aliran counter mempunyai efisiensi yang lebih

baik di bandingkan parallel.Kemudian aliran laminar mempunyai efisiensi yang lebih di

banding parallel karena kecepatan aliran yang lebih lambat dari turbulen membuat

perpindahan panas yang terjadi lebih lama sehingga menghasilkan efisiensi yang lebih

besar bila di bandingkan dengan aliran turbulen. Namun terjadi penyimpangan pada

sampel C dan G yaitu di mana aliran C yang seharusnya parallel mempunyai efisiensi

yang lebih besar dari counter hal ini bisa di sebabkan perbedaan suhu dari sample C dan

G dimana karena dasarnya terletak pada perbedaan temperatur yang dimiliki T1-t1 dan

T2-t2 pada aliran paralllel dan T1-t2 dan T2-t1 pada aliran counter.


Bab 2 FIX fdm

Documents

Transcript of Bab 2 FIX fdm