PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

90
PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE EFEKTIVITAS-NTU SKRIPSI Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Oleh: LIYUN ARUN HUTAGALUNG NIM. 130401069 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2018 Universitas Sumatera Utara

Transcript of PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

Page 1: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

1

PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS

DENGAN METODE EFEKTIVITAS-NTU

SKRIPSI

Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi

Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Oleh:

LIYUN ARUN HUTAGALUNG

NIM. 130401069

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2018

Universitas Sumatera Utara

Page 2: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

2

Universitas Sumatera Utara

Page 3: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

3

Universitas Sumatera Utara

Page 4: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

4

Universitas Sumatera Utara

Page 5: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

5

Universitas Sumatera Utara

Page 6: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

6

Universitas Sumatera Utara

Page 7: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

7

Universitas Sumatera Utara

Page 8: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

8

Universitas Sumatera Utara

Page 9: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

9

Universitas Sumatera Utara

Page 10: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

10

Universitas Sumatera Utara

Page 11: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

11

ABSTRAK

Alat penukar kalor merupakan (heat exchanger ) merupakan alat

penukaran dengan tiga tabung pipa konsentrik dengan aliran searah yang

digunakan menurunkan fluida panas ke fluida dingin menggunakan fluida air

dingin. Penelitian dilakukan tiga pipa yang mengalir searah dengan 3 variasi pada

pipa suhu fluida air panas Th dengan suhu 50oC, 55

oC dan 60

oC dengan suhu

fluida air dingin Tc dengan suhu 25oC dan penelitian ini menggunakan laju aliran

0,000025m3/s , 0,000033 m

3/s dan 0,000041m

3/s

Hasil penelitian ini menunjukkan kesetimbangan perturunan suhu yang

diperoleh dari hasil eksperimental efektivitas pada aliran searah pipa saluran satu

sebesar , pada efektivitas pipa saluran kedua sebesar

dan pada efektivitas pipa saluran ketiga sebesar maka diperoleh

pada penelitian data ke-3 dengan debit 0,000025m3/s dan efektivitas pada aliran

berlawanan pipa saluran satu sebesar , pada efektivitas pipa saluran

kedua sebesar dan pada efektivitas pipa saluran ketiga sebesar

maka diperoleh pada data ke-7 dengan debit 0,000041m3/s

Kata Kunci: Alat Penukar kalor, Double Concentric pipe, Triple Concentric

pipe

Universitas Sumatera Utara

Page 12: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

12

ABSTRACK

Heat exchanger is an exchange device with three concentric pipe tubes

with direct flow used to reduce hot fluida to cold fluida using cold water fluida.the

research was carried out triple pipes that flowed in the same direction with 3

variationsin the temperature pipe of the hot water fluida th with a temlerature of

50oC, 55

oC and 60

oC with temperature of cold water fluida tc 25

oC and this study

used a flow rate of 0,000025 m3/s = 0,000033 m

3/s and 0,000041 m

3/s.

The results of this study showed that the equilibrium temperature obtained

from the experimental results of the effectiveness of the one-way pipeline flow

was ε1 = 32,99% the effectiveness of thr second channel pipe of ε2 = 66,48 % and

ont the effectiveness of the third channel pipe of ε3 = 33,57% 3rd data with a

debut of 0,000025 m3/s and the effectiveness of the opposite flow the channel one

pipe is ε1 = 55,16% on the effectiveness of the second channel pipe of ε2 = 66,48%

and on the effectiveness of the third channel pipe of ε3 = 60,59% it is obtained in

the with to 7 with a debit of 0,000041 m3/s

Keyword: Heat exchanger, Double Concentric pipe, Triple Concentric pipe

Universitas Sumatera Utara

Page 13: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

i

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT atas karunia-Nya

sehingga penulis bisa menyelesaikan skripsi sebagai syarat kelulusan tingkat

Strara Satu di Dapatermen Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Sumatera

Utara.

Skripsi ini berjudul “PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS

DENGAN METODE EFEKTIVITAS-NTU”. Dalam menyelesaikan skripsi ini

banyak hal yang dihadapi baik teknik menulisan dan non teknis. Penulisan telah

berupaya dengan keras untuk menyelesaikan skripsi ini dan penyajian, baik

dengan disiplin ilmu yang peroleh, serta bimbingan dan arahan dari Dosen

Pembimbing

Pada kesempatan ini penulis juga mengucapkan terima kasih yang sebesar-

besarnya kepada orang-orang yang telah memberikan bantuan dan bimbingannya

sehingga skripsi ini dapat diselesaikan yaitu kepada:

1. Bapak Drs. A. Zulkifli Lubis. M.sc selaku dosen pembimbing yang

dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan, dukungan dan

motivasi kepada penulis.

2. Bapak Dr. Ir. Muhammad Sabri, M.T, dan Bapak Terang UHSG,

ST. MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas

Teknik Universitas Sumatera Utara.

3. Kedua orang tua penulis, Ayahanda Sappetua Hutagalung, dan

Ibunda Rosia Br Pane serta Abaganda Pertama Ferdinan Hadi Irawan

Hutagalung,Abanganda Kedua Mardi Brata Hutagalung, Abanganda

Ketiga Randi Suherman Hutagalung dan Adikanda KelimaJunaedi Ahmad

Jafar Hutagalung, Adikanda Keenam Ayu Laila Br Hutagalung dan

seluruh keluarga penulis, yang tidak pernah putus – putusnya memberikan

dukungan, doa, dan kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.

4. Rekan-rekan satu tim skripsi pipa tripel consentris yaitu Rinaldy

Valendry dan M.Rinkanto yang telah bersama-sama berjuang untuk

menyelesaikan skripsi dan saling bertukar pikiran selama proses

penyusunan skripsi ini.

Universitas Sumatera Utara

Page 14: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

ii

5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik

Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis

selama penulis kuliah.

6. Seluruh rekan mahasiswa angkatan 2013 serta semua rekan

mahasiswa Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat

kepada penulis.

7. Pihak-pihak lain yang penulis tidak dapat disebutkan satu-persatu

yang telah memberikan bantuan, dukungan, dan doa dalam menyelesaikan

skripsi ini.

Semoga Allah SWT melimpahkan karunia-Nya kepada semua pihak yang

telah banyak membantu. Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari

sempurna. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang

hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan

yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi

manfaat kepada pembaca, Terima kasih.

Medan, 19 Juli

2018

Hormat Saya,

LIYUN ARUN

HUTAGALUNG

NIM. 130401069

Universitas Sumatera Utara

Page 15: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

iii

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR .......................................................................................... i

ABSTRAK .......................................................................................................... iii

DAFTAR ISI ........................................................................................................ v

DAFTAR TABEL.............................................................................................. vii

DAFTAR GAMBAR ........................................................................................ viii

DAFTAR NOTASI .............................................................................................. x

BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang ................................................................................... 1

1.2 Tujuan Perancangan ........................................................................... 2

1.3 Batasan Masalah................................................................................. 2

1.4 Metodologi Penulisan......................................................................... 3

1.5 Sistematika Penulisan......................................................................... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................... 5

2.1 Prinsip Perpindahan Kalor ................................................................. 5

2.1.1 Perpindahan Panas Konduksi (Hantaran)..................................... 6

2.1.2 Perpindahan Panas secara Konveksi (aliran) ............................... 9

2.1.3 Perpindahan Panas Secara Radiasi ............................................. 10

2.2 Alat Penukar Kalor ........................................................................... 12

2.2.1 Klarifikasi Alat Penukar Kalor.................................................... 14

2.3 Klarifikasi sistem Alat Penukar Kalor…..........................................16

2.3.1 Mesin Refregrasi ( Chiller)..........................................................17

2.3.2 Kondensor ..................................................................................17

2.3.3 Mesin Pendingin (Cooler)..........................................................18

2.3.4 Evaporator ( Pipa Penguap).......................................................18

2.4 Bilangan Reynold Number ............................................................... 19

2.5 Isolasi Panas ..................................................................................... 24

2.6 Efektivitas Penukar Kalor dengan Metode ε-NTU(Efektivitas -

Number Of Tranfer Unit ) ................................................................ 26

2.7 Analisa Penukar Kalor Aliran yang Searah dan Berlawanan............29

Universitas Sumatera Utara

Page 16: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

iv

2.7.1 Penukar Panas Aliran searah....................................................29

2.7.2 Penukar Panas Aliran berlawanan............................................33

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ....................................................... 37

3.1 Desain Penelitian ............................................................................. 37

3.2 Lokasih Penelitian ........................................................................... 37

3.3 Waktu Penelitian .............................................................................. 37

3.4 Alat dan Bahan ................................................................................. 37

3.4.1 Alat ............................................................................................. 37

3.4.2 Bahan .......................................................................................... 42

3.5 Metode Pengambilan Data ............................................................... 43

3.5.1 Skema Pengujian Aliran Alat Penukar Kalor searah .................. 43

BAB IV Hasil dan Analisa Data Penelitian .................................................... 47

4.1 Analisa perhitungan data Eksperimen.............................................. 47

4.4.1 Analisa laju aliran massa ............................................................. 47

4.4.2 Bilangan Reynold......................................................................... 48

4.4.3 Menentukan laju kapasitas aliran ................................................. 51

4.4.4 Mencari nilai Efektivitas .............................................................. 53

4.4.5 Data Eksperimen pada aliran searah ............................................ 53

4.2 Analisa perhitungan data Eksperimen.............................................. 47

4.4.2 Analisa laju aliran massa ............................................................. 47

4.4.2 Bilangan Reynold......................................................................... 48

4.4.3 Menentukan laju kapasitas aliran ................................................. 51

4.4.4 Mencari nilai Efektivitas .............................................................. 53

4.4.5 Data Eksperimen pada aliran berlawanan ........................................

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................ 53

5.1 Kesimpulan ...................................................................................... 53

5.2 Saran ................................................................................................ 53

REFERENSI ...................................................................................................... xii

LAMPIRAN ...................................................................................................... xiii

Universitas Sumatera Utara

Page 17: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

v

DAFTAR TABEL

TABEL 2.1 Tabel nilai kondutivitas termal untuk berbagai material ................... 8

TABEL 2.2 Konduktivitas Termal Bahan Isolasi ............................................... 26

TABEL 4.1Variasi Suhu dan Laju Aliran ........................................................... 47

TABEL 4.2 Variabel Pengumpulan Data............................................................ 47

TABEL 4.3 Massa jenis fluida ........................................................................... 48

TABEL 4.4 bilangan reynold .............................................................................. 49

TABEL 4.5 Diameter Dalam dan Diameter Luar Pipa........................................50

TABEL 4.6 Incopera diperoleh sifat-sifat fluida cair...........................................51

TABEL 4.7 Data efektivitas aliran searah............................................................53

TABEL 4.8 Perbandingan efektivitas aliran searah ............................................56

TABEL 4.9 Variasi Suhu dan Laju Aliran ......................................................... 57

TABEL 4.10 Variabel Pengumpulan Data.......................................................... 57

TABEL 4.11 Massa jenis fluida ............................................................. ............58

TABEL 4.12 bilangan reynold ............................................................................ 59

TABEL 4.13 Diameter Dalam dan Diameter Luar Pipa......................................59

TABEL 4.14 Incopera diperoleh sifat-sifat fluida cair.........................................61

TABEL 4.15 Data efektivitas aliran searah..........................................................63

TABEL 4.16 Perbandingan Efektivitas aliran searah...........................................65

TABEL 4.16 Perbandingan efektivitas aliran searah dan berlawanan.................66

Universitas Sumatera Utara

Page 18: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

vi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Perpindahan panas konduksi pada dinding ....................................... 7

Gambar 2.2 Perpindahan panas secara konveksi ................................................ 10

Gambar 2.3 Perpindahan panas secara radiasi .................................................... 11

Gambar 2.4 Counter Current Flow...................................................................... 15

Gambar 2.5 Skematik aliran berlawanan ............................................................ 15

Gambar 2.6 Skematik aliran searah .................................................................... 15

Gambar 2.7 Skema aliran dua searah pararel flow ............................................ 16

Gambar 2.8 Mesin Refrigrasi pendingin air ........................................................ 17

Gambar 2.9 Kondensor ....................................................................................... 18

Gambar 2.10 Mesin Pendingin (cooler) .............................................................. 18

Gambar 2.11 Evaporator ( Pipa Penguap ) ......................................................... 19

Gambar 2.12 Kecepatan Aliran Fluida................................................................ 20

Gambar 2.13 Proses Fully developed turbulent velocity .................................... 21

Gambar 2.14 Perbedaaan antara aliran laminar, transisi, dan turbulen ............... 22

Gambar 2.15 Diagram Moldy .............................................................................. 24

Gambar 2.16 efektivitas untuk aliran sejajar (Pararel Flow) ............................. 28

Gambar 2.17 model matematika Counter flow ................................................... 29

Gambar 2.18 Aliran Berlawanan......................................................................... 33

Gambar 3.1 Termometer ..................................................................................... 38

Gambar 3.2 Termokapel...................................................................................... 38

Gambar 3.3 cole-parmer...................................................................................... 39

Universitas Sumatera Utara

Page 19: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

vii

Gambar 3.4 Flowmeter........................................................................................ 40

Gambar 3.5 Alat Pemanas (water heater) ........................................................... 40

Gambar 3.6 Pompa Fluida................................................................................... 41

Gambar 3.7 Tiga lapis tabung konsentris ............................................................ 41

Gambar 3.8 APK tipe tiga saluran pipa konsentrik............................................. 42

Gambar 3.9 Skema alat pengujian APK dengan konfigurasi aliarn searah

(pararel flow)....................................................................................43

Gambar 3.10 Skema alat pengujian APK dengan konfigurasi aliarn berlawanan

(counter flow)....................................................................................43

Gambar 3.11 Set Up Eksperimen aliran searah (Pararel flow) ..........................44

Gambar 3.11 Set Up Eksperimen aliarn berlawanan (counter flow)...................45

Gambar 3.12 Diagram Alir Pengumpulan data pengujian...................................46

Gambar 4.1 Grafik Perbandingan Efektivitas ...........................54

Gambar 4.2 Grafik Perbandingan Efektivitas aliran searah ............................ 55

Gambar 4.3 Grafik Perbandingan Efektivitas aliran searah ............................ 55

Gambar 4.4 Grafik Perbandingan efektivitas ε1, ε2 dan ε3 aliran searah..............56

Gambar 4.5 Grafik Perbandingan Efektivitas aliran berlawanan.............,,,.....64

Gambar 4.6 Grafik Perbandingan Efektivitas aliran berlawanan .................. .64

Gambar 4.7 Grafik Perbandingan Efektivitas aliran berlawanan ................... 65

Gambar 4.8 Grafik Perbandingan efektivitas ε1, ε2 dan ε3 aliran berlawanan.....66

Gambar 4.9 Grafik Perbandingan efektivitas aliran searah dan aliran

Berlawanan ...................................................................................... 67

Universitas Sumatera Utara

Page 20: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

viii

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN SATUAN

A Luas Penampang m²

∆T Perbedaan Temperatur ºC

Fluks Panas W/m²

Viskositas Dinamis N.s/m²

ρ Massa Jenis kg/m³

Panas Jenis Fluida J/kg.K

V Kecepatan Fluida m/s

h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi W/m².K

Area Permukaan Perpindahan Panas m²

Temperatur Permukaan Benda ºC

` Temperatur Lingkungan Sekitar Benda ºC

Konstanta Stefan-Boltzmann W/m². K

ṁ Laju Aliran Massa Fluida kg/s

Re Bilangan Reynold

Di Diameter Pipa m

Diameter Hidrolik m

P Keliling Penampang pipa m

Nu Bilangan Nusselt

Pr Bilangan Prandlt

Diameter Luar Tabung m

Diameter Dalam Tabung m

Nui Bilangan Nusselt Tabung Bagian Dalam

N Bilangan NTU

Universitas Sumatera Utara

Page 21: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

ix

Nuo Bilangan Nusselt Tabung Bagian Luar

L Panjang Tabung m

R Tahanan Termal m². ºC/W

Luas Area Permukaan Dalam APK m²

Luas Area Permukaan Luar APK m²

U Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh W/m² ºC

Q Laju Perpindahan Panas W

Laju Aliran Massa Fluida Dingin kg/s

Laju Aliran Massa Fluida Panas kg/s

Panas Jenis Fluida Dingin J/kg.K

Panas Jenis Fluida Panas J/kg.K

Suhu Fluida Panas ºC

Suhu Fluida Dingin ºC

Temperatur Fluida Panas Masuk ºC

Temperatur Fluida Panas Keluar ºC

Temperatur Fluida Dingin Masuk ºC

Temperatur Fluida Dingin Keluar ºC

Beda Suhu Rata-rata Logaritma ºC

ΔTRL Beda temperatur rata-rata ºC

Universitas Sumatera Utara

Page 22: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

1

BAB I

PENDAHULUAN

1. Latar Belakang

Alat penukar panas digunakan untuk memindahkan panas dari satu cairan

ke cairan lainnya. Komponen dasar alat penukar panas dapat diamati sebagai

tabung dengansatu cairan yang mengalir melalui tabung tersebut. Konteks

sederhana dari alat penukar kalor adalah yang satu fluida panas dan satu fluida

dingin bergerak dalam searah yang sama dalam konstruksi tabung konsentris

secara pararel aliran masuk searah dan maupun aliran keluar akhirnya yang sama

seacarah. Banyak peneliti telah melakukan analisis penukar panas tabung ganda.

Penelitian telah melakukan analisis teoritis maupun eksperimental tiga pipa

konsentris triple concentric tube heat exchanger (TCTHE). Satu set persamaan

untuk analisis desain dan kinerja pipa konsentris telah dikembangkan. Persamaan

yang dikembakan untuk menghilangkan panas ke lingkaran sekitar berguna untuk

tujuan desain.

Penukar kalor (heat exchanger) secara luas digunakan TCHE oleh Unal A

[1]. Pada bagian pertama persamaan diferensial yang mengatur dikembangkan

bersama sama dengan solusi yang mungkin dibawah kondisi disederhanakan

untuk pengatur aliran paralel persamaan diturunkan dalam studinya dapat

digunakan untuk penentukan variasi suhu sepanjang exchanger. .

Batmaz E [2] mengembangkan cara yang lebih generic menghitung

perpindahan panas keseluruhan dengan suhu cairan tabung penukar panas triple

untuk pengaturan aliran arus ini menggunakan persamaan keseimbangan energi

pada volume kontrol. Dengan membandingkan keseluruhan koefisien perpindahan

panas yang efektif dan nilai nilai efektivitas untuk TCHE setara dengan (teoritis)

tabung ganda penukar panas.

Alat penukar kalor sangat berpengaruh dalam industri terhadap

keberhasilan keseluruhan rangkaian proses, karena kegagalan operasi alat ini baik

akibat kegagalan mekanikal maupun opersional dapat menyebabkan berhentinya

operasi unit. Maka suatu alat penukar kalor ( heat exchanger) dituntut untuk

memiliki kinerja yang baik agar dapat diperoleh hasil yang maksimal serta dapat

Universitas Sumatera Utara

Page 23: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

2

menunjang penuh terhadap suatu operasional unit. Salah satu karakteristik unjuk

kerja dari penukar panas ini adalah efektivitas penukar panas

Pengujian ini penukar kalor yang digunakan adalah alat penukar kalor tipe

tiga lapis tabung (triple concentric heat exchanger) dengan bahan dasar tembaga,

tipe triple concentric heat exchanger ini mempunyai kelebihan dibandingkan

dengan penukar kalor tipe yang lainnya, yaitu kemudahan alat ini untuk dibuka

dan dilepaskan dari rangkainnya sehingga memungkinkan pembersihan dan

perawatan yang lebih baik dan mudah. Selain daripada itu, alat ini juga cocok

digunakan untuk fluida cair, sebab mempunyai permukaan perpindahan panas

yang bergelombang sehingga menyebabkan turbulensi dari aliran fluida menjadi

lebih tinggi dan otomatis perpindahan panas yang terjadi akan lebih efiktif

1.1. Tujuan Pengujian

Tujuan dari pengujian triple concentric heat exchanger ini adalah sebagai

berikut :

1. Mencari temperatur keluar pada alat penukar kalor searah dan berlawanan

dengan debit 0,000025m3/s , 0,000033 m

3/s dan 0,000041m

3/s

2. Untuk mengetahui pengaruh laju aliran masa terhadap penurunan

temperatur pada alat penukaran kalor searah dan berlawanan dengan debit

0,000025m3/s , 0,000033 m

3/s dan 0,000041m

3/s

3. Untuk mengetahui efektivitas alat penukar kalor pada alat penukaran kalor

searah dan berlawanan dengan debit 0,000025m3/s, 0,000033 m

3/s dan

0,000041m3/s

1.2. Batas Masalah

Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Alat penukar kalor yang diteliti memiliki ketebalan yang tipis sehingga

tebalannya dapat diabaikan

2. Aliran fluida dalam sistem diasumsikan turbulen walaupun kecepatan

fluida kerja dalam Pipa triple concentric kecil

Universitas Sumatera Utara

Page 24: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

3

3. Kehilangan panas yang terjadi pada APK dianggap tidak ada karena

permukaan luarnya telah terisolasi Suhu laju air panas yang digunakan

tiga variasi yaitu 50oC, 55

oC dan 60

oC

4. Suhu air lingkungan sekitar 27oC sedangkan suhu dingin menggunakan

25oC jadi kekurangan suhu tidak jauh dari suhu lingkungan

5. Laju aliran yang terjadi dialat APK dianggap konstan

1.3. Metodologi Penulisan

Metodologi penulisan yang digunakan pada penulisan skripsi ini adalah

sebagai berikut:

1. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku dan jurnal-

jurnal buku elektronik (e-book) yang terkait.

2. Browsing internet, berupa studi artikel-artiker, jurnal ilmiah, gambar-

gambar dan buku elektronik (e-book) serta data-data lain yang berhubungan

dengan penelitian

3. Metode studi lapangan, yaitu dengan mengambil data dari hasil pengujian

yang dilakukan di laboratorium proses produksi

4. Metode studi lapangan, yaitu dengan mengambil data dari laboratorium

Teknik Mesin yang terletak di Magister Tenik Mesin Universitas Sumatera

Utara

5. Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing yang ditunjuk oleh

Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

1.5 Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan pada tugas akhir ini adalah :

a. BAB I PENDAHULUAN

Bab ini menjelaskan pendahuluan tentang studi kasus dan pemecahan

masalah yang berisi antara lain : latar belakang, tujuan penelitian, batasan

masalah, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan.

b. BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini berisi dasar teori dari topik yang dikaji dan digunakan sebagai

landasan dalam memecahkan masalah dan menganalisis permasalahan tersebut

Universitas Sumatera Utara

Page 25: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

4

meliputi penjelasan mengenai beras, radiasi surya, perpindahan panas, dan

desalinasi.

c. BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Bab ini berisi kerangka pemikiran dan langkah yang dilakukan untuk

mengidentifikasi permasalahan, beserta variabel-variabel yang akan diukur dan

perlengkapan pengujian tersebut meliputi waktu dan tempat penelitian, peralatan

pengujian, bahan pengujian, experimental set up, dan prosedur pengujian.

d. BAB IV DATA DAN ANALISIS DATA

Berisi tentang data-data yang diperoleh dari pengujian, dan berdasarkan

data yang telah disiapkan, dilakukan analisa dan perhitungan-perhitungan

menggunakan persamaan yang ada.

e. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi kesimpulan dari analisa yang dilakukan terhadap

permasalahan dan saran mengenai penyempurnaan hasil penelitian untuk generasi

berikutnya.

Universitas Sumatera Utara

Page 26: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Prinsip Perpindahan Panas

Perpindahan kalor merupakan ilmu yang berguna untuk memprediksi laju

perpindahan energi yang berpindah antar material sebagai akibat perbedaan

temperatur. Pada ilmu Termodinamika dijelaskan bahwa perpindahan energi

didefinisikan sebagai panas. Perpindahan kalor tidak hanya menjelaskan

bagaimana energi panas dapat dipindahkan, tetapi juga untuk memprediksi

seberaapa besar laju perubahan tersebut dalam kondisi tertentu. Faktanya bahwa

laju perpindahan kalor merupakan sebuah analisis yang menunjukan perbedaan

antara perpindahan kalor Perpindahan panas dasar atau kalor adalah pengangkutan

energi karena perbedaan suhu benda atau material suatu alat yang digunakan

untuk memindahkan panas antara dua buah fluida atau lebih yang memiliki

perbedaan temperatur yaitu fluida yang bertemperatur tinggi ke fluida yang

bertemperatur rendah. Perpindahan panas teesebut baik secara langsung maupun

secara tidak langsung. Pada kebanyakan sistem kedua fluida ini tidak mengalami

kontak langsung. Kontak langsung alat penukar kalor terjadi sebagai contoh pada

gas kalor yang terfluidisasi dalam cairan dingin untuk meningkatkan temperatur

cairan atau mendinginkan gas. Satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari

suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama

sekali. Dalam suatu proses, panas dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu

suatu zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan. Merupakan

perpindahan panas antara molekul-molekul yang saling berdekatan antar yang satu

dengan yang lainnya dan tidak diikuti oleh perpindahan molekul-molekul tersebut

secara fisik. Molekul-molekul benda yang panas bergetar lebih cepat

dibandingkan molekul-molekul benda yang berada dalam keadaan dingin.

Getaran-getaran yang cepat ini, tenaganya dilimpahkan kepada molekul di

sekelilingnya sehingga menyebabkan getaran yang lebih cepat maka akan

memberikan panas. Proses terjadinya perpindahan panas dapat dilakukan secara

langsung, yaitu fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida

dingin tanpa adanya pemisah dan secara tidak langsung, yaitu bila diantara fluida

Universitas Sumatera Utara

Page 27: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

6

panas dan fluida dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh sekat-

sekat pemisah. Alat penukar panas banyak digunakan pada berbagai instalasi

industri, antara lain pada : boiler, kondensor, cooler, cooling tower. Sedangkan

pada kendaraan kita dapat menjumpai radiator yang fungsinya pada dasarnya

adalah sebagai alat penukar panas ilmu perpindahan panas berhubungan erat

dengan ilmu termodinamika Perpindahan Panas :menjelaskan terjadinya

perpindahan energi dari suatu benda ke benda lain dan meramalkan lajunya

Termodinamika : meramalkan energi yang dibutuhkan untuk mengubah sistem

dari keadaan setimbang ke keadaan setimbang yang lain. Prinsip perpindahan

panas adalah proses perpindahan dari suhu tinggi ke suhu yang rendah. J. P.

Holman Bohn dalam bukunya mengklasifikasikan perpindahan panas dalam tiga

bahagian Jadi perbedaan suhu merupakan gaya pendorong perpindahan panas.

Panas dapat berpindah dengan tiga cara yaitu: -Konduksi, -Konveksi dan -Radiasi

2.1.1. Konduksi (hantaran)

Merupakan perpindahan panas antara molekul-molekul yang saling

berdekatan antar yang satu dengan yang lainnya dan tidak diikuti oleh

perpindahan molekul-molekul tersebut secara fisik. Molekul-molekul benda yang

panas bergetar lebih cepat dibandingkan molekul-molekul benda yang berada

dalam keadaan dingin. Getaran-getaran yang cepat ini, tenaganya dilimpahkan

kepada molekul di sekelilingnya sehingga menyebabkan getaran yang lebih cepat

maka akan memberikan panas. Ketika terdapat perbedaan temperatur antara dua

permukaan benda, maka akan terjadi perpindahan energi dari area yang bersuhu

tinggi ke area yang bersuhu lebih rendah. Dapat kita katakana bahwa perpindahan

tersebut secara konduksi dan laju perpindahan energi per satuan luas sebanding

dengan gradient temperatur normal:

..........................................................(2.1)

Ketika proporsionalitas konstan dimasukkan

......................................................(2.2)

dimana:

Universitas Sumatera Utara

Page 28: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

7

qx = Laju perpindahan panas

= Temperatur pada aliran panas

k = Konduktivitas termal pada bahan

A = Satuan luas permukaan pipa

Persamaan tersebut disebut Hukum perpindahan konduksi Fourier, seorang

ilmuwan perancis Joseph Fourier memberikan kontribusi terhadap analisis dari

perpindahan konduksi ini. Catatan penting pada persamaan (1-1) digunakan untuk

menentukan konduktivitas termal dan k mempunyai satuan watts per meter per

derajat celcius dan aliran panas dinyatakan dalam watt. Dapat menentukan

persamaan dasar untuk menentukan perpindahan panas dalam bentuk padat,

menggunakan persamaan (1-1) sebagai permulaan. Pada sistem satu dimensi

seperti yang terlihat pada gambar 1-1. Jika sistem dalam keadaan stabil. Sebagai

contoh temperatur tidak berubah, penyelesaianya cukup sederhana, kita hanya

perlu mengintegralkan persamaan 1-1 dan mensubstitusinya dengan nilai-nilai

yang sesuai untuk memecahkan perhitungannya. Namun jika temperatur benda

padat tersebut berubah, atau terdapat sumber panas dari dalam benda tersebut,

akan jauh lebih rumit. Kita dapat menganggap secara umum dimana temperatur

berubah dan sumber panas tersebut dapat ditentukan. ketebalan benda tersebut

disimbolkan dengan dx, maka keseimbangan energi dapat diperoleh dengan :

Energi yang dikonduksikan di sisi kiri + panas yang terkantung dalam benda

= perubahan energi internal + energi ysng dikonduksikan pada sisi kanan

Besaran energi

Energi pada sisi kiri = qx = -kA = -kA

...........................................................(2.3)

Energi yang dihasilkan dalam benda tersebut = q A dx ....................................(2.4)

Universitas Sumatera Utara

Page 29: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

8

Gambar 2.1. Perpindahan panas konduksi pada dinding [7]

Perubahan energi dalam = pcA

dx

..................................................................(2.5)

Energi pada sisi kanan = qx+dx = -kA

1

...............................................(2.6)

-A0

.

/ 1

...........................................(2.7)

dimana

= energi yang dihasilkan per satuan volume (W/m)

c = koefisien panas spesifik material, J/Kg oC

ρ = kerapatan, kg/m3

Kombinasi dari hubungan persamaan diatas:

0

.

/ 1................(2.8)

atau

.

/

.....................................................(2.9)

persamaan diatas untuk konduktivitas satu dimensi. Untuk aliran panas

lebih dari satu dimensi, perlu menentukan konduktivitas panas yang masuk dan

keluar dalam tiga arah

Tabel 2.1 Tabel nilai kondutivitas termal untuk berbagai material [6]

No Nama Material Konduktivitas Ketika Temperatur (300 K) W/m .K

1 Aluminium 237

2 Berryllium 200

3 Boron 27

4 Cadmium 96.8

5 Kromium 93.7

6 Kobalt 99.2

7 Tembaga 401

8 Germanium 59.9

Universitas Sumatera Utara

Page 30: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

9

9 Emas 317

10 Iridium 147

11 Besi 80.2

12 Magnesium 156

13 Molybdenum 138

14 Nikel 90.7

15 Platinum 71.6

16 Perak 429

17 Silicon 148

18 Titanium 21.9

19 Tungsten 174

20 Vanadium 30.7

21 PVC 0.19

2.1.2. Perpindahan Panas secara Konveksi (aliran )

Konveksi adalah transfer energi panas oleh partikel bergerak melalui

fluida (baik gas atau cairan). Energi panas adalah total energi kinetik dari partikel

yang bergerak di dalam materi, dan transfer energi panas disebut kalor. Konveksi

adalah salah satu dari tiga cara yang energi panas dapat ditransfer (cara lain adalah

konduksi dan radiasi termal). Energi panas selalu ditransfer dari materi dengan

suhu yang lebih tinggi ke materi dengan suhu yang lebih rendah.perpindahan

panas dari suatu zat ke zat yang lain disertai dengan gerakan partikel atau zat

tersebut secara fisik. Panas dipindahkan oleh molekul-molekul yang bergerak

(mengalir). Oleh karena adanya dorongan bergerak. Disini kecepatan gerakan

(aliran) memegang peranan penting. Konveksi hanya terjadi pada fluida Konveksi

alami dapat membantu perpindahan panas konveksi paksa, tergantung pada arah

relatif apung yang diinduksi dan konveksi paksa gerakan.Dapat dikatakan panas

terkonveksi, dan kita menyebut proses ini sebagai perpindahan panas secara

konveksi. Memperhatikan plat yang dipanaskan seperti yang ditunjukan gambar

2-2. Keceptan aliran ditunjukan seperti pada gambar. Karena kecepatan lapisan

udara pada permukaan sama dengan nol, panas dipindahkan secara konduksi pada

saat itu. Jadi kita dapat menghitung perpindahan kalor dengan menggunakan

Universitas Sumatera Utara

Page 31: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

10

persamaan 2-1, dengan konduktivitas termal udara dan perubahan suhu udara pada

permukaan. Perubahan temperatur tergantung dari laju udara yang memindahkan

panas; kecepatan aliran yang tinggi akan mengakibatkan perubahan temperatur

yang besar. Jadi perubahan temperatur tergantung dari aliran. Dan harus diingat

bahwa mekanisme perpindahan panas yang ada pada permukaan disebut proses

konduksi. laju perpindahan kalor yang berhubungan dengan keseluruhan

perbedaan temperatur pada permukaan dan udara pada luasan A. besaran h disebut

koefisien perpindahan kalor secara konveksi, dan persamaan 2-2 menentukan

perhitungan. Analisis perhitungan h dibuat untuk beberapa sistem. Untuk situasi

yang kompleks harus ditentukan secara eksperimental. Perpindahan kalor secara

konveksi ini kadang disebut lapisan konduktansi karena hubungannya dengan

proses konduksi pada lapisan fluida tipis pada suatu permukaan.

Gambar 2.2. Perpindahan panas secara konveksi [7]

dari kondisi masuk di Ti untuk keluar dari kondisi di To. Menggunakan

simbol dalam dua entalpi yang sesuai

(untuk menghindari kebingungan dengan h, koefisien konveksi), keseimbangan

energi pada fluida tersebut.

Untuk nilai perpindahan panas secara konveksi dapat ditentukan dengan rumus :

( )............................................(2.10)

dengan q = kalor yang dipindahkan (joule)

ṁ = massa (kg/j)

= Temperatur outlet suhu keluar(oC)

= Temperatur Inlet suhu masuk (oC)

2.1.3. Perpindahan Panas secara Radiasi

Radiasi adalah perpindahan kalor pada suatu zat tanpa melalui zat

perantara, misalnya, pancaran sinar Matahari sampai ke Bumi melalui hampa

Universitas Sumatera Utara

Page 32: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

11

udara. Besarnya kalor yang dipancarkan dinyatakan.Perpindahan kalor secara

radiasi tidak membutuhkan zat perantara, matahari memancarkan panas ke bumi

dan api yang memancarkan hangat ke tubuh anda. Kalor dapat di radiasikan

melalui bentuk gelombang cahaya, gelombang radio dan gelombang

elektromagnetik. Radiasi juga dapat dikatakan sebagai perpindahan kalor melalui

media atau ruang yang akhirnya diserap oleh benda lain. Perpindahan kalor secara

radiasi adalah perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik.

Contoh perpindahan kalor secara radiasi adalah hangatnya tubuh anda ketika

berada di dekat tungku api dan perpindahan kalor dari matahari menuju bumi.

Matahari memiliki suhu lebih tinggi (sekitar 6000 Kelvin), sedangkan bumi

memiliki suhu yang lebih rendah. Adanya perbedaan suhu antara matahari dan

bumi menyebabkan kalor berpindah dari matahari (suhu lebih tinggi) menuju

bumi (suhu lebih rendah). Seandainya perpindahan kalor dari matahari menuju

bumi memerlukan perantara alias medium, sebagaimana perpindahan kalor secara

konduksi dan konveksi, maka kalor tidak mungkin tiba di bumi; kalor harus

melewati ruang hampa (atau hampir hampa). Jika tidak ada sumbangan kalor dari

matahari, maka kehidupan di bumi tidak akan pernah ada karena kehidupan

membutuhkan energi.

Gambar : 2.3 Perpindahan panas secara radiasi [1]

Contoh lain perpindahan kalor secara radiasi adalah panas yang dirasakan

ketika kita berada di dekat nyala api. Panas yang kita rasakan bukan disebabkan

oleh udara yang kepanasan akibat adanya nyala api. Seperti yang telah dijelaskan

sebelumnya, udara yang panas akan memuai sehingga massa jenisnya berkurang.

Akibatnya udara yang massa jenisnya berkurang bergerak vertikal ke atas, tidak

Universitas Sumatera Utara

Page 33: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

12

bergerak horisontal ke arah kita. Tubuh terasa hangat atau panas ketika berada di

dekat nyala api karena kalor berpindah dengan cara radiasi dari nyala api (suhu

lebih tinggi) menuju tubuh kita (suhu lebih rendah). Apabila sejumlah energi kalor

menimpa suatu permukaan,sebagian akan di pantulkan dan sebagian akan diserap

kedalam bahan dan sebagian akan menembus bahan dan terus ke luar. Jadi dalam

pelajaran perpindahan kalor secara radiasi maka akan dilibatkan suatu fisik

permukaan.

Untuk nilai perpindahan pans secara radiasi dapat ditentukan dengan rumus :

..............................................

(2.11)

dengan :

I = energi yang dipacarkan atau diserap per satuan luas (J/s m2

atau watt/m2)

= konstanta umum Stefan-Boltzmann (5,67 x 10-8

watt/m2k

K4)

T = suhu mutlak (K)

e = emisivitas permukaan ( 0 ≤ e ≤ 1 )

2.2. Alat Penukar Kalor

Perpindahan kalor (heat transfer) ialah ilmu untuk meramalkan

perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda

atau material. Pada termodinamika telah kita ketahui bahwa energi yang pindah

itu dinamakan kalor (heat). Ilmu perpindahan kalor tidak hanya mencoba

menjelaskan bagaimana energi kalor itu berpindah dari suatu benda ke benda lain,

tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan yang terjadi pada kondisi-kondisi

tertentu. Alat penukar kalor atau heat exchanger adalah alat yang digunakan untuk

menukar atau mengubah temperatur fluida atau mengubah phasa fluida dengan

cara mempertukarkan kalornya dengan fluida lain. Arti dari mempertukarkan

disini adalah memberikan atau mengambil kalor. Pemahaman teknologi heat

exchanger membutuhkan pengetahuan dalam bidang termodinamika, mekanika

fluida, heat transfer, ilmu material dan ilmu proses produksi.

Kalor dapat dipindahkan diantara kedua fluida tersebut, besarnya sangat

tergantung pada kecepatan aliran fluida, arah alirannya, sifat-sifat fluida, kondisi

permukaan dan luas bidang perpindahan panas serta beda temperatur diantara

Universitas Sumatera Utara

Page 34: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

13

kedua fluida. APK merupakan suatu peralatan dimana terjadinya perpindahan

panas dari suatu fluida yang temperaturnya lebih tinggi kepada fluida lain yang

temperaturnya lebih rendah. Proses perpindahan panas tersebut dapat dilakukan

secara langsung atau tidak. Maksudnya adalah APK yang langsung, ialah dimana

fluida yang panas akan bercampur langsung dengan fluida yang dingin (tanpa

adanya pemisah) dalam suatu bejana atau ruangan tertentu. APK yang tidak

langasung, ialah dimana fluida panas tidak berhubungan langsung (indirect

contact) dengan fluida dingin, jadi perpindahan panasnya itu mempunyai media

perantara seperti pipa, pelat atau peralatan jenis lainnya. Fluida yang mengalir

didalam heat exchanger kadang-kadang mengandung zat-zat yang mengendap

atau menggerak pada permukaan pipa atau bereaksi dan menyebabkan korosi atau

kerusakan lainnya, sehingga heat exchanger dapat menjadi turun. Dengan

demikian untuk menunjang program maintenance peralatan ini, sebaiknya

pengetahuan dasar perlu dikuasai agar dapat diperoleh keuntungan yang optimal.

Penukar panas adalah alat yang digunakan untuk menukarkan panas secara

kontinyu dari suatu medium ke medium lainnya dengan membawa energi panas.

Suatu heat exchanger terdiri dari elemen penukar kalor yang disebut sebagai inti

atau matrix yang berisikan di dinding penukar panas, dan elemen distribusi fluida

seperti tangki, nozzle masukan, nozzle keluaran, pipa-pipa, dan lain-lain.

Biasanya, tidak ada pergerakan pada bagian-bagian dalam heat exchanger.

Namun, ada pengecualian untuk regenerator rotary dimana matriksnya digerakan

berputar dengan kecepatan yang dirancang. Dinding permukaan heat exchanger

adalah bagian yang bersinggungan langsung dengan fluida yang mentransfer

panasnya secara konduksi. Perpindahan panas secara konveksi sangat dipengaruhi

oleh bentuk geometri heat exchanger dan tiga bilangan tak berdimensi, yaitu

bilangan Reynold, bilangan Nusselt dan bilangan Prandtl fluida. Besar konveksi

yang terjadi dalam suatu tripel-pipe heat exchanger akan berbeda dengan pararel

flow heat exchanger dan counter flow heat exchanger atau compact heat

exchanger atau plate heat exchanger untuk berbeda temperatur yang sama.

Sedangkan besar ketiga bilangan tak berdimensi tersebut tergantung pada

kecepatan aliran serta properti fluida yang meliputi massa Jenis, viskositas

absolut, panas jenis dan konduktivitas panas untuk mentransfer energi panas

Universitas Sumatera Utara

Page 35: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

14

(entalpi) antara dua atau lebih fluida, antara permukaan padat dengan fluida, atau

antara partikel padat dengan fluida, pada temperatur yang berbeda serta terjadi

kontak termal. Lebih lanjut, heat exchanger dapat pula berfungsi sebagai alat

pembuang panas, alat sterilisasi, pesteurisasi, pemisahan campuran, distilisasi

(pemurnian, ekstraksi), pembentukan konsentrat, kristalisasi, atau juga untuk

mengontrol sebuah proses fluida Proses terjadinya perpindahan panas dapat

dilakukan secara langsung, yaitu fluida yang panas akan bercampur secara

langsung dengan fluida dingin tanpa adanya pemisah dan secara tidak langsung,

yaitu bila diantara fluida panas dan fluida dingin tidak berhubungan langsung

tetapi dipisahkan oleh sekat-sekat pemisah. Panas adalah salah satu bentuk energi

yang dapat dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat

diciptakan atau dimusnahkan sama sekali. Dalam suatu proses, panas dapat

mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu suatu zat dan atau perubahan tekanan,

reaksi kimia dan kelistrikan. Merupakan perpindahan panas antara molekul-

molekul yang saling berdekatan antar yang satu dengan yang lainnya dan tidak

diikuti oleh perpindahan molekul-molekul tersebut secara fisik. Molekul-molekul

benda yang panas bergetar lebih cepat dibandingkan molekul-molekul benda yang

berada dalam keadaan dingin. Getaran-getaran yang cepat ini, tenaganya

dilimpahkan kepada molekul di sekelilingnya sehingga menyebabkan getaran

yang lebih cepat maka akan memberikan panas.

2.2.1. Klarifikasi Alat Penukar Kalor

beberapa alat penukar kalor ( heat exchanger ) Pola aliran penukar panas

yang berbeda (Different heat exchangers flow patterns) dengan konstruksi

berbeda berdasarkan.

a. Berdasarkan arah aliran fluida alat penukar kalor (heat exchanger) yang

dibedakan menjadi beberapa pola aliran.

1. Pertukaran panas dengan aliran berlawanan (counter flow)

apabila arah aliran dari kedua fluida di dalam penukar kalor adalah

sejajar. Artinya kedua fluida masuk pada sisi yang satu dan keluar dari sisi yang

lain mengalir dengan arah yang berlawanan. Karakter penukar panas jenis ini

temperatur fluida dingin yang keluar dari heat exchanger (Tco) tidak dapat

melebihi temperatur fluida pabas yang keluar ( Tho) sehingga diperlukan media

Universitas Sumatera Utara

Page 36: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

Universitas Sumatera Utara

Page 37: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

16

berlawanan dan keluar heat exchanger pada sisi yang berlawanan. Berikut

merupakan gambar aliran berlawanan arah.

Gambar 2.6 Skematik aliran searah

Bila grafik aliran pararel seperti Gambar 2.7 maka akan berlaku persamaan

sebagai berikut :

q = ṁh cp,h (Th,i – Th,o) = ṁc cp,c (Tc,o – Tc,i)

......................................(2.13)

Bila di asumsi nilai kalor spesifik (Cp) fluida dingin dan panas kontan,

tidak ada kehilangan panas ke lingkungan serta keadaan stabil

q = U AΔTRL...................................................................(2.14)

dengan

U = koefisien perpindahan panas secara keseluruhan (W/m2.K)

A= Luas perpindahan panas (m2)

ΔTRL= Beda temperatur rata-rata (right dan left)

Gambar: 2.7 Skema aliran dua searah pararel flow [4]

dq = U(Thc)dA............................................................(2.15)

Universitas Sumatera Utara

Page 38: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

17

dimana:

dq = daerah laju perpindahan panas(watt)

U = koefisensi perpindahan panas secara keseluruhan (w/m2.K)

Th = temperatur panas/hot (K)

Tc = temperatur dingin/coll (K)

dA = daerah Luas perpindahan panas (m2)

2.3. Klarifikasi sistem Alat Penukar Kalor

sebuah alat yang berfungsi untuk mentransfer energi panas (entalpi) antara

dua atau lebih fluida, antara permukaan padat dengan fluida, atau antara partikel

padat dengan fluida, pada temperatur yang berbeda serta terjadi kontak termal.

Lebih lanjut, heat exchanger dapat pula berfungsi sebagai alat pembuang panas,

alat sterilisasi, pesteurisasi, pemisahan campuran, distilisasi (pemurnian,

ekstraksi), pembentukan konsentrat, kristalisasi, atau juga untuk mengontrol

sebuah proses fluida

2.3.1. Mesin Refrigrasi (Chiller)

Suatu system pengambilan kalor yang lebih tinggi dari suatu benda atau

juga ruangan, dari temperatur yang lebih tinggi menjadi lebih rendah misalnya

dari temperatur 30 derajat celcius menjadi 20 derajat celcius atau yang lebih

rendah minus 16 derajat celcius. Pada pengaplikasian suhu ruangan atau bisa

disebut tata udara, pada tata udara, kalor yang berasal di ruangan atau udara,

maka untuk prosesnya memerlukan sebuah media atau benda yang suhunya lebih

rendah. chiller, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan fluida

sampai pada temperature yang rendah. Temperatur fluida hasil pendinginan

didalam chiller yang lebih rendah bila dibandingkan dengan fluida pendinginan

yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk chiller ini media pendingin biasanya

digunakan amoniak atau Freon.

Gambar : 2.8 Mesin Refrigrasi pendingin air [11]

Universitas Sumatera Utara

Page 39: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

18

2.3.2. Kondensor

Kondensor adalah sebuah alat penukar kalor (heat exchanger) yang

digunakan untuk mengkondensasikan (mengubah) gas yang bertekanan tinggi

berubah menjadi cairan yang bertekanan tinggi yang kemudian akan dialirkan ke

receiver dryer dan dilanjutkan ke expansi valve. Kondensor bisa disebut heat

exchange yang bisa memindahkan panas ke udara. Air pendingin dalam

kondensor sangat memiliki peranan penting dalam proses kondensasi uap menjadi

condensat water. Bahan baku air pendingin biasanya didapatkan dari danau dan

air laut (sea water), dalam proses pengambilannya biasanya digunakan alat sejenis

jaring yang berfungsi untuk menjaring kotoran serta benda-benda padat lainnya

agar tidak terikut kedalam hisapan pompa yang tentunya dapat mengganggu

kinerja kondensor bahkan kerusakan pada peralatan.

Gambar 2.9 Kondensor [11]

2.3.3. Mesin Pendingin (cooler)

Cooler, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan cairan atau

gas dengan mempergunakan air sebagai media pendingin. Disini tidak terjadi

perubahan fasa, dengan perkembangan teknologi dewasa ini maka pendingin coler

mempergunakan media pendingin berupa udara dengan bantuan fan (kipas).

sebuah sistem yang akan membantu proses pendinginan mesin, karena disaat

mesin melakukan pembakaran maka akan menghasilkan kalor yang semakin lama

akan semakain besar. Jika tidak didinginkan maka resikonya akan terjadi

overheat.

Gambar: 2.10 Mesin Pendingin (cooler) [11]

Universitas Sumatera Utara

Page 40: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

19

2.3.4 Evaporator ( Pipa Penguap )

Evaporator adalah pipa yang berfungsi sebagai penguapan. Zat cair yang

berasal dari pipa kondensor masuk ke evaporator lalu berubah wujud menjadi gas

dingin karena mengalami penguapan. Selanjutnya refrigerant tersebut mampu

menyerap kondisi panas yang ada dalam ruangan mesin pendingin. Selanjutnya

gas yang ada dalam evaporator akan mengalir menuju kompresor karena terkena

tenaga hisapan. Demikian terus menerus sirkulasi refrigerant dan perubahannya

dalam rangkaian mesin pendingin. menambahkan kalor atau panas yang bertujuan

untuk memekatkan suatu larutan yang terdiri dari zat pelarut yang memiliki titik

didih yang rendah dengan pelarut yang memiliki titik didih yang tinggi sehingga

pelarut yang memiliki titik didih yang rendah akan menguap dan hanya

menyisahkan larutan yang lebih pekat dan memiliki konsentrasi yang tinggi.

Gambar : 2.11 Evaporator ( Pipa Penguap ) [11]

2.4. BILANGAN REYNOLDS (Reynolds Number)

Bilangan Reynold digunakan sebagai kriteria untuk menunjukkan aliran

fluida itu laminer dan turbulen. Untuk bilangan Re < 2300 dikatakan aliran

laminar; Re > 2300 dikatakan aliran turbulen. Bilangan reynolds (reynolds

number). Dalam mekanika fluida, bilangan reynolds adalah rasio antara gaya

inersia (vsρ) terhadap gaya viskos (μ/L) yang mengkuantifikasikan hubungan

kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini digunakan

untuk mengidentikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya laminar , turbulen

atau transisi. Namanya diambil dari Osborne reynolds (1842–1912) yang

mengusulkannya pada tahun 1883.Bilangan Reynold merupakan salah satu

bilangan tak berdimensi yang paling penting dalam mekanika fluida dan

digunakan, seperti halnya dengan bilangan tak berdimensi lain, untuk memberikan

kriteria untuk menentukan dynamic similitude. Jika dua pola aliran yang mirip

Universitas Sumatera Utara

Page 41: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

20

secara geometris, mungkin pada fluida yang berbeda dan laju alir yang berbeda

pula, memiliki nilai bilangan tak berdimensi yang relevan, keduanya disebut

memiliki kemiripan dinamis.

Dari percobaan di atas, ditemukan rumus yang kemudian di kenal dengan sebutan

:

Rumus bilangan reynolds umumnya diberikan sebagai berikut:

...........................................(2.16)

dengan :

V = Kecepatan aliran (m/dt)

D = Diameter pipa (m)

ρ = massa jenis fluida air (kg/m3)

Di = diameter dalam pipa

V = μ/ρ = Kekentalan kinematik (m2/dt) , (untuk air dengan t = 20 C, V = 10-

6 m2/dt)

Re < 2000 = Aliran Laminer

2000 < Re < 4000 = Aliran Transisi

Re > 4000 = Aliran Turbulen

Batas Kritis bawah & atas adalah Re antara 2000 dan 4000

dimana: Re–bilangan renolds

U – kecepatan fluida,

d – diameter pipa,

μ – viskositas absolut fluida dinamis,

ν – viskositas kinematik fluida: ν = μ / ρ,

ρ – kerapatan (densitas) fluida

Gambar: 2.12 Kecepatan Aliran Fluida [11]

Universitas Sumatera Utara

Page 42: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

21

fluida datang dari sebelah kiri dengan kecepatan tak hingga, kurang lebih

profil kecepatan alirannya seperti ditunjukkan gambar diatas. Cara membacanya

adalah, garis profile tersebut merupakan gabungan dari beberapa titik sehingga

membentuk garis profile. Pada titik paling atas, nilai kecepatan aliran fluida (u)

nya adalah sebesar 0.99 kali nya kecepatan fluida tak hingga yang masuk dari

sebelah kiri. Kecepatan pada titik atas lebih besar dari titik bawah, disebabkan

aliran fluida pada titik bawah mengalami loses akibat gesekan dengan dinding.

Diatas titik tersebut,nilai kecepatan nya adalah tak hingga. Dengan definisi

tersebut, kita akan kesulitan menganalisa nya jika nilai kecepatan aliran yang

masuk

juga tak hingga, maka boundary layer tersebut dibatasi menjadi 0.99 kali.

Sumber: 2.13 Proses Fully developed turbulent velocity [11]

konsep boundary layer tersebut menjadi boundary layer fully developed.

Gambar diatas adalah profile kecepatan fluida dari gabungan boundary layer

bagian atas dan bagian bawah. Artinya boundary layer fully developed adalah

perkembangan penuh dari boundary layer. Pada awalnya profile kecepatan aliran

akan membentuk katakanlah seperti trapesium, dan pada akhirnya profile

kecepatan akan berubah menjadi kurang lebih setengah lingkaran. Untuk

meninjau kecepatan aliran fully developed kita akan gunakan persamaan Hagen-

Poiseuille. Jenis dan Karakteristik Fluida

Hal yang berhubungan dengan jenis dan karakteristik aliran fluida yang

dimaksudkan di sini adalah profil aliran dalam wadah tertutup (pipa umumnya).

Profil aliran dari fluida yang melalui pipa, akan dipengaruhi oleh gaya momentum

fluida yang membuat fluida bergerak di dalam pipa, gaya viscous (gaya gesek)

Universitas Sumatera Utara

Page 43: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

22

yang menahan aliran pada dinding pipa dan fluidanya sendiri (gesekan internal)

dan juga dipengaruhi oleh belokan pipa, valve sebagainya.

Jenis aliran fluida terbagi dalam 2 bagian yaitu aliran laminar dan aliran

turbulen. Aliran laminar didefinisikan sebagai aliran fluida yang bergerak dalam

lapisan-lapisan atau lamina-lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar

pada lapisan yang bersebelahan dengan saling bertukar momentum secara

molekuler saja. Kecenderungan ke arah ketidakstabilan dan turbulensi diredam

habis oleh gaya-gaya geser viskos yang memberikan tahanan terhadap gerakan

relatif lapisan-lapisan fluida yang bersebelahan. Dalam aliran turbulen, partikel-

partikel fluida bergerak dalam lintasan-lintasan yang sangat tidak teratur, dengan

mengakibatkan pertukaran momentum dari satu bagian fluida ke bagian fluida

yang lain. Aliran turbulen dapat berskala kecil yang terdiri dari sejumlah besar

pusaran-pusaran kecil yang cepat yang mengubah energi mekanik menjadi

ketidakmampubalikan melalui kerja viskos, atau dapat berskala besar seperti

pusaran-pusaran besar yang berada di sungai atau hempasan udara. Pusaran-

pusaran besar membangkitkan pusaran-pusaran yang kecil yang pada gilirannya

menciptakan turbulensi berskala kecil. Aliran turbulen berskala kecil mempunyai

fluktuasi-fluktuasi kecil kecepatan yang terjadi dengan frekuensi yang tinggi.

Pada umumnya, intensitas turbulensi meningkat dengan meningkatnya Bilangan

reynolds. Aliran akan mengalami proses transisi dari aliran laminar ke aliran

turbulen sebelum aliran tersebut turbulen. Pada aliran internal, aliran transisi dari

aliran laminar ke aliran turbulen.

Adapun tinjauan umum dari aliran dan turbulen dari Osborne reynolds

(1842-1912), ilmuwan dan ahli matematika Inggris, adalah orang yang pertama

kali membedakan dan mengklasifikasikan dua aliran ini dengan menggunakan

peralatan sederhana seperti yang ditunjukkan pada Gambar Aliran laminar terjadi

pada partikel-partikel (massa molar yang kecil) fluida bergerak dalam lintasan -

lintasan yang sangat tidak teratur, yang mengakibatkan pertukaran momentum

dari satu bagian ke bagian lainnya.

Universitas Sumatera Utara

Page 44: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

23

Gambar: 2.14 Perbedaaan antara aliran laminar, transisi, dan turbulen [11]

Untuk mengetahui jenis aliran fluida dilakukan dengan apa yang disebut

dengan bilangan reynolds (Re). Besarnya bilangan reynold yang terjadi pada suau

aliran dalam pipa dapat menunjukkan apakah profil aliran tersebut luminer atau

turbulen. Biasanya angka Re<2000 merupakan batas aliran laminer dan angka

lebih besar dari Re >4000 dikatakan aliran turbulen. Sedangkan Rd diantara

keduanya dinyatakan sebagai aliran transisi. Karakteristik lain yang

mempengaruhi pengukuran laju aliran adalah temperatur dan tekanan fluida

tersebut, khususnya bila fluida tersebut adalah fluida gas. Hal ini disebabkan

karena massa jenis (ρ) fluida gas sangat dipengaruhi oleh kedua besaran yang

disebutkan diatas. Jenis aliran fluida didalam pipa tergantung pada beberapa

faktor, yaitu:

dengan:

a. Kecepatan fluida

v didefinisikan besarnya kecepatan aliran yang mengalir persatuan luas:

v = Q/A [m/detik].............................................(2.17)

dengan : v = kecepatan fluida (m/s)

Q = laju perpindahan panas (W)

A = luas penampang tegak lurus bidang (m2)

Diagram moody yang digunakan untuk menetukan nilai fatkor gesekan

diagram sangat bermanfaat untuk menghitung aliran yang terjadi pada suatu pipa,

sejujurnya saja sangat susah untuk menghitung nilai friction didalam pipa, apalagi

bila pipa tersebut mempunyai panjang yang lumayan, sehingga perbandingan

antara diameter dan panjang pipa sangatlah kecil. cara yang paling mudah adalah

dengn pembacaan melalui moody diagram, tanpa mengetahui dengan pasti nilai

dari kekasaran pipa, kita dapat memperkirakan dengan mudah melalui pembacaan

Universitas Sumatera Utara

Page 45: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

24

diagram ini. Untuk mencari head loss pada pipa karena gesekan dapat dihitung

dengan. Diagram Moody memberikan faktor gesekan pipa. Faktor ini dapat

ditentukan oleh bilangan Reynold dan kekasaran relatif dari Pipa. Di dekat dinding

kalor adanya daoat mengalir dengan cara konduksi karena partikel-partikel fluida

tidak bergerak relatif terhadap batas. Lebih jauh dari dinding, gerakan fluida tidak

bergerak relatif terhadap batas. Lebih jauh dari dinding, gerakan fluida membantu

transport energi itu dan gardien suhu akan kurang curam, dan akhirnya menjadi

rata di aliran utama

Gambar: 2.15 Diagram Moldy

Universitas Sumatera Utara

Page 46: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

25

Menggunakan Diagram Moody adalah untuk memperoleh nilai gesekan

pipa (f) dan dapat dilakukan dengan mengetahui beberapa parameter seperti

berikut Perpindahan kalor antara batas padat pada fluida terjadi karena adanya

suatu gabungan dari konduksi dan pengantar massa. Kecepatan perpindahan

energi bergantungan pada gerakan masa. Kecepatan perpindahan energi

bergantungan pada gerakan pencampuran partikel-partikel fluida. Untuk

memindahkan kalor dengan cara konveksi melalui fluida pada laju tertentu

diperlukan gradien suhu yang lebih besar di daerah dimana kecepatan rendah

daripada di daerah dimana kecepatan tinggi.

Dengan menerapkan pengamatan-pengamatan kualitatif ini pada

perpindahan kalor dari dinding padat ke fluida, kita dapat menggambarkan profil

suhunya secara kasar. Di dekat dinding kalor adanya dapat mengalir dengan cara

konduksi karena partikel-partikel fluida tidak bergerak relatif terhadap batas.

Lebih jauh dari dinding, gerakan fluida tidak bergerak relatif terhadap batas.

Lebih jauh dari dinding, gerakan fluida membantu transport energi itu dan gardien

suhu akan kurang curam, dan akhirnya menjadi rata di aliran utama. Gambar

dibawah ini menunjukkan aliran udara melewati sudu-sudu pipa berelok.

Distribusi suhu yang ditunjukan dalam gambar ini menggambarkan permikiran-

pemikiran diatas secara kualtitatif.

Pembahasan diatas mengarah pada mengarah pada suatu cara untuk

menentukan laju perpindahan kalor antara dinding padat dan fluida, karena pada

bidang antara (yaitu pada y = 0) kalor mengalir hanya dengan cara konduksi,

maka laju aliran kalor dapat di hitung dari persamaan :

........................................................(2.17)

dengan :

A= luas penampang dari setiap saluran (m2)

d = diamter pipa (m)

2.5. Isolasi Panas

Isolasi berfungsi untuk mencegah kehilangan panas alat penukar kalor

pipa-pipa yang bersuhu panas dan sekelilingnya yang suhunya lebih rendah atau

sebaliknya. Untuk alat penukar kalor dengan suhu rendah, Untuk alat penukar

Universitas Sumatera Utara

Page 47: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

26

kalor dengan suhu rendah, isolasi befungsi untuk mencegah masuknya panas

karena suhu sekitarnya lebih tinggi. Isolasi dapat juga dapat menjaga suhu

didalam agar tidak keluar. Semakin tebal isolasi, maka semakin sedikit panas yang

hilang. Bahan isolasi panas yang baik memiliki ciri-ciri sebagai berikut

1. Daya hantar panas rendah

2. Dapat menahan arus konveksi

3. Disesuaikan dengan suhu

Biasanya digunakan sebagai bahan isolasi beserta konduktivitas termalnya

Tabel 2.3 konduktivitas termal bahan isolasi [6]

Magnesit 4.15

Bahan Konduktivitas Termal (W/moK)

Magnesit 4.15

Marmar 2.08-2.94

Batu pasir 1.83

Alumanium foil kraft paper 0.037

Wol kaca 0.038

Kayu, maple atau EK 0.17

Dari tabel diatas dapat dilihat konduktivitas termal material yang

digunakan sebagai bahan isolasi adalah material yang memiliki konduktivitas

termal yang rendah

2.6. Efektivitas Penukaran Kalor dengan Metode ε-NTU(Efektivitas –

number Tranfer of Unit)

Metode log mean temperature difference dalam menganalisis penukaran

kalor berguna bila suhu fluida masuk dan suhu fluida keluar diketahui atau dapat

ditentukan dengan mudah, sehingga LMTD dapat dihitung dan aliran kalor, luar

permukaan, serta koefisian perpindahan panas dapat dihitung. Namun apabila

hanya temperatur fluifa masuk saja yang diketahui maka metode tidak dapat

keefektifan NTU. Dimana metode efektivitas ini mempunyai beberapa

keuntungan untuk menganalisis permasalahan dimana kita harus membandingkan

berbagai jenis penukaran kalor demi memilih jenis yang terbaik untuk

melaksanakan suatu tugas perpindahan kalor tertentu. perpindahan panas

Universitas Sumatera Utara

Page 48: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

27

pada penukar panas (saat penukar counter khususnya) bila ada informasi yang

cukup untuk menghitung Log-rata-rata Suhu Selisih.

Q =

............................................................ (2.18)

dengan rumus:

Q = debit aliran

= Laju aliran masa fluida

Dalam analisis penukar panas, jika inlet fluida dan temperatur outlet

ditetapkan atau dapat ditentukan oleh keseimbangan energi sederhana, metode

LMTD dapat digunakan, tetapi ketika suhu tidak tersedia NTU atau Metode

Efektivitas digunakan. Untuk menentukan efektivitas dari penukar panas kita

perlu menemukan perpindahan panas maksimum yang mungkin yang dapat

diduga dicapai dalam penukar panas kontra-aliran panjang tak terbatas. Oleh

karena itu salah satu cairan akan mengalami perbedaan suhu maksimum yang

mungkin, yang merupakan perbedaan Thi-Tci ( Perbedaan suhu antara suhu masuk

dari arus panas dan suhu inlet aliran dingin ).Hasil metode dengan

menghitung harga kapasitas panas (laju aliran massa yaitu dikalikan dengan panas

spesifik ) Ch untuk cairan panas dan dingin masing-masing, dan yang

menunjukkan yang lebih kecil sebagai Cmin . Alasan untuk memilih tingkat

kapasitas panas yang lebih kecil adalah untuk menyertakan perpindahan

panas layak maksimum antara cairan bekerja selama perhitungan.

Qmaksinal=Cmin(Thi-Tc), ..........................................(2.19)

kemudian ditemukan, dimana Qmax adalah panas maksimum yang dapat

ditransfer antara cairan. Menurut persamaan di atas, untuk mengalami

perpindahan panas maksimum kapasitas panas harus diminimalkan karena kita

menggunakan perbedaan suhu maksimum mungkin. Hal ini membenarkan

penggunaan Cmin dalam persamaan. Efektivitas ( ), adalah rasio antara tingkat

perpindahan panas yang sebenarnya dan transfer rate mungkin panas maksimum:

( )

( ( )...................................................(2.20)

syarat penentukan efektivitas

bila Ch=Cmin,

maka

Universitas Sumatera Utara

Page 49: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

28

bila Cc=Cmin,

maka =

.................................................(2.21)

dimana

Ch= .....................(2.22)

Cc dan Ch adalah kapasitas panas fluida dingin dan kapasitas panas fluida

panas. Keefektivitas sebuah alat penukar kalor bergantungan pada bentuk ukuran

alalt penukar kalor dan arah aliran yang terjadi. Oleh karena itu persamaan tipe

pada alat penukar kalor akan menghasilkan persamaan keefektivitas yang berbeda.

J.P Holman menulis persamaan untuk menentukan efektivitas persamaan diatas

juga dapat digunakan dalam penentuan untuk hasil pengukuran dengan

menggantikan Tout dengan yang diperoleh dari pengukuran. Untuk efektifitas dari

sisi aliran terpisah , maka persamaan yang digunakan adalah :

( ) ( )

( )................................(2.23)

Oleh karena itu dari persamaan diatas maka untuk menghitung efektifitas

terlebih dahulu kita harus mencari nilai C1 dengan menggunakan persamaan

sebagai berikut :

( ).....................................................(2.24)

dimana :

ṁ = Laju aliran massa

Cp = Panas jenis fluida

dengan persamaan – persamaan diatas maka kita dapat menentukan nilai

efektifitas dari alat penukar kalor tersebut.

Gambar: 2.16 efektivitas untuk aliran sejajar (Pararel Flow) [7]

Universitas Sumatera Utara

Page 50: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

29

Selain dari persamaan diatas dapat ditentukan melalui grafik yang

menunjukkan hubungan tersebut, berikut adalah grafik hubungan efektivitas

sebagai fungsi NTU dan c untuk semua jenis APK. Grafik yang menunjukan

aliran sejajar alat penukar kalor tipe tabung terpusat. Dalam menjelaskan

efektivitas dari sebuah penukaran panas pertama – pertama harus ditentukan laju

perpindahan panas maksimum yang mungkin pada penukaran panas, qmaks.

Perpindahan panas ini dapat dicapai oleh penukaran searah yang mempunyai

panjang tak terhingga.

2.7. Analisa Penukar Panas Aliran yang Searah dan Berlawanan

2.7.1 Penukar Panas Aliran searah

Model matematika dari sistem APK tersebut , seperti yang digambarkan pada

Gambar dibawah. Terdiri dari tiga tabung konsentris. Seperti yang ditunjukkan

pada Gambar,aliran fluida dingin masuk ke perpindahan panas dengan suhu =

= , sedangkan suhu fluida panas masuk ke exchanger di x = L, dengan suhu

inlet seragam =

Gambar 2.17 model matematika Counter flow

Keefetifan penukar panas definisi sebagai pendingin dari tingkat transfer

panas yang sebenarnya ke transfer panas yang maksimum [7-12] karena adanya

tiga fluida terlibat dalam penuar panas tabun. Jelas terpisah keefektifan untuk

setiap aliran fluida dan keefektifan keseluruhan untuk perpindahan panas harus

didefinisikan mengikuti sistim fisik dan nomenklatur yang ditunjukkan pada

gambar 2.19 Pipa triple konsentrik

Hubungan rumus pada saluran pipa dengan persamaan rumus 2.19

diperoleh dengan dibawah ini

( ) ( ) ( ) ......................(2.25)

Universitas Sumatera Utara

Page 51: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

30

Dimana aliran adalah kecepatan transfer panas actual untuk

aliran cairan 1, 2 dan 3 masing-masing dan dapat dihitung dari

( ) .........................................(2.26)

( ).......................................(2.27)

( ) ........................................(2.28)

dengan : = Kecepatan transfer panas aktual (watt)

Ci = Laju Kapasitas panas aliran dalam saluran i (W/oK)

Jika suhu diketahui disamping suhu inlet tingkat perpindahan panas

maksimum yang mungkin untuk aliran dapat diberikan sebagai berikut

( ) ( )....................................(2.29)

( ) ( )....................................(2.30)

( ) ( )....................................(2.31)

dimana C1 = ( ) menunjukan tingkat kapasitas panas dari saluran fluida

terdalam dan Cmin adalah kapasitas minimum untuk perpindahan panas yang

didefenisikan dalam bentuk berikut

{ ( )

( )+ ( ( ) ..................(2.32)

Subsitusikan dari ekspresi masing-masing dari persamaan 2.25 – 2.32

kedalam persamaan menghasikan ekspresi berikut untuk efektivitas

{

+

.........(2.33)

dengan:

= Efektivitas masing-masing aliran fluida

= Keefektivitas utama untuk seluruh perpindahan panas

Jika temperatur outlet ditentukan selain suhu inlet yang diketahui ekspresi

diatas untuk keefektivitas berharga untuk tujuan desain, namun pada umumnya

suhu saluran keluar tidak diketahui, untuk alasan ini bagaimana juga keefektivitas

harus dinyatakan dalam tingakt kapasitas panas (C1, C2 dan C3 ) dari tiga aliran

Universitas Sumatera Utara

Page 52: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

31

fluida dan jumlah unit transfer yang ditentukan secara tetap ( N1, N2, dan N3 )

untuk tujuan ini volume control diferensial dari panjang persamaan 2.32 dan

keseimbangan energi keadaan normal diterapkan untuk mendapatkan hubungan

dibawah ini:

= ∫

, = ∫

, ........................(2.34)

Dimana tingkat transfer panas deferensial d dan d didefinisikan sebagai :

d ( - ) d d ( - ) d .......................(2.35)

Menggunakan parameter mondimensional dan temperatur analisis lengkap

yang ditentukan dengan persamaan 2.26 - 2.31 dibentuk dengan intergreal berikut

tingkat transfer panas yang sebenarnya diperoleh:

∫ ( )

∫ ( )

..........(2.36)

Dan menggabungkan hasil intergral dengan persamaan 2.25 – 2.32

efektivitas analisis NTU untuk pengaturan aliran searah diperoleh hubungan yang

dihasilkan bersama dengan fungsi temperatur non-demensi yang digunakan

dengan interasi dan parameter lainnya yang tersebut aliran dalam bagian berikut.

Dalam refrensi 2.25-2.32 ekspresi temperatur nondimensional diberikan

untuk semua kemungkinan kemungkinan diskriminan yaitu untuk >0 dan =0,

itu secara matematis dapat ditampilkan untuk sistem fisik yang sedangkan

dipertimbangkan untuk alasan ini dalam memperoleh hubungan efektivitas –NTU

untuk singkatnya menggunakan definisi berikut :

= ( ) = ( ) = ( ) ...................................(2.37)

= 2π L = 2π L Δ = - .............(2.38)

dan parameter dibawah nondimensional :

X=

=

=

=

............(2.39)

untuk mencari perbandingan temperature suhu dingin:

=

=

..................(2.40)

dengan :

Cr = Ratio Kapasitas Kalor

C= kalor W/K

Universitas Sumatera Utara

Page 53: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

32

=

=

......................(2.41)

N = Bilangan NTU (Number Transfer Unit)

dengan:

dimana dan

didefinisikan sebagai berikut :

( ) ( )

= ( ) ( )

........(2.42)

Persamaan keseimbangan energi yang mengatur dapat disederhanakan

menjadi tiga persamaan ringkat berikut :

+ (1- ) - =0………………………..(2.43)

+ (1- ) - =0………………………..(2.44)

= + ……………………………..(2.45)

dengan : = diameter Koefesien pada pipa

Dengan mengeleminasikan dan masing masing dari persamaan ke

2.35 dan 2.36 maka kita memperoleh persamaan diferensial untuk fluida dingin

yaitu :

+ A

+ B = 0……………………………..(2.46)

+ A

+ B = 0……………………………(2.47)

dimna koefisien A dan B didefinisikan sebagai berikut :

A =N1 + N3 + N2...................................................(2.48)

dengan :

B = [1-( + ) .....................................(2.49)

Pada perhitungan , menggunakan persamaan pada persamaan pada 2. 48-

2.49 berikut :

+ Aλ + B = 0 ...............................................(2.50)

dimana dan adalah akar akar yang memiliki nilai – nilai :

= √

=

................(2.51)

Universitas Sumatera Utara

Page 54: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

33

= Ratio kapasitas panas

dimana dan diperoleh

F1 = -[N1(1+Cr1)+N3Cr3] , F2 = -[N1 Cr1 + N3 Cr3] , F1 = [ N1 Cr1 + N3

(1+Cr1)]..(2.52)

dimana F merupakan sebuah penyederhanaan dari persamaan di atas,

Distribusi temperature fluida panas disepanjang APK kemudian

diperoleh dengan substitusi dari dan kepersamaan 2.35, 2.41 dan 2.43 dan

melalui integrasi persamaan dari X= 0 ke X maka persamaan tersebut menjadi :

( )

,( )

( ) -,.................(2.53)

( )

,( )

( ) -

Dalam analisis penukar panas, masalah disebut sebagai masalah desain,

jika perancang menghadapi pertanyaan tentang apa ukuran exchanger; , ,

L,haruslah untuk mencapai kondisi outlet yang diinginkan. Jika temperature fluida

panas telah diketahui dan juga nilai maka untuk persamaan 2.31 untuk nilai X=

1 pada (X)=1

Solusi persamaan diatas menghasilkan persamaan baru untuk suhu keluar

dari fluida panas dan fluida dingin yaitu lebih lanjut, jika mendapatkan suhu

saluran keluar dari tiga aliran dalam bentuk dimensi maka, mendapatkan

persamaan berikut dengan mentransformasikan persamaan efektivitas diatas

dengan menggunakan persamaan 2.25- 2.53 dengan mengunakan penyelesain

dengan bilangan numerik diperoleh sebagai berikut :

*( )[( ) - ( )[(

) -+ ........(2.54)

.......................................................(2.55)

*( )[( ) - ( )[(

) -+ ...........(2.56)

Adapun aliran solusi persamaan meghasilkan persamaan untuk suhu keluar

dari dluida panas dan fluida dingin didapat suhu keluar dari tiga aliran dalam

bentuk dimensi dan mendapatkan persamaan berikut dengan mengtransformasikan

persamaan efektivitas

2.7.2 Penukar Panas Aliran Berlawanan

Universitas Sumatera Utara

Page 55: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

34

Gambar :2.18 Aliran Berlawanan

Keefetifan penukar panas definisi sebagai pendingin dari tingkat transfer

panas yang sebenarnya ke transfer panas yang maksimum [7-12] karena adanya

tiga fluida terlibat dalam penuar panas tabun. Jelas terpisah keefektifan untuk

setiap aliran fluida dan keefektifan keseluruhan untuk perpindahan panas harus

didefinisikan mengikuti sistim fisik dan nomenklatur yang ditunjukkan pada

gambar 2.29 Pipa tripel konsentrik

Secara numerik dapat ditampilkan untuk sistem fisik yang sedangkan

dipertimbangkan untuk alasan ini dalam memperoleh hubungan efektivitas –NTU

untuk singkatnya menggunakan definisi berikut :

= ( ) = ( ) = ( ) ...................................(2.57)

= 2π L = 2π L Δ = - .............(2.58)

dan parameter dibawah nondimensional :

X=

( )=

( ) ( )

( )=

( ) ( )

=

............(2.59)

untuk mencari perbandingan temperatur suhu dingin:

=

=

..................(2.60)

dengan :

Cr = Ratio Kapasitas Kalor

C= kalor W/K

=

=

......................(2.61)

N = Bilangan NTU (Number Transfer Unit)

dengan:

dimana dan

didefinisikan sebagai berikut :

( ) ( )

= ( ) ( )

........(2.62)

Universitas Sumatera Utara

Page 56: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

35

Persamaan keseimbangan energi yang mengatur dapat disederhanakan

menjadi tiga persamaan ringkat berikut :

+ (1- ) - =0………………………..(2.63)

+ (1- ) - =0………………………..(2.64)

= + ……………………………..(2.65)

dengan :

= diameter Koefesien pada pipa

Dengan mengeleminasikan dan masing masing dari persamaan ke

2.35 dan 2.36 maka kita memperoleh persamaan diferensial untuk fluida dingin

yaitu :

+ A

+ B = 0……………………………..(2.66)

+ A

+ B = 0……………………………(2.67)

dimna koefisien A dan B didefinisikan sebagai berikut :

A =N1 + N3 - N2...................................................(2.68)

dengan :

B = [1-( + ) .....................................(2.69)

Pada perhitungan , menggunakan persamaan pada persamaan pada 2.68-

2.69 berikut :

+ Aλ + B = 0 ...............................................(2.70)

dimana dan adalah akar akar yang memiliki nilai – nilai :

= √

=

................(2.71)

= Ratio kapasitas panas

dimana dan diperoleh

F1 =N2 – N1, F2 = N2 – N1, F3=N2 – N3............................(2.72)

dimana F merupakan sebuah penyederhanaan dari persamaan di atas,

dengan mencari dengan menggukanan persamaan 2.39

Universitas Sumatera Utara

Page 57: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

36

Distribusi temperature fluida panas disepanjang APK kemudian

diperoleh dengan substitusi dari dan kepersamaan 2.35, 2.41 dan 2.43 dan

melalui integrasi persamaan dari X= 0 ke X maka persamaan tersebut menjadi :

( )

,( )

( ) -,.................(2.73)

( )

,( )

( ) -

Dalam analisis penukar panas, masalah disebut sebagai masalah desain,

jika perancang menghadapi pertanyaan tentang apa ukuran exchanger; , ,

L,haruslah untuk mencapai kondisi outlet yang diinginkan. Jika temperature fluida

panas telah diketahui dan juga nilai maka untuk persamaan 2.31 untuk nilai X=

1 pada (X)=1

Solusi persamaan diatas menghasilkan persamaan baru untuk suhu keluar

dari fluida panas dan fluida dingin yaitu lebih lanjut, jika mendapatkan suhu

saluran keluar dari tiga aliran dalam bentuk dimensi maka, mendapatkan

persamaan berikut dengan mentransformasikan persamaan efektivitas diatas

dengan menggunakan persamaan 2.57- 2.73 dengan mengunakan penyelesain

dengan bilangan numerik diperoleh sebagai berikut :

*,( )[( ) - ( )[(

) -+ ,

- ..........................................................(2.74)

( )

.................................................(2.75)

*( )[( ) - ( )[(

) -+ ,

...............................................................(2.76)

Universitas Sumatera Utara

Page 58: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

37

BAB III

METOLOGI PENELITIAN

3.1 Desain Penelitian

Penukar kalor yang penelitian untuk digunakan dalam pengerjaan adalah

metode eksperimen dan merupakan penelitian kualitatif yaitu memaparkan secara

jelas hasil eskperimen dilaoratorium terhadap variabel yang sebelumnya telah di

tentukan, dengan tujuan untuk mengalanisa nilai efektivitas yang diperoleh alat

penukar kalor tipe tabung pipa triple concentric dengan tiga tabung dua laluan

sebagai air pendigin dan air panas. Fluida yang digunakan air berasal dari air

PDAM sebagai penelitian yang digunakan.

3.2 Lokasi

Tempat penelitian merupakan lokasi pengerjaan penelitian guna

membuktikan kebenaran dari penelitian. Perpindahan panas pada alat penukar

kalor tipe tabung pipa triple concentric tube akan dilakukan di Laboratorium

Motor Bakar di Departemen Teknik Mesin S2, Universitas Sumaera Utara, setelah

di dapat data hasil penelitian maka dilakukan pengolahan data dari hasil

penelitian. Kondisi lingkungan pada waktu pengujian diperkirakan bertemperatur

26-31oC

3.3 Waktu Penelitian

Waktu penelitian selama 7 hari yaitu pada tanggal 1 Febuari sampai

dengan 8 Febuari 2018 setelah di dapat data hasil penelitian maka dilakukan

pengolahan data dari hasil penelitian

3.4 Alat dan Bahan

Pada tahap ini dilakukan pencarian dan pengumpulan bahan bahan

diperlukan dalam pengkostruksi alat penukar kalor. Alat –alat dan bahan

diperlukan dalam pengkonstruksi alat penukar kalor. Pada penelitian ini variable

bebas yaitu Tout dari ketiga pipa , sedangkan variable terikat yaitu Tin pada ketiga

pipa

3.4.1 Alat

Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut

a. Termometer

Universitas Sumatera Utara

Page 59: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

38

Untuk mengetahui suhu temperatur fluida pada air panas maupun air

dingin Yang dinginkan sebelum melukan pengujian

Tipe : Termometer Alkohol

Suhu : -1oC -78

oC

Gambar 3.1 Termometer

b. Termokopel

Termokopel tipe k, kemudian diolah oleh software Install dan Tracerdaq

di Komputer. Adapun gambar Data acquisition. Termokopel digunakan untuk

sebagai alat sensor yang di hubungkan ke kolparmar sebagai media membaca

dihubungkan komputer

Tipe : Thermocopule type T

Jangkauan pengukuran : -40 sampai 350oC

Toleransi : ± 0,75%

Gambar 3.2 Termokapel

c. Cole-Parmer

cole-parmer untuk mengetahui suhu temperatur fluida air masuk dan

fluida air keluar sebagai alat penukar kalor di berbagai enam titik untuk

Universitas Sumatera Utara

Page 60: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

39

mengetahui suhu dua titik fluida masuk air dingin dan satu titik fluida masuk air

panas dan dua titik fluida keluar air dingin dan satu keluar fluida air panas

kemudian diolah oleh software Install dan Tracerdaq di Komputer. Adapun

gambar Data acquisition. Module type 18200-400

Gambar 3.3 cole-parmer

Spesifikasi:

1. Meter Measurement Type Thermocouple

2. Types Of Probes Acceted Type F, Type J. Type K, Type T

3. Min Temperature (oF) -418

4. Max Temperature (oF) 2501

5. Min Temperature (oC) -251

6. Max Temperature (oC) 1372

7. Resolution 0,1o:1

o below =1500

oC

8. Width 61/8

9. Koneksivitas USB

10. Input Temperatur 7 Channel

11. Model Cole-Parmer 18200-40

d. Flowmeter

PAlat ukur ini berfungsi untuk mengukur besar kapasitas aliran yang

terjadi pada tabung sebagai laju aliran fluida air panas dan laju aliran fluida air

dingin sebelum pengujian berlangsung.

Spesifikasi :

Universitas Sumatera Utara

Page 61: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

40

Model : Jenis flowmeter vertikal

Satuan : LPM (Liter Per Menit) atau GPM( Galon Per Menit)

Debit : 1 s/d 15 LPM atau 0.5 s/d 5 GPM

Gambar 3.4 Flowmeter

e . Alat Pemanas (heater water)

Alat ini berfungsi untuk mengatur temperatur fluida panas yang masuk

kedalam APK agar tetap pada temperatur yang diinginkan sebagai fluida panas

yang akan diiginkan Sebelum percobaan dilakukan. Ini gambar alat pemanas

(heater water)

Spesifikasi :

1. Elemen Pemanas Air / Water Heater 1000 W

2. Dayaa 1000 Watt

Ukuran kemasan 28 cm x 4.5 cm x 4.5 cm

Gambar 3.5 Alat Pemanas (water heater)

f. Pompa Aquarium

Penelitian ini terdapat dua pompa yang digunakan yaitu pompa fluida air

panas dan pompa fluida air dingin. Pompa ini berfungsi untuk mengalirkan kedua

fluida baik melalui pipa konsentrik dengan aliran yang diatur melalui pompa

sesuai dengan yang dinginkan. Dari gambar pompa digunakan dalam penelitian

Universitas Sumatera Utara

Page 62: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

41

analisis keefektivan alat penukar kalor pipa konsentrik tube. Berikut adalah

gambar pompa fluida yang digunakan.

Gambar 3.6 Pompa Fluida

Spesifikasi:

1. Power 6 watt

2. Height max 0.5 meter

3. Max output 1200 L/H

Alat penukar kalor yang digunakan dalam penelitian ini adalah alat

penukar kalor tiga saluran aliran terbagi menggunakan pipa tembaga dengan tiga

saluran terbagi menggunakan pipa tembaga dengan diameter pipa 1

=0.0127 m, diameter pipa 2 = 0.0254 m dan diameter Pipa 3 = 0.04

m dengan panjang 1,3 meter, kemudian agar meminimalisir masuknya udara

kedalam pipa diameter 0,3 mm

Gambar : 3.7 Tiga lapis tabung konsentris

Universitas Sumatera Utara

Page 63: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

42

Pengujian dilakukan denga memberikan aliran fluida laminar.

Gambar 3.8 APK tipe tiga saluran pipa konsentrik

3.4.2 Bahan

Pada penelitian ini digunakan air PDAM yang terlebih dahulu ditampung

dalam wadah penampungan berupa ember. Pada penelitian ini dilakukan pada

pagi dan sore hari antara pukul 08.00 s/d 16.00 WIB. Air tersebut akan digunakan

sebagai penelitian dengan air dingin dan air panas. Suhu Air lingkuran mencapai

sekitar 27oC yang air digunakan pada suhu 25

oC untuk menerunkan air digunakan

es batu untuk media pendingin dan pada air panas akan digunakan media alat

pemanas (heater water) untuk mencapai suhu yang diinginkan suhu 50oC, suhu

55oC dan suhu 60

oC [14] dengan sesuai laju aliran digunakan. Sedangkan untuk

sifat-sifat fisik air bisa dilihat pada tabel properties air dilihat pada lampiran

3.5 Metode Pengumpulan Data

Percobaan ini merupakan proses pemansangan yang terjadi pada APK oleh

karena itu pada pengumpulan data yang dilakukan temperatur fluida panas yaitu

dengan 3 variasi pada suhu 50oC, 55

oC dan 60

oC sedangkan temperatur fluida air

dingin yaitu air masuk APK adalah konstan yaitu 25oC.

Universitas Sumatera Utara

Page 64: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

43

3.6 Skema alat pengujian APK dengan konfigurasi aliran searah (Pararel

Flow)

Berikut ini adalah proses yang dilakukan dalam pengujian alat penukar

kalor ada tiga aliran terbagi

Gambar 3.9. Skema alat pengujian APK dengan konfigurasi aliran searah (Pararel

Flow)

Gambar 3.10 Skema alat pengujian APK dengan konfirgurasi aliran berlawanan

(Counter Flow)

Untuk skema alat pengujian dengan konfirgurasi aliran searah dan

berlawanan dengan aliran fluida air panas dan fluida air dingin masuk dengan

searah. Untuk bersamaan aliran fluida air panas keluar dan fluida air dingin air

Universitas Sumatera Utara

Page 65: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

44

sebagai media untuk pelakukan percobaan pengujian. Dimana pengujian alat

penukar kalor tiga saluran pipa menjadi dua saluran yang digunakan saluran fluida

air dingin dan fluida air panas Tc1 dan Tc2 sedangkan Th1

Berikut ini adalah proses yang dilakukan dalam pengujian Alat penukar

kalor triple concentrick tube yang ada dilaboratorium

Gambar 3.11 Set Up Eksperimen aliran searah (Pararel)

Universitas Sumatera Utara

Page 66: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

45

Gambar: 3.11 Set up Eksperimental aliran berlawanan arah (Counter Flow)

Universitas Sumatera Utara

Page 67: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

46

Proses pengolahan data diagram alir yang dilakukan pengujian dalam

bentuk bagan dengan proses sebagai berikut ini

\\

Gambar :3.12 Diagram Alir Pengumpulan data pengujian

Universitas Sumatera Utara

Page 68: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

47

BAB IV

HASIL DAN ANALISA PENELITIAN

4.1. Analisa Data Ekperimental

Alat penukar kalor tiga saluran dan satu laluan aliran terbagi dengan konfirgurasi

aliran yang searah (pararel flow). Adapun penelitian ini dilakukan dengan

menggunakan metode Alat Penukar Kalor tipe tiga lapis tabung (triple concentric

heat exchanger) dengan bahan dasar tembaga, tipe tripel concentric heat

exchanger ini mempunyai kelebihan dibandingkan dengan penukar kalor tipe

yang lainnya, yaitu kemudahan alat ini untuk dibuka dan dilepaskan dari

rangkainnya sehingga memungkinkan pembersihan dan perawatan yang lebih baik

dan mudah. Selain daripada itu, alat ini juga cocok digunakan untuk fluida cair,

sebab mempunyai permukaan perpindahan panas yang bergelombang sehingga

menyebabkan turbulensi dari aliran fluida menjadi lebih tinggi dan otomatis

perpindahan panas yang terjadi akan lebih efektif. Adapun variasi suhu dan laju

aliran dapat lihat pada tabel 4.1

Tabel 4.1 Variasi suhu dan laju aliran

Variasi suhu Variasi Laju aliran

Suhu 50°C 1,5 LPM

Suhu 55°C 2,0 LPM

Suhu 60°C 2,5 LPM

Tabel 4.2 Variabel pengumpulan data

Pengujian Debit air panas

(LPM)

Debit air dingin

1&2 (LPM)

Suhu air panas

(°C)

Suhu air dingin

1&2 (°C)

1

1,5

1,5

50

25

2 55

3 60

4 2.0 50

5 55

6 60

7

2,5

1,5

50

8 55 25

Universitas Sumatera Utara

Page 69: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

48

9 60

Pada ekspriment diatas dapat di lihat untuk alat penukar kalor tiga saluran satu

laluan ini dilakukan dengan variasi kecepatan 0,000025m3/s terhadap temperatur

50oC, 55

oC, dan 60

oC, selanjutnya dengan variasi kecepatan 0,000033m

3/s

terhadap temperatur masuk 50oC, 55

oC dan 60

oC, dan untuk variasi kecepatan

0,000041m3/s terhadap temperatur masuk dengan variasi temperatur 50

oC, 55

oC

dan 60oC. Suhu air dingin 25

oC dengan variasi kecepatan 0,000025m

3/s

Eksperimen dilakukan sebanyak 9 kali setiap percobaan sesusaai dengan variasi

suhu dan laju aliran pada tabel 4.2

4.1.1. Analisa laju aliran massa

Pengujian ini menggunakan tiga jenis variasi kecepatan terhadap tiga variasi

temperatur masuk fluida yang berbeda juga, untuk menentukan laju aliran massa

udara didalam pipa diperoleh dari tabel 4.3 sebagai berikut:

Tabel 4.3 Massa jenis fluida

4.1.2. Bilangan Reynold

Untuk menentukan bilanga reynold fluida pada saluran I, saluran II, dan saluran

III dalam pipa digunakan persamaan 2.23 sebagai berikut

= 2693,35

= 1231,83

= 546,61

Vɑ (m/s) ṁ (m3/s)

1,5

2,0

2,5

0,000025

0,000033

0,000041

Universitas Sumatera Utara

Page 70: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

Universitas Sumatera Utara

Page 71: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

50

Adapun didapat dari data penelitian diameter dalam dan diameter luar pipa dapat

dilihat dari tabel 4.5 sebagai berikut :

Tabel 4.5 Diameter Dalam dan Diameter Luar Pipa

V(m/s) karakteristik D(m)

1,5 Di1 12,7x10-4

Do1 14,3x10-4

2,0 Di2 25,4x10-4

Do2 27,28x10-4

2,5 Di3 40,00x10-4

Do3 42,5x10-4

Dimana N merupakan sebuah koefisien dan bilangan nondimensional perkalian

dari koefisen perpindahan panas dengan luas dan dibagi dengan kapasitas kalor,

Didapatkan hasil dengan persamaan 2.41 sebagai berikut ;

=

N2 = N1 Cr1 + N3Cr3

N2 = 32,80

=

= 29,91

Selanjutnya mencari nilai A dan B, yang dimana untuk digunakan mencari

rumus diperoleh sebagai berikut dan

Rumus cari A dan B : dengan persamaan 2.48-2.49

A =N1 + N3 + N2

A = = 65,61

Dimana A dan B merupakan bilangan koefisien yang digunakan untuk

menghitung

Didapatkan hasil nya Dimana :

B = [1+( + )

B = [(1+0,99+0,00+2,90)] = 260,19

Pada perhitungan , menggunakan persamaan pada persamaan pada 2.51 berikut :

= √

= -61,37

Universitas Sumatera Utara

Page 72: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

51

= √

= -4,23

2 - 1

= (-4,23) – (-61,37) = 57,13

Dan selanjutnya kita mencari nilai F dengan persamaan 2.52 sebagai

berikut:

F1 = -[N1(1+Cr1)+N3Cr3] , F2 = -[N1 Cr1 + N3 Cr3] , F3 = -[ N1 Cr1 + N3 (1+Cr1)]

F1 = -35,70

F2 =32,80

F3 = -61,71

Dimana = rasio kapasitas aliran (N.s/m2) diperoleh dari interpolasi sifat fluida

pada tekanan temperatur diambil sempel temperatur fluida masuk panas yaitu

pada temperatur 41,413oC

Tin2 =41,413oC = (273+41,413) K = 314,413 K

Untuk mencari nilai maka di butuhkan tabel incopera sebagai berikut :

Pada tabel 4.7 incopera diperoleh sifat-sifat fluida cair berupa :

Tin-2 ( K ) ( NS/m2) Cp (K.j/kg.k)

315

314,413

320

613x10-6

577x10-6

4179

Cp

4,180

Dari data tersebut maka cari nilai yang tidak diketahui:

=......?

Maka didapat :

( ) ( )

( )

Cp=....?

( )

Kita dapat Cp, dari table property air berdasarkan T = ΔT/2,

Universitas Sumatera Utara

Page 73: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

52

4.1.3. Menentukan laju kapasitas aliran:

Dengan persamaan kapasitas aliran 2.33

C=ṁCp

a. Laju kapasitas pada saluran I

C1= ṁ1-Cp1 = 87,5x10-3

K.w/k

b. Laju kapasitas pada saluran II

C2= ṁ2-Cp2 = 171,421x10-3

K.w/k

c. Laju kapasitas pada saluran III

C3= ṁ3-Cp3 = 104,5x10-3

K.w/k

Maka laju total kapasitas aliran pararel flow sebagai berikut:

Cs = C2+C3 = 275,921x10-3

kw/K

Dimana :

C1 dan C3, ditentukan Cmin yang menentukan minimum kapasitas aliran :

Cmin = C1 korelasi C1 < Cs

Untuk mencari ratio kapasitas tabung tipis dengan persamaan 2.40

=

= 0,9999

=

1,0002

Dengan mengasumsikan bahwa dinding tabung tipis, diferensial luas permukaan

dan koefisien perpindahan panas keseluruhan yang muncul dalam persamaan di

atas dapat diberikan dengan menggunakan persamaan 2. 42

= ( ) ( )

G1 = 29,97

= ( ) ( )

= 7,99

4.1.4 Mencari nilai Efektivitas :

Dimana dengan menggunakan persamaan dan dapat ditentukan nilai efektivitas

( ) hasil eksperimen dengan persamaan 2.54 – 2.56

Universitas Sumatera Utara

Page 74: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

53

*( )[( ) - ( )[(

) -+

*( )[( ) - ( )[(

) -+

Dengan adanya G1’ dan G2’, maka kita dapat mencari dengan rumus :

= 66,45%

Lakukan hal yang sama pada asumsikan perhitungan efektivitas data eksperimen

variasi temperatur 50oC; 55

oC; 60

oC; laju aliran 0,000025m

3/s , 0,000033m

3/s dan

0,000041m3/s

4.1.6. Data Eksperimen pada aliran searah

Setelah melalukan perhitungan hal diatas pada semua penelitian maka data – data

efektifitas aliran searah tersebut dapat diperoleh dalam tabel sebagai berikut :

Tabel 4.8 efektivitas aliran searah

Data

Debit

air

panas

(LPM)

Fluida Panas Debit

air

Dingin

(LPM)

Fluida Dingin

ε1 (%) ε2(%) ε3(%) Fluida

masuk

Thin(°C)

Fluida

keluar

Tho(°C)

Fluida

masuk

Tcin1

(°C)

Fluida

masuk

Tcin3

(°C)

Fluida

keluar

Tco1(°C)

Fluida

keluar

Tc03(°C)

1

1,5

49,76 29,1

1,5

25,58 25,67 41,23 40,11 32,89 66,45 33,55

2 54,9 34,66 25,08 25,25 43 40,97 32,9 66,46 33,57

3 60,7 33,08 24,83 25,03 43,52 42,5 32,99 66,48 33,57

4

2.0

50,36 30,23 25,49 25,78 41,87 40,3 39,67 59,86 40,15

5 55,15 33,78 25,06 25,88 44,04 41,67 39,76 59,88 40,12

6 59,93 37,38 24,77 25,3 45,22 41,96 39,82 59,89 40,12

7

2,5

50,95 33,41 25,64 25,94 43,98 43,08 44,93 54,87 40,11

8 55,67 35,46 25,23 26,75 44,89 42,76 44,93 54,87 45,13

9 59,38 37,78 25,31 25,8 45,54 42,42 44,93 54,87 45,13

Dari tabel diatas maka diperoleh bawah pada percobaan suhu keluar (Th,o) dan

suhu air dingin (Tc,o) diatas dapat dilihat bahwa efektivitas tertinggi atau

maksimum dari APK adalah data ke-3 yaitu sebesar 66,48% dengan laju kecepatan

fluida 0,00025m3/s yaitu pada temperature masuk air panas (Th,i) sebesar 60,7

oC

dan temperatur keluar air panas (Th,o) sebesar 33,08 oC dengan debit 0,000025m

3/s

serta temperatur air dingin (Tc,i1) masuk 24,83oC, (Tci3) sebesar 25,03

oC dan

Universitas Sumatera Utara

Page 75: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

54

temperatur keluar (Tc1,o) sebesar 43,52oC, (Tc3,o) sebesar 42,5

oC dengan debit

0,000025m3/s.

dengan

Tc,i = Temperatur cold inlet pada pipa

Tc,o = temperatur cold outlet pada pipa

Th,i = temperatur hot inlet pada pipa

Th,o = temperatur hot outlet pada pipa

Gambar: 4.1Grafik Perbandingan Efektivitas

Dari grafik diatas maka diperoleh efisiensi pada pipa satu efisiensi terendah

sebesar 32,89 % dengan laju kecepatan 0,000025m3/s pada percobaan ke 3 dan

penaikan efisiensi tertinggi sebesar 44,93 % pada laju kecepatan 0,000041m3/s

pada percobaan ke 9

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Efek

tivi

tas

pararel

ε1

Universitas Sumatera Utara

Page 76: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

55

Gambar: 4.2 Grafik Perbandingan Efektivitas

Dari grafik diatas maka diperoleh efisiensi pada pipa satu efisiensi tertinggi

sebesar 66,48% pada laju kecepatan 0,000041m3/s pada percobaan ke 9 dan terjadi

penurunan efisiensi terendah sebesar 54,87% dengan laju kecepatan 0,000025m3/s

pada percobaan ke 3 dan penaikan

Gambar 4.3 Grafik Perbandingan Efektivitas

Dari grafik diatas maka diperoleh efisiensi pada pipa satu efisiensi terendah

sebesar 33,57% dengan laju kecepatan 0,000025m3/s pada percobaan ke 3 dan

0

10

20

30

40

50

60

70

1 2 3 4 5 6 7 8

Efek

tivi

tas

ε2

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1 2 3 4 5 6 7 8 40.1

Efek

tivi

tas

ε3

Universitas Sumatera Utara

Page 77: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

56

penaikan efisiensi tertinggi sebesar 45,13 % pada laju kecepatan 0,000041m3/s

pada percobaan ke 9

Untuk memudahkan dalam perbandingan antara efektivitas , , dan pada

percobaan aliran searah data pada tabel efektivitas digabungkan dengan

efektivitas dan dengan tabel perbandingan. Berikut adalah tabel

perbandingan efektivitas , , dan

Tabel 4.9 Efektivitas aliran searah

Berikut adalah hubungan grafik perbandingan efektivitas , , dan

Gambar 4.4 Grafik Perbandingan efektivitas ε1, ε2 dan ε3

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Efek

tivi

tas

Data Percobaan ke-

ε1 (%)

ε2(%)

ε3(%)

Data ε1 (%) ε2(%) ε3(%)

1 32,89 66,45 33,55

2 32,9 66,46 33,57

3 32,99 66,48 33,57

4 39,67 59,86 40,15

5 39,76 59,88 40,12

6 39,82 59,89 40,12

7 44,93 54,87 40,11

8 44,93 54,87 45,13

9 44,93 54,87 45,13

Universitas Sumatera Utara

Page 78: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

57

Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa baik pada perhitungan secara

eksperimental diperoleh efektivitas dari alat penukar kalor berada pada percobaan

ke-3

4.2. Analisa Data Ekperimental

Alat penukar kalor tiga saluran dan satu laluan aliran terbagi dengan konfirgurasi

aliran yang berlawanan (counter flow). Adapun penelitian ini dilakukan dengan

menggunakan metode Alat Penukar Kalor tipe tiga lapis tabung (triple concentric

heat exchanger) dengan bahan dasar tembaga, tipe triple concentric heat

exchanger ini mempunyai kelebihan dibandingkan dengan penukar kalor tipe

yang lainnya, yaitu kemudahan alat ini untuk dibuka dan dilepaskan dari

rangkainnya sehingga memungkinkan pembersihan dan perawatan yang lebih baik

dan mudah. Selain daripada itu, alat ini juga cocok digunakan untuk fluida cair,

sebab mempunyai permukaan perpindahan panas yang bergelombang sehingga

menyebabkan turbulensi dari aliran fluida menjadi lebih tinggi dan otomatis

perpindahan panas yang terjadi akan lebih efektif. Adapun variasi Suhu dan Laju

aliran dapat kita lihat pada tabel 4.10

Tabel 4.10 Variasi suhu dan laju aliran

Variasi suhu Variasi Laju aliran

Suhu 50°C 1,5 LPM

Suhu 55°C 2,0 LPM

Suhu 60°C 2,5 LPM

Tabel 4.11 Variabel pengumpulan data

Pengujian Debit air panas

(LPM)

Debit air dingin

1&2 (LPM)

Suhu air panas

(°C)

Suhu air dingin

1&2 (°C)

1

1,5

1,5

50

25

2 55

3 60

4

2.0

50

5 55

6 60

7

2,5

50

8 55

Universitas Sumatera Utara

Page 79: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

Universitas Sumatera Utara

Page 80: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

59

Tabel 4.13 bilangan Reynold

Pipa Reynold

1 2370,65

2 2254,88

3 574,35

Dikarenakan nilai Re ketiga nya di atas lebih

Nu1 Nu2i Nu2o Nu3

214,16 103,70 159,6 381,03

Dengan ada nya Nu, maka di dapat cari h dengan rumus ;

Rumus h :

Dan didapat hasilnya ;

h1 h2i h2o h3

9324,55 2366,25 3641,54 5581,14

Untuk mencari U, digunakan rumus sebagai berikut :

[

]

[

]

Didapat kan nilai U sama dengan ;

U1 U3

1887,31 2203,69

Adapun didapat dari data penelitian diameter dalam dan diameter luar pipa dapat

dilihat dari tabel 4.5 sebagai berikut :

Tabel 4.14 Diameter Dalam dan Diameter Luar Pipa

V(m/s) karakteristik D(m)

1,5 Di1 12,7x10-4

Do1 14,3x10-4

Universitas Sumatera Utara

Page 81: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

60

2,0 Di2 25,4x10-4

Do2 27,28x10-4

2,5 Di3 40,00x10-4

Do3 42,5x10-4

Dimana N merupakan sebuah koefisien dan bilangan nondimensional perkalian

dari koefisen perpindahan panas dengan luas dan dibagi dengan kapasitas kalor,

Didapatkan hasil dengan persamaan 2.61 sebagai berikut ;

=

N1 = 1,37

N2 = N1 Cr1 + N3Cr3

N2 = 3,02

=

N3 = 1,64

Selanjutnya kita mencari nilai A dan B, yang dimana untuk digunakan mencari

rumus diperoleh sebagai berikut dan

Rumus cari A dan B : dengan persamaan 2.68 -2.69

A =N1 + N3 - N2

A = 1,37 + 1,64 - 3,02 = -0,0021

Dimana A dan B merupakan bilangan koefisien yang digunakan untuk

menghitung

Didapatkan hasil nya Dimana :

B = [1-( + )

B = 1,37 x 1,64 [1 –(0,5120 + 0,60963)] = -2,27

Pada perhitungan , menggunakan persamaan pada persamaan pada 2.70 berikut :

= √

= -1,50

= √

= 1,50

2 - 1

= 1,50- (-1,50 ) = 3,01

dan selanjutnya mencari nilai F dengan persamaan 2.72 sebagai berikut:

Universitas Sumatera Utara

Page 82: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

61

F1 = -[N1(1+Cr1)+N3Cr3]

F1 = 1,64

F2 = -[N1 Cr1 + N3 Cr3]

F2 =

F3 = -[ N1 Cr1 + N3 (1+Cr1)]

F3 = 1,38

dimana = rasio kapasitas aliran (N.s/m2) diperoleh dari interpolasi sifat fluida

pada tekanan temperatur diambil sempel temperatur fluida masuk panas yaitu

pada temperatur 41,413oC

Tin2 =41,413oC = (273+41,413) K = 314,413 K

Untuk mencari nilai maka di butuhkan tabel incopera sebagai berikut :

Pada tabel 4.15 incopera diperoleh sifat-sifat fluida cair berupa :

Tin2 ( K ) ( NS/m2) Cp (K.j/kg.k)

315

314,413

320

613x10-6

577x10-6

4179

Cp

4,180

Dari data tersebut maka cari nilai yang tidak diketahui:

=......?

Maka didapat :

( ) ( )

( )

Cp=....?

( )

Kita dapat Cp, dari table property air berdasarkan T = ΔT/2,

Universitas Sumatera Utara

Page 83: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

62

4.2.3. Menentukan laju kapasitas aliran:

Dengan persamaan kapasitas aliran 2.33

C=ṁCp

a. Laju kapasitas pada saluran I

C1= ṁ1-Cp1 = 87,5x10-3

K.w/k

b. Laju kapasitas pada saluran II

C2= ṁ2-Cp2 = 171,421x10-3

K.w/k

c. Laju kapasitas pada saluran III

C3= ṁ3-Cp3 = 104,5x10-3

K.w/k

Maka laju total kapasitas aliran pararel flow sebagai berikut:

Cs = C2+C3 = 275,921x10-3

kw/K

Dimana :

C1 dan C3, ditentukan Cmin yang menentukan minimum kapasitas aliran :

Cmin = C1 korelasi C1 < Cs

Untuk mencari ratio kapasitas tabung tipis dengan persamaan 2.60

=

0,5118

=

0,6092

Dengan mengasumsikan bahwa dinding tabung tipis, diferensial luas permukaan

dan koefisien perpindahan panas keseluruhan yang muncul dalam persamaan di

atas dapat diberikan dengan menggunakan persamaan 2.62

= ( ) ( )

= 0,009

4.2.4 Mencari nilai Efektivitas :

Dimana dengan menggunakan persamaan dan dapat ditentukan nilai efektivitas

( ) hasil eksperimen dengan persamaan 2.74 – 2.76

*,( )[( ) - ( )[(

) -+ ,

-

*( )[( ) - ( )[(

) -+ ,

-

Universitas Sumatera Utara

Page 84: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

63

Dengan adanya G1’ dan G2’, maka kita dapat mencari E2 dengan rumus :

( )

= 65,15%

Lakukan hal yang sama pada asumsikan perhitungan efektivitas data eksperimen

variasi temperatur 50oC, 55

oC, 60

oC laju aliran 0,000025 m

3/s , 0,000033m

3/s dan

0,000041 m3/s

4.2.6. Data eksperimen

Setelah melalukan perhitungan hal diatas pada semua penelitian maka data – data

efektifitas tersebut dapat diperoleh dalam tabel sebagai berikut :

Tabel. 4.16 Efektivitas aliran berlawanan

Data

Debit

air

panas

(LPM)

Fluida Panas Debit

air

Dingin

(LPM)

Fluida Dingin ε1(%) ε2(%) ε3(%)

Tinh1 Touth2 Tinc1 Tinc3 Toutc1 Toutc3

1

1,5

49,43 33,71

1,5

26,38 26,41 42,05 40,4 55,16 65,15 60,59

2 55,51 26,32 24,43 24,28 43,38 42,31 55,24 65,26 60,66

3 61,16 31,3 25,04 25,32 47,66 46,74 56,29 66,61 62,04

4

2.0

49,72 27,65 25,13 25,32 43,44 40,62 59,94 69,66 63,95

5 55,73 26,93 25,46 25,5 43,98 41,41 60,05 69,83 64,13

6 60,13 33,11 25,29 25,31 47,7 44,01 60,85 70,79 65,09

7

2,5

48,11 38,82 25,2 26,11 45,33 43,24 63,67 73,47 67,13

8 54,95 32,42 25,24 25,49 47,47 44,57 63,61 73,15 66,64

9 60,07 34,48 25,01 25,28 49,02 44,35 63,6 73,08 66,51

Dari tabel diatas maka diperoleh bawah pada percobaan suhu keluar (Th,o) dan

suhu air dingin (Tc,o) diatas dapat dilihat bahwa efektivitas terendah atau

maksimum dari APK adalah data ke- 1 yaitu sebesar yaitu 65% pada debit m3/s

pada temperatur masuk air panas (Th,i) sebesar 48,11oC dan temperatur keluar air

panas (Th,o) sebesar 38,82oC dengan debit 0,00041m

3/s

serta temperatur air dingin

(Tc,i1) masuk 25,2oC (Tci3) sebesar 26,11

oC dan temperature keluar (Tc1,o) sebesar

45,33oC, (Tc3,o) sebesar 43,24

oC dengan debit 0,000041m

3/s

Universitas Sumatera Utara

Page 85: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

64

Gambar: 4.4 Grafik Perbandingan Efektivitas

Dari grafik diatas maka diperoleh efisiensi pada pipa satu efisiensi terendah

sebesar 55,16 % dengan laju kecepatan 0,000025m3/s pada percobaan ke 1 dan

penaikan efisiensi tertinggi sebesar 63,67 % pada laju kecepatan 0,000041m3/s

pada percobaan ke 7

Gambar: 4.5 Grafik Perbandingan Efektivitas

Dari grafik diatas maka diperoleh efisiensi pada pipa satu efisiensi terendah

sebesar 65,15% dengan laju kecepatan 0,000025m3/s pada percobaan ke 1 dan

50

52

54

56

58

60

62

64

66

1 2 3 4 5 6 7 8 2

Efek

tivi

tas

ε1

60

62

64

66

68

70

72

74

76

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Efek

tivi

tas

ε2

Universitas Sumatera Utara

Page 86: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

65

penaikan efisiensi tertinggi sebesar 73,47 % pada laju kecepatan 0,000041m3/s

pada percobaan ke 7

Gambar 4.6 Grafik Perbandingan Efektivitas

Dari grafik diatas maka diperoleh efisiensi pada pipa satu efisiensi terendah

sebesar 64,59% dengan laju kecepatan 0,025m3/s pada percobaan ke 1 dan

penaikan efisiensi tertinggi sebesar 67,13 % pada laju kecepatan 0,000041m3/s

pada percobaan ke 7

Untuk memudahkan dalam perbandingan antara efektivitas , , dan pada

percobaan aliran berlawanan data pada tabel efektivitas digabungkan dengan

efektivitas dan dengan tabel perbandingan. Berikut adalah tabel

perbandingan efektivitas , , dan

Tabel 4.17 Efektivitas aliran berlawanan

Data ε1 (%) ε2(%) ε3(%)

1 55,16 65,15 60,59

2 55,24 65,26 60,66

3 56,29 66,61 62,04

4 59,94 69,66 63,95

5 60,05 69,83 64,13

6 60,85 70,79 65,09

56

58

60

62

64

66

68

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Efek

tivi

tas

ε3

Universitas Sumatera Utara

Page 87: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

66

7 63,67 73,47 67,13

8 63,61 73,15 66,64

9 63,6 73,08 66,51

Berikut adalah hubungan grafik perbandingan efektivitas ε1, ε2 dan ε3

Gambar 4.7 Perbandingan efektivitas , dan aliran berlawanan

Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa baik pada perhitungan secara eksperimental

diperoleh efektivitas dari alat penukar kalor berada pada percobaan ke-3

Untuk memudahkan dalam perbandingan antara efektivitas , , dan pada

percobaan aliran searah dan berlawanan data pada tabel efektivitas

digabungkan dengan efektivitas dan dengan tabel perbandingan. Berikut

adalah tabel perbandingan efektivitas , , dan

Tabel: 4.18 Perbandingan aliran searah dan aliran berlawanan

Data Aliran Searah Aliran Berlawanan

ε1 (%) ε2(%) ε3(%) ε1 (%) ε2(%) ε3(%)

1 32,89 66,45 33,55 55,16 65,15 60,59

2 32,9 66,46 33,57 55,24 65,26 60,66

3 32,99 66,48 33,57 56,29 66,61 62,04

4 39,67 59,86 40,15 59,94 69,66 63,95

5 39,76 59,88 40,12 60,05 69,83 64,13

6 39,82 59,89 40,12 60,85 70,79 65,09

7 44,93 54,87 40,11 63,67 73,47 67,13

8 44,93 54,87 45,13 63,61 73,15 66,64

9 44,93 54,87 45,13 63,6 73,08 66,51

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Efek

tivi

tas

Data Percobaan ke-

ε1 (%)

ε2(%)

ε3(%)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Efek

tivi

tas

Pararel Flow ε1 (%) ε2(%) ε3(%)

Universitas Sumatera Utara

Page 88: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

67

Gambar 4.8 Grafik Perbandingan Efektivitas aliran Pararel flow dan Counter flow

Aliran searah dari grafik diatas maka diperoleh bawah pada percobaan suhu

keluar (Th,o) dan suhu air dingin (Tc,o) diatas dapat dilihat bahwa efektivitas

tertinggi dari APK aliran searah adalah data ke-3 yaitu sebesar ε2 = 66,48%

dengan laju kecepatan fluida 0,000025m3/s sedangkan aliran berlawanan dari

grafik diatas maka diperoleh bawah pada percobaan suhu keluar (Th,o) dan suhu

air dingin (Tc,o) diatas dapat dilihat bahwa efektivitas tertinggi dari APK adalah

data ke-7 yaitu sebesar ε2 73,47%. Maka efektivitas pada APK tertinggi grafik

diatas adalah aliran berlawanan ke-7 yaitu sebesar ε2 = 73,47%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Efek

tivi

tas

Counter Flow ε1 (%) ε2(%) ε3(%)

Universitas Sumatera Utara

Page 89: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

68

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Kesimpulan yang diperoleh dari prancangan alat penukar kalor tiga tabung

konsentris adalah sebagai berikut:

1. Temperatur rata-rata masuk pada masing-masing pipa saluran alat penukar

kalor secara aliran searah eksperimen pada suhu 60oC dan laju aliran

0,000025 m3/s adalah TinC1 = 25,49

oC , Tinh2 = 60,7

0C , TinC3 = 25,03

oC dan

aliran berlawanan pada suhu 50oC dan laju aliran 0,000041m

3/s adalah

TinC1 = 25,2oC , Tinh2 = 48,11

0C , TinC3 = 26,11

oC

2. Temperatur rata-rata keluar pada masing-masing pipa saluran alat penukar

kalor secara searah pada suhu 60oC dan laju aliran 0,000025 m

3/s adalah

ToutC1 = 43,52oC , Touth2 = 33,08

oC , ToutC3 = 42,5

oC dan aliran berlawanan

pada suhu 50oC laju aliran 0,000041m

3/s adalah ToutC1 = 45,33

oC , Touth2 =

38,82oC , ToutC3 = 43,24

oC

3. Efektivitas tertinggi saluran pipa satu, dua dan tiga alat penukar kalor

secara eksperimen pada suhu 55oC dengan laju kecepatan 0,000025m

3/s

aliran searah ε1= 32,99%, ε2= 66,48% dan ε3= 33,57% dan sedangkan aliran

berlawanan ε1= 55,16%, ε2= 65,15% dan ε3= 60,59% dengan laju kecepatan

0,000041m3/s pada suhu 60

oC

5.2 Saran

Adapun saran yang diperoleh dari prancangan alat penukar kalor tiga

tabung konsentris adalah sebagai berikut:

1. Sebaiknya fluida yang dilakukan pada pengujian ini bervariasi untuk

digunakan pada penelitian selanjutnya

2. Sebaiknya laju aliran yang dilakukan pada pengujian ini di buat lebih

banyak variasi untuk digunakan pada penelitian selanjutnya

3. Dalam pengujian alat penukar kalor sebaiknya diperhatikan kondisi kondisi

dilapangan menjadi acuan pada pengujian alat penukar kalor.

Universitas Sumatera Utara

Page 90: PENUKAR KALOR TIGA TABUNG KONSENTRIS DENGAN METODE ...

69

REFERENSI

[1] Cengel, Y. A. 2006. Thermodynamics An Engineering Approach,

Edition

[2] Incropera, F. P, dkk. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Edition.

New York : John Wiley & Sons

[3] Luqman Buchori, ST, MT Perpindahan Panas Heat Transfer edisi ke-2

Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, 2005

[4] Gulta, J.P 1986 Working With Heat and Exchangers, Edition. Entiled

Fundamentals of heat exchanger and pressure vessel teknologi

[5] Anowar Hossain, Md. 2017. Experimental Analysis of a Triple Concentric

Tube Heat Exchanger. Jurnal. Universitas, Gazipur, Bangladesh.

[6] Cengel, Yunus.A. 2003. Heat Transfer: A Practical Approach, ed. New

York : McGraw-Hill

[7] Holman, J. P. 1997. Heat Transfer, Edisi ke-10. Jakarta :Erlangga

[8] Kuppan, T. 2000. Heat Exchanger Design Handbook, Second Edition.

Newyork : Marcel Dekker.Inc

[9] Munson, Bruce R. 1997. Mekanika Fluida, edisi ke-2. Jakarta : Erlangga

[10] Kreith, Frank. 1877. Principles Of Heat Transfer, ed. New York : Harper

and Row

[11] Pitts, Donald. 2008. Perpindahan Kalor, edisi ke-2. Erlangga :2108

[13] Hundry, G. F., A. R. Trott, T. C. Welch. Tanpa Tahun. Refrigeration and

Air Conditioning – Fourth Edition. B.H

[14] W.J. Minkowycz and J.P Hartnett Efektiveness-NTU Relations For Triple

Concentric-Tube Heat Exchanger. Trabzon, Turkey

Universitas Sumatera Utara