8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
1/40
MAKALAH PEMICU II
MATA KULIAH PERPINDAHAN KALOR
PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI
Disusun oleh:
Kelompok 10
Akbar Pandu Wijaksono 1406607786
Annisa Nurqomariah 1406608082
Faracitra Akuwalifah Kusumadewi 1406607861
Kevin Antonio 1406568091
M. Ruby Mujakki 1406608012
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS INDONESIA
DEPOK
2016
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
2/40
ii
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI ........................................................................................................... i
PETA KONSEP ..................................................................................................... ii
BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 1
BAB II PEMBAHASAN ........................................................................................ 5
2.1.Soal Contoh Kasus ..................................................................................... 5
2.2.Soal Perhitungan ........................................................................................ 7
Nomor 1 ....................................................................................................... 7
Nomor 2 ..................................................................................................... 17
Nomor 3 ..................................................................................................... 22
Nomor 4 .................................................................................................... 31
BAB III Kesimpulan ............................................................................................ 39
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 40
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
3/40
iii
PETA KONSEP
Konveksi
KonveksiAlamiah
Gaya yangmempengaruhi
Buoyancy force
Body forceBilangan tak berdimensi Gr, Pr, Re,
Ra, NuHubungan empiris
untuk berbagai bentuk Plat silinderdan vertikal
Plat silinder danhorizontal
Permukaan miringdan bola
Ruang tertutup
KonveksiPaksa
Prinsipdasar
Suhu
limbak Koefisien
gesek fluida
Analisis dinamikafluida
Mekanisme danhubungan empiris
Pipa/silinder
Bola
RangkunantabungHeat
exchanger
Definisi dan carakerja
Tipe-tipe HE dan peran industri
Faktor yangmempengaruhi
Foulingfactor
Pressuredrop
Faktorlainnya
Metode analisis
LMTD
NTU-efektivitas
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
4/40
4
PENDAHULUAN
Semua unsur merupakan susunan dari molekul dan atom. Atom ini bergerak dalam
bentuk/cara yang berbeda-beda (translasi, rotasi, dan vibrasi). Gerakan dari atom dan
molekul akan menghasilkan energi kalor/panas. Semakin banyak/cepat gerak dari
molekul atau atom ini, energi kalor yang dihasilkan akan semakin besar. Perpindahan
kalor dibagi menjadi 3 bagian, yaitu perpindahan kalor secara konduksi, konveksi,
dan radiasi. Perpindahan kalor yang akan dibahas pada makalah ini adalah
perpindahan kalor secara konveksi. Konveksi itu sendiri di definisikan sebagai
perpindahan kalor pada suatu zat yang diseratai perpindahan partikel – partikel padazat tersebut. Konveksi sendiri terbagi menjadi dua yaitu konveksi secara alamiah dan
konveksi secara paksa, konveksi secara alamiah merupakan pergerakan aliran kalor
karena perbedaan masa jenis, contohnya yang terjadi pada ventilasi rumah, asap pada
cerobong pabrik. Sedangkan konveksi paksa, merupakan suatu kejadian dimana aliran
panas dipaksa dialirkan ke tempat yang dituju dengan bantuan alat tertentu contohnya
blower atau heat exchanger. Contoh konveksi paksa ini dapat ditemukan pada alat
pengering rambut dan sistem pendingin mesin pada mobil. Pada konveksi, banyak
sekali variable yang terlibat dalam perhitungan, untuk mengurangi jumlah variabel
yang terlibat dalam perhitungan dapat digunakan bilangan tak berdimensi, yaiitu
bilangan nuselt, reynolds, dan prandtl.
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
5/40
5
Contoh Kasus
Suatu produk yang berharga terjual dengan larisnya secepat produk tersebut dapat
dibuat di pabrik kimi. Pihak manajemen ingin meningkatkan produksi tapi tidak
mampu melakukannya. Analisis setiap tahap produksi menunjukkan bahwa yang
menjadi bottleneck adalah unit refrigasi. Unit ini adalah unit heat exhanger yang
sederhana, tempat aliran cairan panas didinginkan dengan melewatkannya melalui
sebuah pipa yang kontak dengan aliran cair dingin. Panas berpindah dari aliran panas
ke aliran dingin.Sayangnya unit refrigasi ini tidak mendinginkan aliran cairan panas
sampia ke suhu yang diinginkan agar dapat diproses pada tahap selanjutnya. Intruksi
yang diberikan untuk menyelesaikan masalah ini: “Rancang dan pasang unit
refrigasi yang lebih besar”. Karena instruksi ini maka rancangan unit refrigasi yang
lebih besar segera dilakukan. Setelah anda lihat lagi sistem tersebut anda menemukan
informasi bahwa ukuran maksimum unit refrigerasi adalah ukuran unuit yang ada
sekarang. Apakah membangun unit refrigerasi yang lebih besar akan menyelesaikan
masalah?
Jawab :
Penukar panas atau dalam industri kimia populer dengan istilah bahasa Inggrisnya,
heat exchanger (HE), adalah suatu alat yang memungkinkan perpindahan panas dan
bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium
pemanas yang dipakai adalah uap lewat panas (super heated steam) dan air biasa
sebagai air pendingin (cooling water). Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar
perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien.Pertukaran panas
terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida terdapat dinding yang
memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung begitu saja. Penukar panas
sangat luas dipakai dalam industri seperti kilang minyak, pabrik kimia maupun
petrokimia, industri gas alam, refrigerasi, pembangkit listrik. Salah satu contoh
sederhana dari alat penukar panas adalah radiator mobil di mana cairan pendingin
memindahkan panas mesin ke udara. Penukar panas merupakan alat yang dapat
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
6/40
6
memindahkan panas dari satu sistemke sistem yang lain tanpa terjadi perpindahan
massa dari dari sistem satu ke sistem lainnya. Adapun tujuan perpindahan panas
antara lain:
a.
Memanaskan :
Menaikkan suhu
Merubah fase ( Menguapkan, melarutkan, melelehkan)
Mempertahan suhu proses (memberi panas proses yang membutuhkan-
endhoterm)
b. Mendinginkan :
Menurunkan suhu
Merubah fase ( Mengembunkan, membekukan,dsb)
Mempertahan suhu proses (mengambil panas proses yang menghasilkan panas
– eksotherm)
Alat penukar panas merupakan suatu alat yang menghasilkan perpindahan panas dari
suatu fluida yang temperaturnya lebih tinggi ke fluida yang temperaturnya lebih
rendah. Proses perpindahan panas tersebut dapat dilakukan secara langsung dan tidak
langsung, dimana:
a.
Alat penukar panas kontak langsung Pada alat ini fluida yang panas akan
bercampur secara langsung dengan fluida dingin (tanpa adanya pemisah)
dalam suatu bejana atau ruangan. Misalnya ejector, daerator dan lain-lain.
b. Alat penukar panas kontak tak langsung Pada alat ini fluida panas tidak
berhubungan langsung (indirect contact) dengan fluida dingin. Jadi proses
perpindahan panasnya itu mempunyai media perantara, seperti pipa, plat, atau
peralatan jenis lainnya. Misalnya kondensor, ekonomiser air preheater dan
lain-lain.
Apakah membangun unit refrigerasi yang lebih besar akan menyelesaikan
masalah?
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
7/40
7
Tidak, unit refrigerasi yang dibuat sekarang sudah sangat optimal. Pembuatan unit
refrigerasi bergantung pada performansi heat exchanger (HE) yang dapat ditinjau dari
beberapa parameter yaitu koefisien perpindahan panas keseluruhan (U), luasan area
(A), dan pressure drop. Semakin tinggi luasan area dan pressure drop, akan membuat
performansi HE dikatain baik. Dengan membuat fluida masuk melalui HE pada
kecepatan yang tinggi akan membuat koefisian perpindahan kalor keseluruhan makin
meningkat. Peningkatan koefisien karena kecepatan ini akan meningkatkan pressure
drop dimana akan meningkatkan biaya pemompaan. Jika luas permukaan
ditingkatkan, maka pressure drop dan koefisien perpindahan kalor akan berkurang
sehingga pemompaan tidak memperbesar biaya. Dapat disimpulkan bahwa
peningkatan besar HE akan mempengaruhi performansi dari HE tersebut. Pada kasus
ini industri yang dimaksud diharapkan dapat meningkatkan performa HE tanpa harus
memikirkan biaya yang ditambahkan walaupun HE tidak dapat diperbesar lagi, hal
yang harus diperhatikan agar dapat meningkatkan performansi HE adalah sebagai
berikut:
a. Peningkatan pressure drop, dimana akan meningkatkan kecepatan fluida yang
berkaitan dengan peningkatan koefisien perpindahan kalor keseluruhan
b. Mengevaluasi faktor pengotor yang terdapat pada HE. Faktor pengotor dapat
dikurangi dengan melakukan pemberishan secara rutin pada HE. Dengan
faktor pengotor yang rendah, akan memiliki performasin HE yang tinggi
c. Mempertimbangkan menggunakan HE finned tubes, inserts, twisted tubes,
atau baffle termodifikasi. Bentuk HE yang disebut di atas memiliki nilai
koefisien perpindahan kalor yang lebih tinggi dikarenakan geometrinya.
PERHITUNGAN
NOMOR 1
Minuman kaleng berukuran panjang 155 mm, diameter 60 mm, dengan suhu 27°C
akan didinginkan dengan meletakkannya dalam lemari pendingin pada suhu 4°C.
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
8/40
8
Untuk memaksimalkan laju pendinginan, apakah sebaiknya kaleng minuman tersebut
diletakkan secara horizontal atau vertikal di dalam lemari pendingin?
Teori Dasar
Konveksi merupakan suatu mekanisme perpindahan panas antara permukaan
benda padat dan fluida (cairan atau gas) yang bergerak. Dengan kondisi ada medium,
medium ikut berpindah, dan driving force berupa perbedaan suhu.
Bila ada fluida yang bergerak terhadap suatu permukaan, dan kedua suhunya
tidak sama, maka akan terjadi mekanisme perpindahan panas secara konveksi.
Semakin cepat gerakan fluida tersebut, maka semakin besar laju perpindahan panas
konveksinya. Bila fluida tidak bergerak, maka mekanisme perpindahan panas akan
menjadi mekanisme perpindahan konduksi kembali.
Gambar 1. Perpindahan kalor dari permukaan panas ke udara dengan
konveksi
https://nurulimantmunib.files.wordpress.com/2011/09/convection-heat-transfer.jpg
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
9/40
9
(a) (b)
Gambar 2(a). Pendinginan telur panas pada lingkungan dingin dengan
konveksi alamiah; (b) Penghangatan cola dingin pada lingkungan hangat
dengan konveksi alamiah.
Karena konveksi terjadi akibat adanya gerakan fluida, maka dikenal istilah
konveksi alami dan konveksi paksa. Konveksi alami (konveksi bebas) terjadi karena
fluida bergerak secara alamiah dimana pergerakan fluida tersebut lebih disebabkan
oleh perbedaan massa jenis fluida akibat adanya variasi suhu pada fluida tersebut.
Logikanya, jika suhu fluida tinggi, maka fluida tersebut akan menjadi lebih ringan
dan mulai bergerak keatas.
Disebut juga konveksi alamiah (natural convection), terjadi karena fluida
mengalir secara alamiah/tidak dipompa/tidak dihembus. Fluida dapat mengalir
secara alamiah karena adanya perubahan sifat fisis (terutama rapat massanya) dan
pengaruh dari gaya apung (bouyancy force).
Buoyancy force adalah gaya yang menyebabkan terdorongnya fluida dengan
densitas lebih rendah sehingga mengalami gerak vertikal ke atas. Gaya – gaya apung(buoyancy forces) yang menyebabkan terjadinya konveksi alamiah disebut sebagai
body force (gaya badan).
Dalam perpindahan kalor konveksi alami, fluida yang mengalami kontak
dengan benda yang memiliki suhu lebih tinggi akan mengalami peningkatan
temperatur. Peningkatan temperatur akan mengakibatkan ekspansi fluida yang
berdampak pada penurunan densitas fluida, sehingga akan tampak gradien densitas
antara fluida dengan temperatur yang berbeda. Fluida yang lebih panas dan lebih
ringan (karena densitasnya yang lebih rendah) akan mengalami gerak vertikal ke atas
dan digantikan dengan fluida yang lebih berat dengan densitas lebih tinggi
(umumnya berada dalam kondisi ambien). Peran kedua gaya di atas tampak dalam
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
10/40
10
proses pergerakan fluida tersebut (di mana kedua gaya merupakan faktor yang
menyebabkan terjadinya pergerakan vertikal fluida).
Batasan agar proses perpindahan kalor dikatakan konveksi alami, antara lain:
o
Fluida berubah densitasnya karena proses pemanasan.
o Fluida bergerak naik karena mengalami gaya apung (bouyancy force) apabila densitas
fluida di dekat permukaan perpindahan kalor berkurang akibat proses pemanasan.
o Fluida hanya mengalami sesuatu gaya dari luar seperti gravitasi
Sementara konveksi paksa terjadi karena bergeraknya fluida bukan karena
faktor alamiah. Fluida bergerak karena adanya alat yang digunakan untuk
menggerakkan fluida tersebut, seperti kipas, pompa, blower dan sebagainya.
Laju perpindahan panas konveksi dirumuskan melalui hukum pendinginan Newton
( Newton’s Law of Cooling ) yang dinyatakan dengan: = . . ( − ∞) dimana h adalah koefisien konveksi, A luas permukaan konveksi, T w adalah suhu
permukaan sementara T ∞ adalah suhu fluida. Satuan untuk koefisien
konveksi h adalah W/(m2.K).
Koefisien konveksi bukan merupakan properti dari suatu fluida. h merupakan
parameter yang diperoleh berdasarkan experimen yang mana nilainya bergantung
kepada semua variabel yang mempengaruhi proses konveksi seperti geometri
permukaan, sifat aliran fluida, properti fluida dan kecepatan fluida.
Koefisien perpindahan panas konveksi (h ) pada konveksi alamiah juga sangat
dipengaruhi oleh sifat fisis fluida dan bentuk geometri benda.
Sifat fisis fluida ini dievaluasi pada suhu lapisan film (T f ) dengan,
= − ∞
2
Penyelesaian umum pada persamaan perpindahan panas konveksi memunculkan
suatu parameter berupa bilangan tak berdimensi yang disebut dengan bilangan
Grashof (Gr).
= − ∞32
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
11/40
11
dimana :
- g : percepatan gravitasi, m/s
2
- β : koefisien ekspansi volum (1/Tf ), 1/K
= − ∞2 - υ : viskositas kinematik fluida, m
2/s
- Tw : suhu permukaan benda, K
- T∞ : suhu fluida pada jarak tak hingga dari benda, K
- L : panjang karakteristik, m
Selain bilangan Grashof ( Gr), koefisien perpindahan panas pada konveksi bebas juga
dipengaruhi oleh bilangan Prandtl.
= = = . = = viskositas kinematis = . = difusifitas termal
Koefisien perpindahan panas konveksi bebas rata-rata untuk berbagai situasi
dapat didekati dengan persamaan empiris sebagai berikut:
= = (.) = () dengan k: konduktivitas termal fluida; L: panjang karakteristik; dan Ra : bilanganRayleigh = Gr.Pr. Nilai C dan n tergantung pada geometri benda dan daerah aliran
yang dikarakterisasikan dalam bilangan Rayleigh.
Beberapa persamaan empiris untuk kasus-kasus perpindahan panas konveksi
bebas pada berbagai geometri benda terangkum dalam table 9-1 (Cengel,2003).
Bentuk geometri yang ditinjau meliputi:
1.
Plat tegak (vertical plate)2. Plat datar (horizontal plate)
3. Plat yang dimiringkan (inclined plate)
4. Silinder
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
12/40
12
5. Bola
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
13/40
13
Diketahui
L = 155 mm = 0,155 m
D = 60 mm = 0,06 m
T w = 27°C
T ∞ = 4°C
Ditanyakan
Perbedaan Q jika kaleng diposisikan vertikal (tegak) dengan horizontal.
Gambar
Asumsi
o Minuman kaleng berbentuk silinder.
o Kaleng hanya kontak dengan udara dalam lemari pendingin.
o Panas yang hilang hanya disebabkan oleh beda suhu antara minuman kaleng
dengan lemari pendingin.
o Tidak ada gaya luar yang menyebabkan aliran udara sehingga perpindahan
panas mengikuti mekanisme konveksi bebas.
o Perpindahan panas terjadi pada steady-state.
o Udara di dalam lemari pendingin dianggap sebagai gas ideal.
o Tekanan udara 1 atm.
4°C
27°C 2 7 ° C
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
14/40
14
Jawaban
Sifat-sifat fisis udara ditentukan berdasarkan suhu film (T f )
T w = Suhu minuman kaleng = 27°C = 300,15 K
T ∞ = Suhu lemari pendingin = 4°C = 277,15 K
= ∞ + − ∞2
= 277,15 + 300,15− 277,152
= 288,65 Berikut adalah data sifat fisis udara pada suhu 15,5°C dan tekanan 1 atm
k = 25.3456 × 10-3
W/m.K
ρ = 1,20866 kg/m3
μ = 1,8008 × 10-5 kg/m.s
Cp = 1006,62 J/kg.K
o Viskositas kinematis : = = (1,8008×10−5) .1,20866 3 = 1,48991 × 10−5 2 o Koefisien ekspansi volum : = 1 = 1288,65 = 3,464 × 10−3 1 o Percepatan gravitasi, g = 9,8 m/s
2
o
Bilangan Prandtl (Pr)
= . = 1,8008 × 10−5 . 1006,62 .
25.3456 × 10−3 .= 0,715201572
o Luas permukaan silinder = + 42 = . 0,06. 0,155+
4(0,06)2 = 0,0482
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
15/40
15
Pada kaleng dengan posisi vertikal (silinder tegak)
Gambar 2. Skema Kaleng Posisi Vertikal
Panjang karakteristik = L = tinggi kaleng = 155 mm = 0,155 m.
o Bilangan Grashof (Gr)
= − ∞3
2=9,8 2 3,464 × 10−3 1 300,15− 277,15(0,155)331,48991 × 10−5 2 2
= 13098055,29
o Bilangan Rayleigh (Ra) = . = 13098055,290,715201572 = 9367749,733 o Silinder tegak dapat disamakan dengan plat tegak jika
≥ 35¼ 35¼ = 350,15513098055,29¼ = 0,090177468
diketahui diameter silinder = 60 mm =0,06 m (> 0,09 m) , sehingga untuk
kasus ini persamaan Nu yang digunakan sama dengan persamaan untuk plat
tegak pada kisaran Ra 109 ̶ 10
13 = 0,11 3 = 0,1(9367749,733)1 3 = 21,08
o Koefisien perpindahan panas konveksi bebas
= . = . = 25.3456 × 10
−3 . 21,080,155 = 3,447 2.
o Panas hilang
27°C 4°C
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
16/40
16
= . . − ∞ = 3,447 2 . 0,0482. 300,15− 277,15 = 3,812
Pada kaleng dengan posisi horizontal
Gambar 3. Skema Kaleng Posisi Horizonta;
o Panjang karakteristik = D = diameterkaleng = 60 mm = 0,06 m.
o Bilangan Grashof (Gr)
= − ∞32=9,8 2 3,464 × 10−3 1 300,15− 277,15(0,06)33
1,48991 × 10
−5
2
2
= 759740,8461
o Bilangan Rayleigh (Ra) = . = 759740,84610,715201572 = 543367,8473 o Persamaan Nu yang digunakan sama dengan persamaan untuk Ra ≤ 10
12
= 0,6 + 0,3871 61 + 0,559/9/168/272
= 13,47
o
Koefisien perpindahan panas konveksi bebas = . = . = 25.3456 × 10
−3 .13,470,155 = 5,69 2.
o Panas hilang
4°C
2 7 ° C
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
17/40
17
= . . − ∞ = 5,69 2 . 0,0482. 300,15− 277,15 = 6,295
Kesimpulan
o Persentase perbedaan Q pada posisi verikal dengan horizontal
% = × 100 % = 60,56 % Maka posisi terbaik untuk proses pendinginan minuman kaleng dalam lemari
pendingin adalah dengan posisi horizontal karena memiliki nilai
=
6,295 , sedangkan dengan osisi vertikal hanya memiliki nilai sebesar = 3,812 .NOMOR 2
Sebuah tong besar digunakan untuk menyimpan minyak panas dengan suhu
400°F. Di sekeli li ng tong dipasang selongsong yang didinginkan hingga suhu
140°F. Ruang udara yang memisahkan tong dengan selongsong yang
mengeli li nginya berukur an tinggi 35 cm dan tebal 3 cm. I lustrasikan sistem di
atas. Perki rakan l aju konveksi bebas per-meter persegi luas permukaan.
Tz = 35 cm
δ = 3 cm
S
Tong penyimpan minyak
TT = 400°F
Selongsong
TS = 140°F
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
18/40
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
19/40
19
= 1−232 ……………………………..(1) Pada angka Grashof yang sangat rendah, terdapat sangat sedikit arus konveksi-
bebas dan perpindahan kalor yang berlangsung terutama oleh konduksi yang melintasi lapisan
tersebut. Pada angka Grashof yang lebih tinggi, terdapat berbagai ragam aliran
dan perpindahan kalor pun meningkat dengan teratur, seperti dinyatakan melalui
angka Nusselt :
= ……………………………….(2) Fluks panas dihitung dengan cara
= = 1 − 2 = 1 − 2 …………..(3) Persamaan di atas dapat dinyatakan dalam bentuk alternative dari konduktivitastermal efektif, yaitu
= 1−2 ……………………………(4) Dengan mencocokkan persamaan (3) dan (4), kita dapatkan
≡ ……………………………..(5) di mana dalam buku Heat Transfer 10
th edition, bentuk umum persamaan
dinyatakan sebagai
= …………………..(6) Konstanta C, n, dan m dapat ditentukan berdasarkan tabel di bawah.
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
20/40
20
Sumber: Holman, J.P. 2009. Heat Transfer 10 th edition. New York: McGraw-Hill.
Asumsi:
Tidak ada perbedaan suhu antara permukaan tabung ataupun selongsong
Tabung beserta selongsong dalam memiliki tutup di atas dan di bawah,sehingga sistem tersebut tertutup dan terisolasi sempurna. Tidak ada
perpindahan kalor dari sistem ke udara luar.
Penyelesaian:
Tm =TT + TS
2=
400 + 140
2= 270℉ = 132,22℃ = 405,22 K
Suhu rata-rata didapatkan sebesar 405,22 K, maka sifat udara pada suhu tersebut
dengan melihat Appendix A Tabel A-5, kita dapat menentukan propertinya.
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
21/40
21
Sumber: Holman, J.P. 2009. Heat Transfer 10 th edition. New York: McGraw-Hill.
Untuk nilai v
405.37− 400450− 400 = − 25.931.71− 25.9 = 26.52 × 10−6 m2 s
Untuk nilai k
405.37
−400
450− 400=
−0.03365
0.03707− 0.03365
= 0.034 W m℃ Untuk nilai Pr
405.37− 400450− 400 = − 0.6890.683− 0.689 = 0.688
= 1
=1
405.37
= 2.47 × 10−3K−1 GrδPr = gβTT − TSδ3
v2Pr
GrδPr = 9,82,47 × 10−3400− 140 59 0,03326,5 × 10−62 0,688 = 92.487,77
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
22/40
22
GrδPr = 9,25 × 104
Dari tabel 7-3 (J.P. Holman, 2010), C = 0.197, n = ¼, dan m = -1/9, sehingga
Nuδ = k ek
= 0,197GrδPr14 Lδ−19 Nuδ = 0,1979,25 × 1041/4 35
3−1/9 = 2,61
Kemudian, nilai laju konveksi bebas per-meter persegi luas permukaan dapat
dihitung dengan
q
A = qw = hTT − TS = Nuδk
δ TT − TS qA
= 2,610,034
0,03400− 140 5
9 = , /
Jadi, nilai laju konveksi bebas per-meter persegi luas permukaan antara tong
penyimpan minyak dengan selongsong adalah sebesar 427,27 W/m2.
NOMOR 3
Gas panas dialirkan dalam tabung bersirip pada alat penukar kalor aliran silang, untuk
memanaskan 2.5 kg/detik air dari suhu 35oC menjadi 85
oC. Gas panas tersebut (Cp =
1,09 kJ/ kg.oC) masuk pada suhu 200
oC dan keluar pada 93
oC. Koefisien perpindahan
kalor menyeluruh sebesar 180 W/m.oC. Hitunglah luas area perpindahan kalor dengan
menggunakan pendekatan : (a) LMTD dan (b) NTU-efektivitas.
Diketahui :
U =180 W/m.oC
Air Gas
Qair = 2.5 kg/s Cp = 1,09 kJ/ kg.oC
T1 = 35oC T1 = 200
oC
T2 = 85oC T2 = 93
oC
Ditanya:
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
23/40
23
A perpindahan kalor pada (a) LMTD dan (b) NTU-efektivitas.
Teori Dasar
Pendekatan Metode Log Mean Temperature Di f ference (LMTD)
Gambar 6. Penukar kalor pipa ganda
Perhatikan penukar-kalor pipa-ganda pada Gambar 6. Fluida pada pipa dapat
mengalir dalam aliran-sejajar maupun aliran-lawan-arah, dan profil suhu untuk kedua
kasus itu ditunjukkan pada Gambar 7. Rumus perpindahan kalor dalam susunan pipa-
ganda ini adalah: = ∆………………………. (1) dimana :
U = koefisien perpindahan-kalor menyeluruh
A = luas permukaan perpindahan-kalor yang sesuai dengan definisi U
= beda suhu rata-rata yang tepat untuk digunakan dalam penukar-kalor
Gambar 2. Menunjukkan bahwa beda suhu antara fluida-panas dan fluida-
dingin pada waktu masuk dan pada waktu keluar tidaklah sama, dan kita perlu
menentukan nilai rata-rata untuk digunakan dalam persamaan (1). Untuk penukaran-
kalor aliran-sejajar seperti Gambar 7, kalor yang dipindahkan melalui unsur luas dA
dapat dituliskan sebagai: = − = ……….(2) Dimana subskrip h dan c masing-masing menandai fluida-panas dan fluida-dingin.
Perpindahan kalor dapat juga dinyatakan dengan rumus: = − …………….......(3)
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
24/40
24
Gambar 7. Profil suhu untuk (a) aliran sejajar dan (b) aliran lawan arah dalam
penukar kalor pipa ganda
Pada persamaan (2), hasil kali dan dapat dinyatakan dalam perpindahankalor total q dan beda-suhu menyeluruh antara fluida-panas dan fluida-dingin
sehingga:
= 1−2…………………..(4) = 2−1…………………….(5) Melalui subtitusi, kita mendapatkan rumus:∆ = 2−2−(1−1)
ln [2−21−1]
............(6)
Rumus perbedaan suhu diatas disebut beda-suhu rata-rata log (log mean temperaturedifference = LMTD). Rumus diatas ialah rumus beda-suhu pada satu ujung penukar
kalor dikurangi beda suhu pada ujung yang satu lagi dibagi dengan logaritma alamiah
daripada perbandingan kedua beda-suhu tersebut. Semakin besar LMTD, semakin
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
25/40
25
banyak panas yang ditransfer. Penggunaan LMTD muncul dari analisis penukaran
panas (heat exchangers) dengan laju alir konstan dan sifat termal fluida.
Penurunan dua LMTD diatas menyangkut dua pengandaian : (1) kalor spesifik
fluida tidak berubah menurut suhu, dan (2) koefisien perpindahan-kalor konveksi
tetap untuk seluruh penukar kalor. Kedua pengandaian ini sangat penting karena
pengaruh pintu-masuk, viskositas fluida, perubahan konduktivitas-termal, dan
sebagainya.
Jika suatu penukar kalor yang digunakan bukan jenis pipa ganda, perpindahan
kalor dihitung dengan menerapkan faktor koreksi terhadap LMTD untuk susunan
pipa-ganda aliran-lawan-arah dengan suhu fluida-panas dan suhu fluida-dingin yang
sama sehingga bentuk persamaan kalor menjadi:
= ∆………………………. (7) Nilai faktor koreksi F digambarkan dalam Gambar 7. Sampai dengan Gambar
.9 untuk berbagai jenis penukar kalor. Bila terdapat perubahan fase, seperti
kondensasi atau didih (penguapan), fluida biasanya berada pada suhu yang pada
hakekatnya tetap, sehingga persamaan-persamaan itu menjadi lebih sederhana. Untuk
kondisi ini, nilai P atau R menjadi nol dan kita mendapatkan:
F=1,0 untuk pendidihan atau kondensasi
Gambar 7. Grafik faktor koreksi untuk penukar kalor dengan suhu lintas selongsong
dan dua, empat, atau masing-masing kelipatan dari lintas tabung tersebut.
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
26/40
26
Gambar 8. Grafik faktor koreksi untuk penukar kalor dengan dua lintas-selongsong,
dan empat, delapan, atau masing-masing kelipatan dari lintas-tabung
Pendekatan Metode NTU-Efektivitas
Jika harus menentukan suhu masuk atau suhu keluar, analisis kita akan
melibatkan prosedur iterasi karena LMTD merupakan suatu fungsi logaritma. Oleh
karena itu, analisis akan lebih mudah dilaksanakan dengan menggunakan metode
yang didasari oleh efektivitas penukar kalor dalam memindahkan jumlah kalor
tertentu. Metode efektivitas ini juga memiliki beberapa keuntungan untuk
menganalisis soal-soal tertentu dimana kita harus membandingkan berbagai jenis
penukar kalor untuk memilih jenis yang terbaik untuk melaksanakan sesuatu tugas
pemindahan kalor tertentu.
Efektivitas penukar kalor (heat-exchanger effectiveness) dirumuskan sebagai
berikut:
=∈= Perpindahan kalor yang sebenarnya (actual) dapat dihitung dari energi yang
dilepaskan oleh fluida-panas atau energi yang diterima oleh fluida-dingin. Perhatikan
kembali penukar kalor aliran sejajar dan aliran lawan arah pada Gambar 1. Untuk
penukar kalor aliran sejajar dapat dirumuskan sebagai berikut: = 1 − 2 = 2 − 1
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
27/40
27
Sementara untuk penukar kalor aliran lawan arah dapat dirumuskan: = 1 − 2 = 1 − 2 Untuk menentukan perpindahan kalor maksimum bagi penukar kalor kalor tersebut,
harus diketahui bahwa nilai maksimum akan didapat bila salah satu fluida mengalami
perubahan suhu sebesar beda suhu maksimum yang terdapat dalam penukar kalor itu,
yaitu selisih antara suhu masuk fluida-panas dan fluida dingin. Fluida yang mungkin
mengalami beda suhu maksimum ini adlaah fluida yang memiliki nilai minimumkarena neraca energi menyatakan bahwa energi yang diterima oleh fluida yang satu
mesti sama dengan energi yang dilepas oleh fluida yang satu lagi. Jika fluida yang
memiliki nilai yang lebih besar yang kita buat mengalami beda suhu maksimum,maka fluida yang satu lagi harus mengalami perubahan suhu yang lebih besar darimaksimum, dan ini tentu saja tidak mungkin. Jadi, rumus perpindahan kalor
maksimum yang mungkin dinyatakan sebagai : = () ( − ) Fluida minimum terdiri dari fluida minimum panas dan fluida minimum dingin,
tergantung dari laju aliran massa dan kalor spesifik. Untuk penukar kalor aliran
sejajar dapat dirumuskan sebagai berikut:
∈= 1
− 2
1 − 1 = 1
− 2
1 − 1 ∈= 2 − 1 1 − 1 = 2 − 11 − 1 Subskrip dalam lambang efektivitas menunjukkan fluida yang memiliki nilai yang minimum. Untuk penukar-kalor aliran-lawan arah, maka:
∈= 1 − 2 1 − 2 = 1 − 21 − 2
∈= 2
− 1
1 − 2 = 2
− 1
1 − 2 Secara umum efektivitas dapat dinyatakan sebagai:∈= ∆ ( )
Persamaan untuk efektivitas dalam aliran sejajar dapat kita turunkan sebagai berikut :
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
28/40
28
2 − 21 − 1 = − 1 + 1 = −1 + Atau
2 − 21 − 1 = exp − 1 + Jika fluida dingin adalah fluida minimum, maka:
∈= 2 − 11 − 1 Dengan mensubtitusi persamaan, rumus efektivitas juga dapat ditulis sebagai berikut:
∈= 1− exp − 1 + 1 +
Dapat dibuktikan bahwa persamaan tersebut juga dihasilkan sebagai efektivitas bila
fluida panas merupakan fluida minimum, kecuali disini disubtitusi dengan . Akibatnya, efektivitas secara umum ditulskan sebagai:∈= 1− exp − 1 +
1 +
Dimana C =
dinamakan laju kapasitas (capacity rate).
Analisis yang sama dapat pula diterapkan pada kasus aliran lawanh arah, dan
didapatkan perssamaan efektivitas berikut:
∈= 1− exp − 1− 1− exp − 1−
Kelompok suku UA/Cmin dinamakan jumlah stuan perpindahan (number of transfer
unit or NTU) karena member petunjuk tentang ukuran penukar kalor.
Jawab :
Pendekatan Metode Log Mean Temperature Di f ference (LMTD)
Perpindahan-kalor total ditentukan dari energi yang diserap air : = ∆ = 2,5418085− 35 = 522500 /
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
29/40
29
Oleh karena semua suhu fluida diketahui, LMTD dapat dihitung dengan
menggunakan skema suhu pada Gambar 4. :
∆ = 200− 93 − (85− 35)
ln
200
−93
85−35 = 74.92
℃
Mencari nilai F :
Untuk mendapatkan nilai F pada grafik, dibutuhkan data P dan R:
T1= 35oC T2= 85
oC t1= 200
oC t2= 93
oC
= 2 − 11 − 1 = 93− 20035− 200 = 0.65 = 1 − 22 − 1 = 35− 8593− 200 = 0.467 Mencari nilai F :
Gambar 9. Grafik faktor koreksi untuk penukar-kalor aliran-silang sekali-lintas,
kedua-fluida tak-campur
Karena nilai R tidak tepat pada garis, kita menggunakan metode interpolasisaat :
Nilai P = 0.65 dan nilai R = 0.4, nilai F = 0.935
Nilai P = 0.65 dan nilai R = 0.6, nilai F = 0.890
Interpolasi : − 0.9350.890− 0.935 = 0.467− 0.40.6− 0.4 = 0.919
Nilai luas area perpindahan kalor : = ∆
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
30/40
30
= ∆ = 522500180
0.919
74.92
= . Jadi, luas area perpindahan kalor dengan menggunakan metode LMTD adalah 42.16m
2
Pendekatan NTU-Efektivitas
Langkah 1 : Menentukan nilai Cmin/Cmaks = . .∆ = . .∆ = 2,5 4180 .℃85℃− 35℃
= 522500 = 522500 200℃− 93℃ = 522500 m h ch = 4883,18 W℃ = 2 − 1 = 52250085℃− 35℃
m ccc = 10450 W
℃
Langkah 2 : Menghitung efektivitas Heat Exchanger
Dari data sebelumnya kita dapat mengetahui bahwa fluida minimum adalah fluida
yang nilai aliran massanya lebih kecil dibandingkan yang lain sehingga fluida
minimum adalah gas panas. Efektivitas heat exchanger dapat dihitung dengan
rumus :
= ∆ − − =1 − 21 − 1 = 200℃− 93℃200℃− 35℃ = 0.648 = 64.8
=
4883,18
10450= 0.467
Langkah 3: Menentukan jumlah satuan perpindahan NTU
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
31/40
31
Berdasarkan Tabel diatas, nilai NTU dapat ditentukan dengan rumus dibawah ini.
Nilai NTU untuk aliran silang Cmaks campur dan Cmin tak-campur, maka didapatkan
nilai NTU :
= − ln 1 + 1 1 − = − ln 1 + 10.467
1− (0.467 0.648 = − 1.477 Langkah 4: Menentukan luas permukaan Heat Exchanger
= = = = (1,477)(4883,18)180
= . Jadi, luas area perpindahan kalor dengan menggunakan metode NTU adalah
40.069 m2
NOMOR 4.
75.000 lb/jam etilen glikol dipanaskan dari suhu 100oF menjadi 200
oF menggunakan
uap pada suhu 250oF. Untuk tujuan tertentu, telah disediakan HE 1-2 dengan diameter
dalam 17 ¼ inch. HE tersebut memiliki 224 tabung jenis 14 BWG dengan diameter
luar tabung ¾ inch dan panjang 16’0’’. Tabung disusun dengan susunan triangular
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
32/40
32
pitch 15/16 – inch dan jarak antar baffles 7 inch. Berapakah faktor pengotor dari HE
tersebut ?
Teori Dasar
Fouling atau pengotor merupakan pembentukan lapisan deposit pada permukaan dari
bahan atau senyawa pada proses perpindahan panas yang tidak diinginkan. Bahan
atau senyawa itu berupa kristal, sedimen, senyawa biologi, produk reaksi kimia,
ataupun korosi. Pembentukan lapisan deposit ini akan terus berkembang selama alat
penukar kalor dioperasikan. Penumpukan lapisan deposit pada permukaan alat
penukar kalor menimbulkan kenaikan pressure drop dan menurunkan efisiensi
pertukaran panasnya. Untuk menghindari penurunan performa alat penukar kalor
yang terus berlanjut, maka diperlukan suatu informasi yang jelas tentang tingkat
pengotoran untuk menentukan jadwal pembersihan. Lapisan pengotor dapat berasal
dari partikel-partikel atau senyawa lainnya yang terbawa oleh aliran fluida.
Pertumbuhan lapisan ini dapat didukung oleh permukaan deposit yang terbentuk
mempunyai sifat adhesif yang cukup kuat. Gradien temperatur yang cukup besar
antara aliran dengan permukaan dapat juga meningkatkan kecepatan pertumbuhan
deposit.
Faktor pengotoran didefinisikan sebagai
= 1 − 1 Diketahui :
= 75.000
1,
= 100
(
)
1,
= 200 ( ) 2, = 250 2, = 250 () Karakteristik Heat Exchanger :
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
33/40
33
Diameter dalam shell (ID) = 17,25 in
Jarak antar baffles (b) = 7 inch
Diameter luar tube (OD) = 0.75 inch
Panjang tube (L) = 16 ft
Jenis tube = 14 BWG
Pitch tube ( P t )= 15/16 inch
Jumlah tube ( N t ) = 224
Passes tube side (n pass) = 2
Passes shell side = 1
Ditanya : R f = ?
Asumsi :
Pada Heat Exchanger , steam (fluida panas) mengalir pada tube sedangkan etilen
glikol (fluida dingin) mengalir pada shell . Pemilihan fluida ini disebabkan karena
uap yang terkondensasi bersifat korosif sehingga perawatan heat exchanger akan
lebih mudah jika uap dialirkan di dalam tube.
Steam diasumsikan memiliki sifat-sifat termal yang sama dengan air untuk
menentukan
nilai viskositas.
Tidak ada aliran kalor antara sistem dan lingkungan.
Kalor yang dilepas oleh steam hanya digunakan untuk berubah wujud menjadicair dan
tidak digunakan untuk menurunkan suhunya.
Langkah-Langkah untuk Menghitung nilai R f :
1. Menentukan ∆ dengan metode LMTD∆ = 2, − 1, −2, − 1,
ln
2, −1,
2,
−1,
=250− 200 − 250− 100
ln
250−200250
−100
= 91,024 2. Menentukan Besarnya Kalor yang Berpindah (Q) dan Massa Steam yang
Masuk
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
34/40
34
Berdasarkan literatur, didapatkan nilai kalor jenis ethylene glycol pada rentang
suhu 100-200°F sebesar 0,62 Btu/lb.oF dan kalor laten penguapan air sebesar
945,5 Btu/lb
= × × ∆= 75.000 × 0,62 . × (200 − 100)
= 4,65 × 106 Menggunakan Asas Black = ( )
×
=
×
×
∆
× 945,5 = 4,65 × 106 = 4918 / 3. Aliran dalam shell (aliran steam)
Tabel 1 Data Heat Exchanger (Sumber : Kern, D. Q., 1965. Process Heat Transfer.
Paris: McGraw-Hill Book Company, Inc)
Berdasarkan tabel diatas, maka didapatkan data untuk OD tube sebesar ¾ in dan
14 BWG adalah
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
35/40
35
ID = 0,584 in = 0,0487 ft ′ = 0,268 in2 = 1,861×10-3 ft2 Selain itu, berdasarkan literatur, viskositas steam pada suhu 250°F sebesar 0,013
cp.
= ID × ′Pr× 144 = N × ′144 × = 224 × (1.861 × 10−3)144 × 2 = 1,447 × 10−3 2 = = 4918
1,447 × 10−3 2 = 3,4 × 106 2 .
= × = 0,0487 × 3,4 × 106 2 .0,013 × 2,42 . . = 5,263 × 106
Karena bilangan Reynold sebesar 5,263 × 106, maka aliran steam dalam heat
echanger merupakan aliran yang turbulen.
Gambar 10. Grafik Re vs jH (Sumber : Kern, D. Q., 1965. Process Heat Transfer.
Paris: McGraw-Hill Book Company, Inc)
Karena bilangan Reynold sebesar 5,263 × 106 dan bilangan Reynold tersebuttermasuk ke dalam zona turbulen, maka
= 0,8 = 5,263 × 1060,8 = 2,4 × 105
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
36/40
36
= × × −1
3 −0,14 → =
×
−1
3
−0,14
×
Berdasarkan literatur, diketahui nilai cp untuk steam sebesar 0,41 . dan kuntuk steam sebesar 9,9 × 10−3 /. . =
2,4 × 105
0,41 .×0,013 ×2,42 . . 9,9×10−3 / . .
−13 0,013
1 −0,14×
9,9 × 10
−3
/
.
.
0,0487 = 2,9 × 104 2 . 4. Aliran dalam tube (aliran ethylene glycol )
Berdasarkan literatur, nilai viskositas dari etilen glikol sebesar 5 cp atau 11,17/ 2 Tube pitch merupakan penjumlahan dari diameter tube dan jarak ruangan (C’).
Jadi :
′ = − = 1516− 3
4= 0,1875
= × ′ × = (17,25 ) × (0,1875 ) × ( 7 )1516
= 24,15 2= 0,1677 2
=
=
75000
0,1677 2
= 4,5 × 105
2
.
Menentukan De
= 4 × 12 × 0,86 − 18 212 =
4 × 12
×15
16× 0,86 ×
15
16− 1
80,752
1
2(0,75)
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
37/40
37
= 0,536 = 0,0447 Menentukan Bilangan Reynold
= × = 0,0447 × 4,5 × 105 2 .11,17 . = 1,8 × 103
Karena bilangan Reynold sebesar 1,8 × 103 maka aliran steam dalam heat
echanger merupakan aliran yang laminer. Berdasarkan gambar 1, didapatkan
nilai hio.
Berdasarkan literatur, nilai k etilen glikol sebesar 0,1503 /. . dan cpetilen glikol sebesar 0,62
.
= 1,86 × 1
3 0,14 = 1,86 1,8 × 10
3
0,62
.
×
11,17
.
0,1503 . . 16
0,0447 1
3
5
1 0,14
0,1503
.
.
0,0447 = 2426 2.
5. Menghitung R f
= ×
+
=
2426 × 2,9 × 104
2426 + 2,9 × 104= 2238,72
2 .
.
Menghitung Utotal
Berdasarkan tabel 1, didapatkan a”=0,1963 ft2 = × × ′′ = 224 × 16 × 0,1963 2 = 703,54 2
Menghitung Udirty
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
38/40
38
= × ∆ = 4,65 × 106
(703,54 2) × 91,024 = 72,6 2 . .
=
− × =
2238,72
−72,6
2238,72 × 72,6= 0,01333
.
2 .
Jadi, dirt factor sebesar 0,01333 h.ft2.oF/Btu
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
39/40
39
BAB III
KESIMPULAN
1. Konveksi merupakan peristiwa perpindahan kalor yang disertai dengan
perpindahan zat pengantar.
2. Konveksi dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu konveksi alamiah dan konveksi
paksa. Konveksi alamiah merupakan peristiwa perpindahan panas yang terjadi
tanpa stimulus khusus dari lingkungan, saat dua fluida pembawa kalor mengalir
secara alami disebabkan oleh perbedaan suhu dari daerah bersuhu tinggi ke
daerah yang bersuhu rendah. Konveksi paksa merupakan peristiwa perpindahan
panas yang terjadi dengan adanya stimulus khusus dari lingkungan.
3.
Lapisan batas termal didefinisikan sebagai daerah di mana terdapat gradien suhuyang terjadi karena proses pertukaran kalor fluida dan dinding.
4. Dalam penghitungan konveksi secara empiris, dilibatkan beberapa bilangan tak
berdimensi di antaranya Bilangan Nusselt, Bilangan Grashoft, Bilangan Prandtl,
dan bilangan Rayleigh.
5. Konveksi alami pada permukaan bergantung pada geometri permukaan. Faktor
lainnya yang memengaruhi konveksi alami adalah variasi suhu pada permukaan
dan sifat termofisika dari fluida yang terlibat.
6. Analisis dinamika fluida tersebut merupakan suatu metode untuk
mengidentifikasi suatu fluida yang bersifat dinamis atau tidak tetap.
7. Prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari 2 fluida pada
temperatur berbeda di mana transfer panas dapat dilakukan secara langsung
ataupun tidak langsung.
8. Kemampuan suatu alat penukar kalor (APK) dalam memindahkan panas
dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain: faktor pengotoran, koefisien
perpindahan panas, luas permukaan permindahan panas, beda suhu rata-rata,
jumlah lintasan, dan penurunan tekanan APK.
9. Metode untuk menentukan laju kalor pada konveksi paksa (APK) adalah metode
beda suhu rata-rata (LMTD) dan metode NTU-efektivitas.
8/17/2019 Makalah PK Pemicu 2
40/40
DAFTAR PUSTAKA
Holman, J. P. 1997. Perpindahan Kalor, terj. E. Jasfi. Edisi Keenam. Jakarta:
Erlangga.
Kern, D. Q., 1965. Process Heat Transfer. Paris: McGraw-Hill Book Company, Inc
Pitts, Donald R dan Leighton E. Sissom. 1987. TeoridanSoal-SoalPerpindahanKalor .
Jakarta :Erlangga
Anonim. Log Mean Temperature Difference.
http://eprints.undip.ac.id/41163/3/BAB_II.pdf (Diakses tanggal 18 April 2016)
http://eprints.undip.ac.id/41163/3/BAB_II.pdfhttp://eprints.undip.ac.id/41163/3/BAB_II.pdfhttp://eprints.undip.ac.id/41163/3/BAB_II.pdf