Analisis Dan Simulasi Alat Penukar Kalor Tabung Sepusat Aliran Berlawanan Dengan Variasi Temperatur, Kapasitas Aliran Pada Fluida Panas (Air) dan Fluida Dingin (Metanol)

(1)

LAMPIRAN

• Perhitungan Efektifitas Teoritis Dengan Menggunakan Metode NTU-ɛ

Untuk perhitungan secara teori dengan metode NTU-ɛ, proses perhitungannya ditampilkan di bawah ini untuk kondisi satu titik. Satu titik yang dimaksud adalah pada kondisi titik, temperatur fluida panas masuk (Th,i) 40 °C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 34 °C pada debit masuk fluida panas 180

l/jam dan debit masuk fluida dingin 240 l/jam. Fluida yang dianalisis sebagai

fluida panas adalah air dan fluida dingin adalah methanol. Diameter dalam tube (APK) 13 mm dan diameter luar APK 15 mm. Diameter dalam anulus 32 mm. Panjang APK adalah 1 m.

Iterasi 1 Andaikan :

Th = 35°C ρ = 994 kg/m3

cp = 4178 J/kg K Pr = 4,83

μ = 7,2.10-4 N.s/m2

k = 0,623 W/m.K Tc = 35°C ρ = 774,35 kg/m3

cp = 2610,5 J/kg K Pr = 6,301

μ = 4,774.10-4 N.s/m2

k = 0,1976 W/m.K

Aliran didalam Pipa bagian dalam

Q = 5.10-5 m3/s

Q = A.V

5.10-5 = /4 (0,013)2 V

V = 0,3768 m/s

Re = ρ V D

μ =

994 (0,3768) (0,013) 7,2.10-4

= 6764,1134 (Aliran Transisi)

(2)

xvii = 0,0497 kg/s

f = (0,790 ln Re – 1,64)-2

= (0,790 ln (6764,1134) – 1,64)-2 = 0,03523

Nu = (f/8) (Re – 1000) Pr 1 + 12,7 (f/8)0,5 (Pr2/3 – 1)

= (0,03523/8) (6764,1134 – 1000) 4,83 1 + 12,7 (0,03523/8)0,5 (4,832/3 – 1)

= 47,7974

hi =

k Nu D =

(0,623) 47,7974 0,013 = 2290,602 W/m2 °C Aliran didalam Anulus

Q = 6,667.10-5 m3/s Dh = Do – Di

= 0,032 – 0,015 = 0,017 m

Q = A.V

6,667.10-5 = /4 (0,0322- 0,0152) V

V = 0,10629 m/s

Re = ρ V �ℎ

μ =

774,35 (0,10629) (0,017) 4,774.10-4

= 2930,86 (Aliran Transisi)

ṁc = ρ Q = 774,35 (6,667.10-5) = 0,051625 kg/s

f = (0,790 ln Re – 1,64)-2

(3)

= 0,04591

Nu = (f/8) (Re – 1000) Pr 1 + 12,7 (f/8)0,5 (Pr2/3 – 1)

= (0,04591/8) (2930,86 – 1000) 6,301 1 + 12,7 (0,04591/8)0,5 (6,3012/3 – 1)

= 21,034

hi =

k Nu

�ℎ =

(0,1976) 21,034 0,017 = 244,49 W/m2 °C

Rf,i = 0,0002 m2 °C/W

Rf,o = 0,0001 m2 °C/W

Ai =  Di L = 3,14 (0,013) (1) = 0,04082 m2

Ao =  Do L = 3,14 (0,015) (1) = 0,0471 m2

kpipa = 237 W/m.K (Pipa Aluminium)

UAs

=

Ui Ai

=

Uo Ao

=

R = 1

hi Ai

Rf,i

+ ln (Do/Di)

2kL + Rf,o

+ 1

ho Ao

R = 1

2290,602 (0,04082) +

0,0002 0,04082 +

ln (15/13) 2(237) (1) +

0,0001

0,0471 +

244,49 (0,0471) = 0,01069491566 + 4,8995.10-3 + 9,6146.10-5 + 2,1231.10-3 + 0,086839 = 0,1046526617 °C/W

U = 1

R As

= 1

(0,1046526617) 0,04082 = 234,086 W/m 2

°C

Ch = ṁh cp,h = 0,0497 (4178) = 207,6466 W/K...�_��

Cc = ṁc cp,c = 0,051625 (2610,5) = 134,767 W/K... ��

Cmin

Cmax

= C = 134,767

207,6466= 0,649 NTU = U A

Cmin

= 234,086 (0,04082)

(4)

xix ε =

1 - exp �- NTU �1 - C�� 1 - C �exp �- NTU �1 - C��=

1 - exp �– 0,0709�1 – 0,649�� 1 – 0,649 �exp �– 0,0709�1 – 0,649��

= 0,066981

Karena Cc = Cmin maka keefektifan ε ε = (Tc,o – Tc,i)

(Th,i – Tc,i) 0,066981= (Tc,o –34)

(40 – 34)

Tc,o = 34,4018 °C

Kemudian diperoleh harga Th,o dengan menggunakan kesetimbangan entalpi

Ch (Th,i – Th,o) = Cc (Tc,o – Tc,i)

207,6466 (40 – Th,o) = 134,767 (34,4018 – 34)

Th,o = 39,7392 °C

Th =

40+39,7392

2 = 39,8696 °C

Tc =

34+34,4018

2 = 34,2009 °C

• Th yang didapat 39,8696 °C ≠ Th yang dimisalkan yaitu 35 °C • Tc yang didapat 34,2009 °C ≠ Tc yang dimisalkan yaitu 35 °C

Dilakukan Iterasi ke-2 dengan pemisalan Th dan Tc yang diperoleh sebelumnya Iterasi 2

Andaikan :

Th = 39,8696 °C ρ = 992,149552 kg/m3

cp = 4178,97392 J/kg K

Pr = 4,3333008

μ = 6,5474736.10-4 N.s/m2

(5)

Tc = 34,2009 °C ρ = 775,109145 kg/m3

cp = 2605,14603 J/kg K

Pr = 6,35230222

μ = 4,82418348.10-4 N.s/m2

k = 0,197663928 W/m.K

Aliran didalam Pipa bagian dalam

Q = 5.10-5 m3/s

V = 0,37688 m/s

Re = ρ V D

μ =

992,149552 (0,37688) (0,013) 4,3333008.10-4

= 7424,38

ṁh = ρ Q = 992,149552 (5.10-5) = 0,0496074776 kg/s

f = (0,790 ln Re – 1,64)-2

= (0,790 ln (7424,38) – 1,64)-2 = 0,03428

Nu = (f/8) (Re – 1000) Pr 1 + 12,7 (f/8)0,5 (Pr2/3 – 1)

= (0,03428/8) (7424,38 – 1000) 4,3333008 1 + 12,7 (0,03428/8)0,5 (4,33330082/3 – 1)

= 50,15925

hi =

k Nu D =

(0,63079136) 50,15925 0,013

= 2433,8481 W/m2 °C Aliran didalam Anulus

Q = 6,667.10-5 m3/s Dh = Do – Di

(6)

xxi = 0,017 m

Q = A.V

6,667.10-5 = /4 (0,0322- 0,0152) V

V = 0,10629 m/s

Re = ρ V �ℎ

μ =

775,109145 (0,10629) (0,017) 4,82418348.10-4

= 2903,3673 (Aliran Transisi)

ṁc = ρ Q = 775,109145 (6,667.10-5) = 0,051676 kg/s

f = (0,790 ln Re – 1,64)-2

= (0,790 ln (2903,3673) – 1,64)-2 = 0,04606

Nu = (f/8) (Re – 1000) Pr 1 + 12,7 (f/8)0,5 (Pr2/3 – 1)

= (0,04606/8) (2903,3673 – 1000) 6,35230222 1 + 12,7 (0,04606/8)0,5 (6,352302222/3 – 1)

= 20,8338

ho =

k Nu

�ℎ =

(0,197663928) 20,8338 0,017

= 242.24 W/m2 °C

Rf,i = 0,0002 m2 °C/W

Rf,o = 0,0001 m2 °C/W

Ai =  Di L = 3,14 (0,013) (1) = 0,04082 m2

Ao =  Do L = 3,14 (0,015) (1) = 0,0471 m2

kpipa = 237 W/m.K (Pipa Aluminium)

UAs

=

Ui Ai

=

Uo Ao

=

R = 1

hi Ai

Rf,i

+ ln (Do/Di)

2kL + Rf,o

+ 1

ho Ao

R = 1

2443,8481 (0,04082) +

0,0002 0,04082 +

ln (15/13) 2(237) (1) +

0,0001

0,0471 +

(7)

= 0,01002427082 + 4,8995.10-3 + 9,6146.10-5 + 2,1231.10-3 + 0,08764622897 = 0,104830247872161°C/W

U = 1

R As

= 1

(0,104830247872161) 0,04082 = 233,69 W/m 2

°C

Ch = ṁh cp,h = 0,0496074776 (4178,97392) = 207,3083W/K...��

Cc = ṁc cp,c = 0,051676 (2605,14603) = 134,6248 W/K... �_��

Cmin

Cmax

= C = 134,6248

207,3083= 0,6493 NTU = U A

Cmin

= 233,69 (0,04082)

134,6248 = 0,07085 ε =

1 - exp �- NTU �1 - C�� 1 - C �exp �- NTU �1 - C��=

1 - exp �– 0,07085�1 – 0,6493�� 1 – 0,6493�exp �– 0,07085�1 – 0,6493��

= 0,06694

Karena Cc = Cmin maka keefektifan ε ε = (Tc,o – Tc,i)

(Th,i – Tc,i) 0,06694= (Tc,o –34)

(40 – 34)

Tc,o = 34,40164 °C

Kemudian diperoleh harga Th,o dengan menggunakan kesetimbangan entalpi

Ch (Th,i – Th,o) = Cc (Tc,o – Tc,i)

207,30833 (40 – Th,o) = 134,6248 (34,40164 – 34)

Th,o = 39,73917737 °C

Th =

40+39,73917737

2 = 39,86955 °C

Tc =

34+34,40164

(8)

xxiii • Th yang didapat 39,86955 °C mendekati Th yang dimisalkan yaitu

39,8696 °C

• Tc yang didapat 34,20082 °Cmendekati Tc yang dimisalkan yaitu 34,2009 °C

Agar lebih akurat maka dilakukan Iterasi ke-3 Iterasi 3

Andaikan :

Th = 39,86955 °C ρ = 992,149571kg/m3

cp = 4178,97391 J/kg K

Pr = 4,3333059

μ = 6,5474803.10-4 N.s/m2

k = 0,63079128 W/m.K Tc = 34,20082 °C ρ = 775,109221 kg/m3

cp = 2605,145494 J/kg K

Pr = 6,352307356

μ = 4,824188504.10-4 N.s/m2

k = 0,1976639344W/m.K

Aliran didalam Pipa bagian dalam

Q = 5.10-5 m3/s

V = 0,37688 m/s

Re = ρ V D

μ =

992,149571 (0,37688) (0,013) 4,3333059.10-4

= 7424,375754

ṁh = ρ Q = 992,149571 (5.10-5) = 0,04960747855 kg/s

f = (0,790 ln Re – 1,64)-2

= (0,790 ln (7424,375754) – 1,64)-2 = 0,03428

(9)

Nu = (f/8) (Re – 1000) Pr 1 + 12,7 (f/8)0,5 (Pr2/3 – 1)

= (0,03428/8) (7424,375754 – 1000) 4,3333059 1 + 12,7 (0,03428/8)0,5 (4,33330592/3 – 1)

= 50,159231

hi =

k Nu D =

(0,63079128) 50,159231 0,013

= 2433,8466 W/m2 °C Aliran didalam Anulus

Q = 6,667.10-5 m3/s Dh = Do – Di

= 0,032 – 0,015 = 0,017 m

Q = A.V

6,667.10-5 = /4 (0,0322- 0,0152) V

V = 0,10629 m/s

Re = ρ V �ℎ

μ =

775,109221 (0,10629) (0,017) 4,824188504.10-4

= 2903,3645

(Aliran Transisi)

ṁc = ρ Q = 775,109221 (6,667.10-5) = 0,051676 kg/s

f = (0,790 ln Re – 1,64)-2

= (0,790 ln (2903,3645) – 1,64)-2 = 0,04606

Nu = (f/8) (Re – 1000) Pr 1 + 12,7 (f/8)0,5 (Pr2/3 – 1)

= (0,04606/8) (2903,3645 – 1000) 6,352307356 1 + 12,7 (0,04606/8)0,5 (6,3523073562/3 – 1)

(10)

xxv

= 20,8338

ho =

k Nu

�ℎ =

(0,1976639344) 20,8338 0,017

= 242,24 W/m2 °C

Rf,i = 0,0002 m2 °C/W

Rf,o = 0,0001 m2 °C/W

Ai =  Di L = 3,14 (0,013) (1) = 0,04082 m2

Ao =  Do L = 3,14 (0,015) (1) = 0,0471 m2

kpipa = 237 W/m.K (Pipa Aluminium)

UAs

=

Ui Ai

=

Uo Ao

=

R = 1

hi Ai

Rf,i

+ ln (Do/Di)

2kL + Rf,o

+ 1

ho Ao

R = 1

2443,8466 (0,04082) +

0,0002 0,04082 +

ln (15/13) 2(237) (1) +

0,0001

0,0471 +

242,24 (0,0471) = 0,01006546394 + 4,8995.10-3 + 9,6146.10-5 + 2,1231.10-3 + 0,08764622897 = 0,104830335156233 °C/W

U = 1

R As

= 1

(0,10483033515623) 0,04082 = 233,69 W/m 2

°C

Ch = ṁh cp,h = 0,04960747855 (4178,97391) = 207,3083W/K...�_��

Cc = ṁc cp,c = 0,051676 (2605,145494) = 134,6248 W/K... ��

Cmin

Cmax

= C = 134,6248

207,3083= 0,6493 NTU = U A

Cmin

= 233,69 (0,04082)

134,6248 = 0,07085 ε =

1 - exp �- NTU �1 - C�� 1 - C �exp �- NTU �1 - C��

=

1 - exp �– 0,07085�1 – 0,6493�� 1 – 0,6493�exp �– 0,07085�1 – 0,6493��

= 0,06694

(11)

ε = (Tc,o – Tc,i) (Th,i – Tc,i) 0,06694= (Tc,o –34)

(40 – 34)

Tc,o = 34,40164 °C

Kemudian diperoleh harga Th,o dengan menggunakan kesetimbangan entalpi

Ch (Th,i – Th,o) = Cc (Tc,o – Tc,i)

207,30833 (40 – Th,o) = 134,6248 (34,40164 – 34)

Th,o = 39,73917737 °C

Th =

40+39,73917737

2 = 39,86955 °C

Tc =

34+34,40164

2 = 34,20082 °C

Karena Th dan Tc yang dihitung telah sama dengan Th dan Tc yang dimisalkan, maka iterasi dihentikan.

Dari perhitungan diperoleh :

Th,o = 39,86955 °C

Tc,o = 34,20082 °C

Setelah diperoleh Th,o dan Tc,o dari satu titik, maka untuk titik berikutnya dihitung dengan menggunakan Visual Basic 6.0 kemudian data dimasukkan ke dalam

Microsoft Exxel 2010.

• Ketidakpastian Pengukuran

Flowmeter

Flowmeter digunakan untuk mengukur laju aliran maksimum air pada 1080 L/jam pada suhu 55°C. Pengukuran tekanan pada alat pengukur

(12)

xxvii biasanya memiliki ketelitian 0,25 % skala penuh. Diameter maksimum untuk flowmeter adalah 0,254 m ( 1 in ) dan diameter minimum adalah 0,0127 m ( ½ in )

Ketidakpastian pengukuran pada 360 L/jam = 0,0001 m3/s Pada suhu 55°C ρ = 985,2 kg/m3

μ = 0,000504 N.s/m2 Menghitung Reynold

ṁ = ρxQ = 985,2 x 0,0001 = 0,09852 kg/s

Re = 4ṁ π d μ=

4x0,09852 3,14x0,0127x0,000504 = 19607.42

Koefisien buang flowmeter diperoleh dari tabel buku metode pengukuran teknik karya J.Holman untuk ukuran ini adalah 0,96. Ketidakpastian dalam koefisien ini dianggap ±0,002 karena dari gambar merupakan perangkat perangkat kurva – kurva. Diferensial tekanan maksimum dapat dihitung pada Q maksimum 1080 L/jam :

Qnyata = ��2�2_�� 0,0003 = 0,96�3,14�0,2542

4�144�0,2542−0,01272� 2�1 985,2��

Misalkan pengukur tekanan diferensial dengan jangkau maksimum 30 Pa. Sesuai dengan keadaan di atas, ketidakpastian dalam bacaan tekanan adalah

�� = ± 0,166 �� Ə�

Ə�= ��2� 2��

� �� Ə�

Ə��= ��2 2��

2��

(13)

Jadi,

�� = ��

��

4� ��

�� 2

�1/2

Untuk Q=360 L/jam maka diferensial tekanan menjadi 2,78 ��

� = ��

�� 2

4� ��

�� 2

�1/2 ��

� = �� 0,002

0,96� 2

4� 0,166

2,78� 2

�1/2 = 0,0299 �� 2,99%

(14)

DAFTAR PUSTAKA

[1]Basuki, Achmad. 2006. Algoritma Pemograman 2 menggunakan Visual Basic

6.0. Surabaya :Institus Teknologi Sepuluh Nopember

[2]Cengel, Yunus.A. 2003. Heat Transfer: A Practical Approach, 2nd ed. New York : McGraw-Hill

(diakses tanggal 8 Juli 2015)

[4]https://www.academia.edu/Download (diakses tanggal 8 Juli 2015)

[6]Incropera F.P. Fundamentas Of Heat and Mass Transfer, 6th ed. New York : John Wiley & Sons

[7]Kuppan,T. 2000. Heat Exchanger Design Handbook. New York : Marcel Dekker.Inc

(15)

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian 3.1.1 Tempat Penelitian

Tempat penelitian merupakan lokasi pengerjaan penelitian dikerjakan guna membuktikan kebenaran dari penelitian. Penelititan mengenai analisis pengaruh variasi kapasitas aliran fluida panas dan dingin dengan temperatur masuk fluida panas yang juga divariasikan dan dengan arah aliran yang berlawanan akan dilakukan di laboratorium Instalasi Tenaga Uap Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara, Medan.

3.1.2 Waktu Penelitian

Waktu penelitian akan dikerjakan selama 3 hari yaitu pada tanggal 25 Juni sampai dengan tanggal 27 Juni 2015.

3.2 Metode Penelitian

Penelitian ini dikerjakan dengan metode eksperimen dan merupakan penelitian kuantitatif yaitu memaparkan secara jelas hasil eksperimen di laboratorium terhadap variabel yang sebelumnya telah ditentukan. Kemudian data yang diperoleh dari hasil eksperimen akan disajikan dalam bentuk grafik hubungan antara variabel bebas dan terikat. Setelah didapatkan data eksperimen kemudian dilakukan perhitungan secara teori dan secara simulasi dengan menggunakan software .

Metode eksperimen menurut Suharsimi Arikunto (1996) adalah suatu cara mencari hubungan sebab akibat (hubungan kausial) antara dua faktor yang sengaja ditimbulkan oleh peneliti dengan menyisihkan faktor-faktor yang lain yang bisa mengganggu penelitian. Penelitian ini dikerjakan untuk mengetahui pengaruh variasi kapasitas aliran dengan suhu yang konstan terhadap efektivitas alat penukar kalor tabung sepusat dimana arah alirannya dibuat berlawanan (counter

(16)

59 1 180 2 240 3 300 4 360 5 180 6 240 7 300 8 360 9 180 10 240 11 300 12 360 13 180 14 240 15 300

16 360 55 180 34

45 180 35

50 180 35

Kondisi

Suhu masuk fluida panas (ºC) Kapasitas fluida panas

Qh (l/j)

Suhu masuk fluida dingin (ºC) Kapasitas fluida dingin

Qc (l/j)

40 180 34

3.3 Populasi dan Sampel

Populasi dan sampel sangat perlu diperhatikan karena keduanya yang akan dianalisa nilainya sehingga didapat nilai kualitatifnya.

3.3.1 Populasi Penelitian

Populasi adalah keseluruhan objek penelitian (Suharsimi Arikunto, 1996:115). Populasi dalam penelitian ini adalah laju aliran massa yang bervariasi terhadap temperature masuk fluida panas yang konstan.

3.3.2 Sampel Penelitian

Sampel yang digunakan dalam penelitian ini adalah kapasitas aliran fluida panas alat penukar kalor tabung sepusat masuk yaitu 180 L/j , 240 L/j, 300 L/j, dan 360 L/j. dengan temperatur masuk fluida panas yaitu sebesar 40oC. kemudian variasi kapasitas aliran juga diuji pada temperatur masuk fluida panas lainnya yaitu 45oC, 50oC, dan 55oC. Selanjutnya untuk laju aliran fluida dingin divariasikan menjadi dua yaitu 180 L/j, 240 L/j dan 360 L/j. Masing-masing variasi kapasitas aliran dan suhu diambil sebanyak 1 kali dikarenakan kapasitas fluida dingin yang sangat terbatas, sehingga jumlah keseluruhan data menjadi 48 data.

(17)

1 180 2 240 3 300 4 360 5 180 6 240 7 300 8 360 9 180 10 240 11 300 12 360 13 180 14 240 15 300 16 360

50 240 36

55 240 32

40 240 34

45 240 34

Kondisi

Kapasitas fluida panas Qh (l/j)

Suhu masuk fluida panas (ºC)

Kapasitas fluida dingin Qc (l/j)

Suhu masuk fluida dingin (ºC) Tabel 3.2 Variasi Parameter Sampel Penelitian keadaan II

Tabel 3.3 Variasi Parameter Sampel Penelitian keadaan III

1 180 2 240 3 300 4 360 5 180 6 240 7 300 8 360 9 180 10 240 11 300 12 360 13 180 14 240 15 300 16 360

50 360 37

55 360 35

40 360 35

45 360 34

Kondisi

Kapasitas fluida panas Qh (l/j)

Suhu masuk fluida panas (ºC)

Kapasitas fluida dingin Qc (l/j)

Suhu masuk fluida dingin (ºC)

(18)

3.3.3 Teknik Sampling

Tujuan digunakannya teknik sampling adalah menentukan seberapa banyak sampel yang akan diambil. Teknik sampling yang akan digunakan untuk mengumpulkan data dari berbagai sumber data adalah purposive

sampling. Yaitu teknik pengambilan data dimana apa dan dan siapa yang

harus memberikan data ditentukan secara subjektif sesuai dengan kebutuhan yang telah ditentukan guna tercapai tujuan yang telah ditentukan. Karena data yang dikumpulkan dari pihak yang terkait langsung dengan permasalahan yang diteliti.

Penelitian dilakukan dengan menguji alat penukar kalor tabung sepusat dengan variasi-variasi yang telah ditentukan guna mendapatkan hasil perbandingan perhitungan hasil percobaan, hasil teori, dan hasil simulasi.

3.4 Teknik Pengumpulan Data

Pengumpulan data yang akan dikerjakan adalah pengumpulan data primer serta data sekunder. Dalam hal ini data sekunder berfungsi sebagai data pendukung sebagai referensi penelitian. Didalam pengumpulan data ada beberapa variabel. Variabel itu sendiri adalah objek penelitian (Suharsimi Arikunto, 1993 : 91). Adapun variabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah :

1) Variabel Bebas

Variabel bebas merupakan himpunan sejumlah gejala yang memiliki aspek atau unsur, yang berfungsi mempengaruhi atau menentukan munculnya variabel lain yang disebut dengan variabel terikat. Variabel bebas menentukan perubahan yang akan terjadi terhadap variabel terikat. Dengan kata lain jika variabel bebas berubah maka akan terjadi perubahan pula terhadap variabel terikat. Adapun yang menjadi variabel bebas pada penelitian ini adalah kapasitas aliran fluida panas dan suhu masukan fluida panas yang dibuat konstan. Kapasitas aliran yang akan digunakan pada penelitian ini adalah 180 l/j, 240 l/j, 300 l/j, dan 360 l/j. Kapasitas aliran tersebut akan diuji masing-masing pada temperatur masuk fluida panas 40oC, 45oC, 50oC, dan 55oC. Pada fluida dingin suhu

(19)

yang digunakan adalah suhu kamar dengan kapasitas aliran 180 l/j, 240 l/j dan 360 l/j

2) Variabel Terikat

Variabel terikat adalah himpunan sebuah gejala yang memiliki pula sejumlah aspek atau unsur di dalamnya, yang berfungsi atau menyesuaikan diri dengan kondisi lain, yang disebut dengan variabel bebas. Variabel terikat dapat dikatakan sebagai sesuatu yang dipengaruhi terhadap sesuatu yang lain. Variabel terikat dalam penelitian ini adalah efektifitas alat penukar kalor tabung sepusat.

3) Variabel Kontrol

Variabel kontrol adalah himpunan sejumlah gejala yang memiliki berbagai aspek atau unsur di dalamnya, yang berfungsi untuk mengendalikanagar variabel terikat yang muncul bukan karena variabel lain, tetapi benar-benar karena variabel bebas yang telah ditentukan. Pengendalian variabel ini digunakan agar tidak ada hal variabel yang mempengaruhi variabel terikat dalam hal ini efektifitas alat penukar kalor tabung sepusat selain dari variasi kapasitas aliran serta temperature suhu masukan.

Pengendalian ini sakan menghasilkan variabel terikat yang benar-benar diinginkan karena sebelumnya kita telah mengontrol setiap variabel lain tidak ada yang mempengaruhi selain dari variabel bebas yang telah ditentukan.

Variabel kontrol dalam penelitian ini adalah : 1. Alat pengujian

2. Isolasi pada alat penukar kalor 3. Alat ukur yang digunakan

3.5 Instrumen Penelitian

Instrumen penelitian yang digunakan untuk melaksanakan penelitian ini meliputi :

3.5.1Bahan Penelitian

Bahan penelitian yang digunakan di dalam penelitan ini adalah air sebagai fluida panas dan methanol sebagai fluida dingin.

(20)

63 Gambar 3.1 Metanol

3.5.2 Alat Penelitian

Dalam penelitian ini alat yang digunakan adalah sebagai berikut :

(21)

Alat uji diatas merupakan alat penukar kalor tabung sepusat yang dirancang oleh Hendrico. Adapun bagian-bagian dari alat tersebut adalah sebagai berikut :

1) Alat Ukur

Pada alat penukar kalor ini terdapat beberapa alat ukur yaitu alat ukur suhu, kapasitas aliran serta pengatur berapa suhu masukan fluida panas yang akan dimasukan.

Adapun penjelasan dari alat-alat ukur tersebut adalah sebagai berikut :

1. Alat Pengukur Suhu (Agilent)

Alat ukur ini berfungsi untuk mengukur suhu masukan dan suhu keluaran dari masing-masing fluida yaitu fluida panas dan fluida dingin. Suhu yang didapat akan dimunculkan pada layar display penunjuk dan akan tersimpan dalam bentuk data excel. Berikut adalah gambar dari alat ukur suhu dari alat penukar kalor tersebut.

Gambar 3.3 Agilent 2. Alat Pemanas Air ( Heater)

Alat pemanas air ini digunakan untuk memanaskan air sesuai dengan kebutuhan.

(22)

65 Gambar 3.4 Heater

3. Alat Ukur Kapasitas Aliran (Flowmeter)

Alat ukur ini bertujuan mengetahui berapa kapasitas aliran yang terjadi pada masing-masing pipa yaitu pada pipa yang mengalirkan fluida panas dan pipa yang mengalirkan fluida dingin. Adapun gambar dari alat ukur tersebut adalah sebagai berikut.

Gambar 3.5 Flowmeter 4. Alat pengatur suhu (Termostat)

(23)

Alat ini berfungsi untuk mengatur berapa panas yang akan diberikan kepada air yang akan digunakan sebagai fluida pemanas di dalam penelitian ini. Berikut ini adalah gambar alat pengatur suhu yang akan digunakan.

Gambar 3.6 Termostat 2) Pompa

Pompa digunakan untuk mengalirkan fluida panas di dalam alat penukar kalor sedangkan fluida dingin dialirkan melalui keran yang terdapat di dekat apk tersebut. Adapun gambar dari pompa tersebut adalah sebagai berikut.

(24)

67 3) Tabung Sepusat

Pada tabung ini terjadi perpindahan kalor dari fluida panas ke fluida dingin begitu juga sebaliknya tergantung tujuang dari penggunaannya apakah untuk pendinginan atau pemanasan. Berikut adalah gambar dari tabung sepusat yang akan digunakan pada penelitian ini.

Gambar 3.8 Tabung Sepusat Spesifikasi :

Diameter tabung dalam : 13 mm Diameter tabung luar : 15 mm Diameter dalam annulus : 32 mm Bahan pipa dalam : Aluminium Bahan pipa luar : Besi

(25)

3.5.3 Skema Uji Penelitian

Berikut ini adalah skema uji penelitian yang dilakukan oleh penulis yang terdapat pada gambar 3.8

(26)

3.5.4 Diagram Alir Proses Penelitian

Untuk melaksanakan penelitian ini menggunakan langkah-langkah sebagai berikut :

(27)

3.5.5 Proses Percobaan

Proses pengujian terdiri dari beberapa langkah-langkah yaitu sebagai berikut :

1. Memasukkan air dan methanol ke dalam tangki persedian.

2. Masukkan air ke dalam tangki air panas dan methanol ke dalam tangki air dingin, kedua tangki tersebut diisi sampai penuh.

3. Jalankan pompa sirkulasi air panas dan sirkulasi air panas.

4. Periksa alat pemanas listrik dengan saklar pada on. 5. Atur katup sesuai dengan kapasitas aliran yaitu 180

l/j, 240 l/j, 300 l/j, 360 l/j. Atur thermostat sebesar 40oC untuk menentukan suhu fluida panas.

6. Catat data suhu keluaran yang dapat dilihat pada instrument alat ukur suhu.

7. Ulangi kembali untuk suhu masukan fluida panas yaitu 45oC, 50oC, dan 55oC

3.6 Instrumen Simulasi

Instrument simulasi yang digunakan adalah sebagai berikut:

3.6.1 Bahan Simulasi

Bahan simulasi yang digunakan yaitu data awal percobaan.

3.6.2 Alat Simulasi

Alat simulasi yang digunakan yaitu 1. Laptop

Laptop yang digunakan untuk melakukan simulasi yaitu : Merk : Toshiba

Tipe : CQ 41 RAM : 4 Gigabyte Prosesor : intel Core i5

(28)

71 Gambar 3.11 Laptop

3.6.3 Diagram Alir Perhitungan Efektifitas dengan Visual Basic 6.0

Perhitungan yang dilakukan untuk mencari nilai efektifitas dari APK tabung sepusat dengan fluida panas adalah air dan fluida dingin adalah metanol dapat menggunakan Microsoft exxel tetapi untuk lebih mempermudah perhitungan secara teori dapat menggunakan program yang dibuat dari Visual Basic 6.0. Berikut diagram alir dan hasil program yang digunakan untuk mempermudah perhitungan

(29)

Gambar 3.12 Diagram Alir Perhitungan Efektifitas menggunakan Visual Basic 6.0

(30)

73 Gambar 3.13 Program untuk perhitungan efektifitas menggunakan

(31)

3.6.4 Diagram Alir Simulasi

Dalam pengerjaan perhitungan simulasi dengan software Ansys Fluent 14.5 digunakan langkah-langkah sebagai berikut:

MULAI

DIMASUKKAN PARAMETER YANG SUDAH GEOMETRI , MESH

, SET UP , SOLUSI

ANALISA PARMETER YANG SUDAH DI

TENTUKAN

KONVERGEN

SELESAI YA

TIDAK

(32)

BAB IV

ANALISA DATA

4.1 Perhitungan Teoritis

Analisa data dilakukan dengan cara membandingkan data yang diambil dari lapangan yang meliputi temperatur air panas keluar (Th,o) dan temperatur methanol dingin keluar (Tc,o) terhadap hasil perhitungan secara teori dengan metode NTU, yang selanjut akan diperoleh efektifitas alat penukar kalor tersebut. Dalam menghitung temperatur keluar fluida, digunakan asumsi tidak ada kehilangan panas yang terjadi pada APK karena permukaan luarnya telah diisolasi dan kapasitas aliran yang terjadi di lapangan dianggap konstan. Jenis alat penukar kalor yang dianalisis adalah tabung sepusat, dengan dimensi seperti pada gambar 4.1.

Untuk data di lapangan telah diperoleh temperatur keluar fluida dari hasil pembacaan alat ukur yang terdapat di lapangan, sehingga selanjutnya dilakukan perhitungan efektifitas alat penukar kalor. Perhitungan efektifitas dapat dilakukan dengan meggunakan perbandingan temperatur fluida pada sisi masuk dan sisi keluar yang telah diketahui. Untuk dapat menggunakan rumus efektifitas yang tepat, dilakukan terlebih dahulu perhitungan Cmin dan Cmaks. Dengan diperoleh hasil perhitungan Cmin dan Cmaks maka akan dapat digunakan rumus efektifitas yang tepat. Didalam perhitungan ini sifat-sifat fisik fluida dihitung pada temperatur rata-rata. Hasil perhitungan secara menyeluruh akan ditampilkan dalam bentuk tabel. Untuk perhitungan secara teori dengan menggunakan metode NTU-ɛ dapat dilihat pada lampiran.

(33)

*satuan dalam milimeter Gambar 4.1 Dimensi APK tabung sepusat

(34)

77 Hasil perhitungan secara teori dengan menyeluruh dapat dilihat pada tabel berikut :

Tabel 4.1 Efektifitas APK Secara Teori (Metode NTU)

Debit Air

Panas

(l/jam)

Debit

Metanol

(l/jam)

40 34 39.9128 34.1792 2.986

45 35 44.8542 35.2985 2.985

50 35 49.7805 35.4484 2.9892 55 34 54.6916 34.6294 2.997

240 180

40 34 39.9340 34.1808 3.0128 45 35 44.8897 35.3011 3.0109 50 35 49.8341 35.4520 3.013 55 34 54.7669 34.6344 3.0207

300 180

40 34 39.9469 34.1817 3.0291 45 35 44.9113 35.3026 3.026 50 35 49.8666 35.4543 3.0283 55 34 54.8126 34.6374 3.03

360 180

40 34 39.9556 34.1824 3.04 45 35 44.9258 35.3037 3.0368 50 35 49.8885 35.4558 3.0384 55 34 54.8433 34.6394 3.044

180 240

40 34 39.7392 34.4017 6.6942 45 34 44.5179 34.7409 6.735 50 36 49.3706 36.9629 6.8777 55 32 53.9952 33.5413 6.701

240 240

40 34 39.7990 34.4127 6.8779 45 34 44.6290 34.7603 6.9115 50 36 49.5159 36.9875 7.053 55 32 54.2284 33.5781 6.8612

300 240

40 34 39.8365 34.4195 6.992 45 34 44.6985 34.7724 7.021 50 36 49.6066 37.0030 7.164

(35)

55 32 54.3737 33.6011 6.9614

360 240

40 34 39.8622 34.4242 7.0706 45 34 44.7460 34.7807 7.0974

50 36 49.6687 37.0136 7.24

55 32 54.4728 33.6170 7.03

180 360

40 35 _39.6820 _{35.3260 6.5208} 45 34 _44.2981 _{34.7193 6.5388} 50 37 _49.1470 _{37.8690 6.6846} 55 35 _53.6932 _{36.3314 6.6567}

240 360

40 35 _39.7518 _{35.3393 6.7863} 45 34 _44.4532 _{34.7471 6.7920} 50 37 _49.3360 _{37.9019 6.9378} 55 35 _53.9844 _{36.3795 6.8974}

300 360

40 35 _39.7965 _{35.3477 6.9548} 45 34 _44.5522 _{34.7648 6.9530} 50 37 _49.4564 _{37.9229 7.0993} 55 35 _54.1694 _{36.4102 7.0510}

360 360

40 35 _39.8276 _{35.3536 7.0721} 45 34 _44.6207 _{34.7772 7.0651} 50 37 _49.5398 _{37.9376 7.2120} 55 35 _54.2972 _{36.4317 7.1583} Dari perhitungan teori dengan metode NTU diperoleh efektifitas APK minimum adalah 2,985 % pada temperatur fluida panas masuk (Th,i) 40 °C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 34 °C pada debit masuk fluida panas 180

l/jam dan debit masuk fluida dingin 180 l/jam. Sedangkan efektifitas APK

maksimum adalah 7,24 % pada temperatur fluida panas masuk (Th,i) 50 °C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 36 °C pada debit masuk fluida panas 360

(36)

4.2 Perhitungan Data Hasil Pengujian

Untuk dapat menggunakan rumus keefektifitasan yang tepat didalam perhitungan keefektifan APK di lapangan, dilakukan terlebih dahulu perhitungan

Cmin dan Cmaks. Dengan diperoleh hasil perhitungan Cmin dan Cmaks maka akan dapat digunakan rumus efektifitas yang tepat. Didalam perhitungan ini sifat-sifat fisik fluida dihitung pada temperatur rata-rata.

Cc = ṁccp,c

Ch = ṁhcp,h

Bila Ch = Cmin maka keefektifan ε

ε = (Th,i – Th,o) (Th,i – Tc,i)

Bila Cc = Cmin maka keefektifan ε

ε = (Tc,o – Tc,i) (Th,i – Tc,i)

Pada kasus methanol sebagai fluida dingin dengan debit 180, 240 dan 360 l/jam yang menjadi Cmin adalah Cc karena nilai dari Cp,c < Cp,h..

Hasil perhitungan keefektifan APK di lapangan secara menyeluruh akan ditampilkan dalam bentuk tabel berikut:

Tabel 4.2 Efektifitas APK di Lapangan

Debit

Air

Panas

(l/jam)

Debit

Metanol

(l/jam)

40 34 38.6738 34.785 13.0833 45 35 43.2461 35.893 8.93 50 35 47.569 37.654 17.6933 55 34 53.378 37.0632 14.5867

240 180

40 34 38.74 34.866 14.4333 45 35 43.357 36.075 10.75 50 35 48.0431 37.896 19.3067 55 34 53.795 36.789 13.281

300 180 40 34 38.8954 34.987 16.45

(37)

50 35 48.478 37.561 17.0733 55 34 53.98 37.145 14.9762

360 180

40 34 39.012 35.156 19.2667 45 35 43.678 36.981 19.81 50 35 48.957 37.406 16.04 55 34 54.052 37.678 17.5143

180 240

40 34 38.482 34.32 5.333

45 34 40.331 34.548 4.9818

50 36 45.389 37.281 9.15

55 32 48.024 36.108 17.8609

240 240

40 34 38.578 34.3721 6.2017 45 34 40.243 34.686 6.2364 50 36 46.131 37.377 9.8357 55 32 48.335 36.561 19.8304

300 240

40 34 38.785 34.39 6.5

45 34 40.36 35.309 11.9

50 36 45.766 37.755 12.5357 55 32 49.919 36.601 20.0043

360 240

40 34 39.432 34.675 11.25

45 34 41.073 34.504 4.5818

50 36 46.257 37.651 11.7929

55 32 49.496 36.781 20.787

180 360

40 35 38.748 35.17 19.5

45 34 40.078 34.653 5.9364 50 37 46.565 37.706 5.4308

55 35 48.841 36.928 9.64

240 360

40 35 38.725 35.302 6.04

45 34 40.767 34.822 7.4727 50 37 45.875 37.892 6.8615 55 35 48.246 37.219 11.095

300 360 40 35 39.289 35.285 5.7

(38)

81 50 37 46.355 37.707 5.4385 55 35 48.739 37.581 12.905

360 360

40 35 39.571 35.342 6.84

45 34 41.157 35.16 10.5455 50 37 46.699 37.817 6.2846

55 35 49.625 37.91 14.55

Dari perhitungan data di lapangan diperoleh efektifitas APK minimum adalah 4,5818 % pada temperatur fluida panas masuk (Th,i) 45 °C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 34 °C pada debit masuk fluida panas 360 l/jam dan debit masuk fluida dingin 240 l/jam. Sedangkan efektifitas APK maksimum adalah 20,787 % pada temperatur fluida panas masuk (Th,i) 55 °C dan temperatur fluida dingin masuk (Tc,i) 32 °C pada debit masuk fluida panas 360 l/jam dan debit masuk fluida dingin 240 l/jam.

Data yang diperoleh dari perhitungan efektifitas APK di lapangan cukup berbeda jauh dengan perhitungan efektifitas APK secara teori yang menggunakan metode NTU-ɛ.

Berbagai hal yang mempengaruhi kondisi di atas adalah seperti:

1. Pembacaan alat ukur yang kurang karena termokopel tidak dapat bersentuhan langsung dengan kedua fluida yang keluar langsung dari APK.

2. Diameter annulus yang cukup besar sehingga mempengaruhi nilai efektifitas dari alat penukar kalor tersebut. Dengan memperkecil diameter annulus maka akan dapat diperoleh kefeektifan yang jauh lebih baik.

Kedua hal di atas merupakan faktor yang signifikan yang menyebabkan selisih efektifitas APK di lapangan dengan secara teori berbeda cukup tinggi. Alat ukur dalam hal ini yang dimaksud adalah agilent sehingga dapat dilihat dari perbedaan temperatur yang tinggi temperatur keluar fluida dingin dan fluida panas.

(39)

4.3 Perhitungan Dengan Simulasi

Sebagai perbandingan, dalam penelitian ini juga disertakan hasil perhitungan dengan menggunakan software yaitu Ansys Fluent 12.0. Kegunaan dari perhitungan sebagai data pembanding dengan hasil uji eksperimental dengan hasil perhitungan teori, karena didapatkan perbedaan anatara kedua hasil tersebut maka simulasi ditujukan sebagai referensi tambahan untuk mendukung hasil dari perhitungan teori. Adapun langkah dalam pengerjaan simulasi dengan menggunakan software ansys 14.5 adalah sebagai berikut

Langkah pengerjaan simulasi dengan program Ansys 14.5

1. Membuka ansys workbench 14.5 kemudian mendrag CFD (Fluent) ke dalam project scematic kemudian mengimport geometry yang sudah dibuat pada CAD sesuai dengan alat yang akan disimulasikan.

(40)

83 2. Mengatur geometry dimana dalam hal ini nama dari bagian benda atau

objek yang akan disimulasikan diganti sesuai dengan yang dikehendaki. Pada bagian ini ditentukan juga mana bagian yang bertindak sebagai fluida dan solid.

Gambar 4.4 Mengatur Geometry

3. Sebelum mengatur mesh terlebih dahulu diatur bagian yang akan dianalisa dengan meng-klik kanan kemudian create named selection lalu membuat daerah daerah yang akan dilalui kedua fluida baik masuk maupun keluar maupun isolasi.

(41)

4. Kemudian dilakukan meshing dengan menggunakan mesh control yaitu

sizing dan inflation pada bidang yang akan di analisa kemudian generate mesh sehingga diperoleh meshing pada gambar berikut.

Gambar 4.6 Mengatur mesh

5. Setelah geometry dan mesh diatur langkah selanjutnya adalah mengatur set

up atau mengatur metode perhitungan yang akan dikerjakan. Ketika berada

dalam set up di check quality mesh yang dikerjakan sebelumnya dan dilihat

size untuk melihat jumlah cell dan node yang ada.

(42)

85 6. Setelah mengecek kualitas mesh dan size kemudian di atur langkah –

langkah dalam pemodelan yaitu dengan cara : • Mengatur energy pada kondisi on

Gambar 4.8 Mengatur energy pada kondisi on

• Mengatur viscous dengan memilih ke 8 equation yang ada dan mencoba secara berulang sehingga diperoleh hasil yang mendekati

(43)

• Mengatur heat exchanger sesuai dengan data yang ada seperti pada

fluid zones diatur kedua primary dan auxiliary seperti yang di

lapangan kemudian memilih fixed inlet temperature kemudian memilih counter flow untuk aliran berlawanan serta luas kedua masing – masing tabung dipilih berdasarkan referensi yang ada.

Gambar 4.10 Mengatur heat exchanger

7. Langkah berikutnya yaitu menentukan material yang digunakan baik fluid maupun solid yang diambil dari data base fluent yang diberikan seperti metanol, air, aluminium dan besi.

(44)

87 8. Mengatur cell zone condition yaitu mengatur fluida sesuai dengan daerah

yang ditentukan dan material kedua tabung.

Gambar 4.12 Mengatur cell zone condition

9. Mengatur boundary condition dengan menginput data aliran fluida panas masuk dan keluar seperti kecepatan aliran dan temperatur masuk begitu juga dengan data aliran fluida dingin masuk dan keluar.

(45)

10. Mengatur solution method yang akan digunakan untuk aliran turbulen ataupun laminar meggunakan scheme SIMPLE dengan Gradient

Green-Gauss Cell Based dan mengatur setiap pilihan menjadi second order.

Gambar 4.14 Mengatur solution methods

11. Mengatur solution initialization dan memilih standard initialization dan mengklik initialization.

(46)

89 12. Kemudian run calculation untuk mengeksekusi analisis dengan data – data yang sudah diberikan untuk memperoleh hasil yang diinginkan dengan jumlah iterasi yang dilakukan 500 kali dan ditunggu hingga converged.

Gambar 4.16 Melakukan run calculation

13. Setelah converged maka di dapatkan hasil simulasi yang diinginkan sesuai dengan metode yang digunakan pada bagian report lalu heat exchanger dan compute kedua temperatur keluar.

(47)

14. Melihat distribusi temperatur yang terjadi dengan menggunakan menu

Grapic and Animations kemudian pilih contour

Gambar 4.18 Melihat distribusi temperatur awal masuk fluida

(48)

91 Gambar 4.20 Melihat distribusi temperatur keluaran fluida

(49)

Tabel 4.3 Efektifitas APK dengan menggunakan Ansys Fluent

Debit

Air

Panas

(l/jam)

Debit

Methanol

(l/jam)

T

h,i

(°C) T

c,i

(°C)

T

h,o

(°C)

T

c,o

32

53.3641 34.4243 10.5407

240

40

34

39.6757 34.6407 10.6787

45

34

44.4054 35.1747 10.6786

50

36

_{49.2432 37.4950 10.6792}

55

32

53.7567 34.4561 10.6821

300

240

40

34

39.7388 34.6444 10.7400

45

50

37

_{49.2634 38.2115} _9.3189

55

35

53.8667 36.8638 9.3190

360

40

35

39.7600 35.4734 9.4682

45

34

44.4721 35.0415 9.4683

50

37

_{49.3761 38.2390} _9.5310

55

35

54.0402 36.8937 9.4685 Setelah dilakukan perbandingan perhitungan dengan menggunakan software Ansys Fluent, dapat dilihat perbedaan hasil yang diperoleh dengan perhitungan metode NTU dan perhitungan di lapangan. Perbedaan hasil lebih kecil terlihat antara hasil perhitungan metode NTU dibandingkan dengan hasil perhitungan dengan menggunakan software. Untuk lebih jelasnya, perbedaan hasil perhitungan tersebut dapat dilihat dengan lengkap pada tabel berikut.

(51)

Gambar 4.21 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 40 °C dan 34 °C dengan kapasitas fluida dingin 180 l/jam Dari grafik dapat dilihat ɛ eksperimen semakin meningkat dengan laju aliran air panas yang cukup besar dibanding dengan teori dan simulasi yang juga meningkat tetapi tidak terlalu jauh.

Gambar 4.22 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 45 °C dan 35 °C kapasitas fluida dingin 180 l/jam

0 5 10 15 20 25

0 60 120 180 240 300 360 420

ε(%) Teori

ε(%) eksperimen

ε(%) simulasi

ε

(%)

0 5 10 15 20 25

0 60 120 180 240 300 360 420

ε(%) Teori

ε(%) eksperimen

ε(%) simulasi

ε(%)

(52)

95 Dari grafik dapat dilihat ɛ eksperimen semakin meningkat dengan laju aliran air panas yang cukup besar dibanding dengan teori dan simulasi yang juga meningkat tetapi tidak terlalu jauh.

Gambar 4.23 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 50 °C dan 35 °C dengan kapasitas fluida dingin 180 l/jam

Dari grafik di atas dapat dilihat ɛ eksperimen tertinggi terdapat pada kapasitas aliran air panas 240 L/jam yang kemudian mengalami penurunan. Hal ini terjadi dikarenakan faktor flowmeter serta kabel termokopel yang telah dijelaskan di atas.

0 5 10 15 20 25

0 60 120 180 240 300 360 420

ε(%) Teori

ε(%) eksperimen

ε(%) simulasi

ε(%)

(53)

Gambar 4.24 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 55 °C dan 34 °C dengan kapasitas fluida dingin 180 l/jam Dari grafik di atas dapat dilihat ɛ eksp erimen tertinggi terdapat pada kapasitas aliran air panas 360 L/jam. Untuk kondisi eksperimen pada Qh 240 L/jam terjadi penurunan disebabkan oleh kondisi flowmeter yang terkadang melebihi laju aliran yang diinginkan.

Gambar 4.25 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 40 °C dan 34 °C dengan kapasitas fluida dingin 240 l/jam Dari grafik di atas dapat dilihat ɛ eksperimen pada Qh 360 L/jam jauh meningkat dibanding dengan lainnya. Keadaan ini terjadi karena flowmeter tidak berjalan dengan baik.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0 60 120 180 240 300 360 420

ε(%) Teori

ε(%) eksperimen

ε(%) simulasi

ε(%)

Qh (L/jam)

0 2 4 6 8 10 12

0 60 120 180 240 300 360 420

ε(%) Teori

ε(%) eksperimen

ε(%) simulasi

ε(%)

(54)

97 Gambar 4.26 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada

suhu 45 °C dan 34 °C dengan kapasitas fluida dingin 240 l/jam Dari grafik di atas dapat dilihat ɛ eksperimen pada Qh 300 L/jam jauh meningkat dibanding dengan lainnya. Keadaan ini terjadi karena flowmeter tidak berjalan dengan baik.

Gambar 4.27 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 50°C dan 36°C dengan kapasitas fluida dingin 240 l/jam Dari grafik dapat dilihat ɛ eksperimen semakin meningkat dengan laju aliran air panas yang cukup besar tetapi mengalami penurunan sedikit pada Qh 360 L/jam dikarenakan pengaruh faktor yang dissebutkan di atas.

0 2 4 6 8 10 12 14

0 60 120 180 240 300 360 420

ε(%) Teori

ε(%) eksperimen

ε(%) simulasi

ε(%)

Qh (L/jam)

0 2 4 6 8 10 12 14

0 60 120 180 240 300 360 420

ε(%) Teori

ε(%) eksperimen

ε(%) simulasi

ε(%)

(55)

Gambar 4.28 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 55 °C dan 32 °C dengan kapasitas fluida dingin 240 l/jam Dari grafik dapat dilihat ɛ eksperimen semakin meningkat dengan laju aliran air panas yang cukup besar dibanding dengan teori dan simulasi yang juga meningkat tetapi tidak terlalu jauh.

Gambar 4.29 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 40 °C dan 35 °C dengan kapasitas fluida dingin 360 l/jam Dari grafik di atas dapat dilihat ɛ eksperimen terdapat 3 titik di bawah ɛ teori sedangkan pada Qh 180 L/jam berada jauh di atas. Hal ini dikarenakan keadaan flowmeter serta kabel termokopel seperti yang telah disebutkan di atas

0 5 10 15 20 25

0 60 120 180 240 300 360 420

ε(%) Teori

ε(%) eksperimen

ε(%) simulasi

ε(%)

Qh (L/jam)

0 5 10 15 20 25

0 60 120 180 240 300 360 420

ε(%) Teori

ε(%) eksperimen

ε(%) simulasi

ε(%)

(56)

99 Gambar 4.30 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada

suhu 45 °C dan 34 °C dengan kapasitas fluida dingin 360 l/jam Dari grafik di atas dapat dilihat ɛ eksperimen semakin meningkat dengan laju aliran air panas yang cukup besar dibanding dengan teori dan simulasi yang juga meningkat tetapi tidak terlalu jauh.

Gambar 4.31 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 50 °C dan 37 °C dengan kapasitas fluida dingin 360 l/jam Dari grafik di atas dapat dilihat ɛ eksperimen berada di bawah ɛ teori dan pada Qh=240 L/jam diperoleh ɛ eksperimen mendekati ɛ teori

0 2 4 6 8 10 12

0 60 120 180 240 300 360 420

ε(%) Teori

ε(%) eksperimen

ε(%) simulasi

ε(%)

Qh (L/jam)

0 2 4 6 8 10 12

0 60 120 180 240 300 360 420

ε(%) Teori

ε(%) eksperimen

ε(%) simulasi

ε(%)

(57)

Gambar 4.32 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 55 °C dan 35 °C dengan kapasitas fluida dingin 360 l/jam Dari grafik di atas dapat dilihat ɛ eksperimen semakin meni ngkat dengan laju aliran air panas yang cukup besar dibanding dengan teori dan simulasi yang juga meningkat tetapi tidak terlalu jauh.

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0 60 120 180 240 300 360 420

ε(%) Teori

ε(%) eksperimen

ε(%) simulasi

ε(%)

(58)

101 Tabel 4.4 Perbandingan hasil efektifitas APK dengan metode NTU, eksperimen dan Ansys Fluent

(59)

Debit Air Panas

(l/jam)

Debit

Methanol

(l/jam)

T

h,i

(°C

Tho (ºC)

Tco (ºC)

efektifitas (%)

Tho (ºC) Tco (ºC) efektifitas (%) Tho (ºC) Tco (ºC) efektifitas (%)

180

40

45

50

55

240

180

40

45

50

55

300

180

40

45

50

55

(60)

103

360

180

40

45

50

55

180

240

40

45

50

55

240

40

45

50

55

300

240

40

(61)

50

55

360

240

40

45

50

55

180

360

40

45

50

55

240

360

40

45

50

(62)

105

55

300

360

40

45

50

55

360

40

45

50

55

(63)

Dari tabel perbandingan di atas dapat dilihat bahwa masing – masing hasil keefektifitasan memiliki nilai yang rendah. Secara teori atau dengan menggunakan perhitungan NTU diperoleh efektifitas sebesar 7,24 % yang dikatakan rendah. Hal ini dapat terjadi karena methanol yang digunakan sebagai fluida dingin memiliki sifat – sifat thermodinamika yang rendah dan dapat ditinjau dari nilai kalor jenis (Cp), konduktivitas thermal (k), massa jenis (ρ) dan viskositas dinamiknya (μ) yang kecil sehingga berpengaruh terhadap efektifitas yang rendah.

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

1. Diperoleh temperatur fluida panas keluar dan fluida dingin keluar yang cukup jauh berbeda dengan hasil perhitungan secara teori dengan metode NTU, yang dapat dilihat pada bab 4.

2. Diperoleh keefektifan maksimum di lapangan sebesar 20,787 % pada kapasitas aliran metanol dingin 240 l/jam dan aliran air panas 360 l/jam pada temperatur air panas masuk 55°C dan temperatur metanol masuk 32°C.

3. Diperoleh keefektifan maksimum secara teori sebesar 7,24 % pada kapasitas aliran metanol dingin 240 l/jam dan aliran air panas 360 l/jam pada temperatur air panas masuk 50°C dan temperatur metanol masuk 36°C.

4. Diperoleh keefektifan maksimum secara simulasi sebesar 10,894 % pada kapasitas aliran metanol dingin 240 l/jam dan aliran air panas 360 l/jam pada temperatur air panas masuk 55°C dan temperatur metanol masuk 32°C.

5.2 Saran

1. Untuk lebih meningkatkan efektifitas dapat memperkecil tabung annulus yang ada pada alat penukar kalor tabung sepusat.

2. Mengganti flowmeter fluida dingin dengan kapasitas aliran yang lebih kecil untuk meninggkatkan efektifitas alat penukar kalor.

3. Mengganti pompa dengan kekuatan yang jauh lebih baik sehingga fluida dapat mengalir dengan baik.

4. Kabel termokopel agilent yang digunakan harus menyentuh kedua fluida baik masuk maupun keluar dari APK tabung sepusat.

5. Peneliti selanjutnya dapat melakukan rancang bangun APK tabung sepusat dengan tiga tabung di dalamnya (triple concentric pipe heat exchanger).

(65)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Teori Dasar Alat Penukar Kalor

Alat penukar kalor adalah alat yang memungkinkan terjadinya perpindahan panas diantara dua fluida yang memiliki temperatur yang berbeda tanpa mencampurkan kedua fluida tersebut. Alat penukar kalor biasanya digunakan secara praktis didalam aplikasi yang luas, seperti dalam kasus pemanasan dan sistem pengkondisian udara, proses-proses kimia dan proses pembangkitan tenaga. Alat penukar kalor berbeda dengan ruangan pencampuran yakni alat penukar kalor tidak memperbolehkan kedua fluida bercampur. Sebagai contoh, pada radiator mobil, panas dipindahkan dari air panas yang mengalir melalui pipa yang terdapat pada radiator yang ditambahkan plat pada jarak yang kecil dengan melewatkan udara diantaranya.

Perpindahan panas pada alat penukar kalor biasanya terdiri dari konveksi di setiap fluida dan konduksi pada dinding yang memisahkan kedua fluida. Pada saat menganalisa alat penukar kalor, sangat diperlukan untuk menggunakan koefisien perpindahan panas menyeluruh U yang memungkinkan untuk menghitung seluruh efek dari perpindahan panas. Laju perpindahan panas diantara kedua fluida terletak pada alat penukar kalor yang bergantung pada perbedaan temperatur pada suatu titik, yang bervariasi sepanjang alat penukar kalor. Pada saat menganalisis alat penukar kalor, biasanya bekerja dengan menggunakan

logarithmic mean temperature difference LMTD, yang sebanding dengan

perbedaan temperatur rata-rata diantara kedua fluida sepanjang alat penukar kalor. Ketika dua temperatur tidak diketahui kita dapat menganalisisnya dengan metode keefektifan-NTU.

2.2 Jenis Alat Penukar Kalor

Secara umum, alat penukar kalor dapat dibagi berdasarkan fungsinya yakni :

a. Chiller, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan fluida sampai pada temperature yang rendah. Temperature fluida hasil pendinginan

(66)

di dalam 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 2.1 Chiller

Sumber: b. Kondensor, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan uap atau

campuran uap, sehingga berubah fasa menjadi cairan. Media pendingin yang dipakai biasanya air atau udara. Uap atau campuran uap akan melepaskan panas atent kepada pendingin, misalnya pada pembangkit listrik tenaga uap yang mempergunakan condensing turbin, maka uap bekas dari turbin akan dimasukkan kedalam kondensor, lalu diembunkan menjadi kondensat.

Gambar 2.2 Kondensor

Sumbe

(67)

7 c. 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).

Gambar 2.3 Cooler

Sumber: d. Evaporator, alat penukar kalor ini digunakan untuk penguapan cairan menjadi uap. Dimana pada alat ini menjadi proses evaporasi (penguapan) suatu zat dari fasa cair menjadi uap. Yang dimanfaatkan alat ini adalah panas latent dan zat yang digunakan adalah air atau refrigerant cair.

Gambar 2.4 Evaporator

Sumber

(68)

e. Reboiler, alat penukar kalor ini berfungsi mendidihkan kembali (reboil) serta menguapkan sebagian cairan yang diproses. Adapun media pemanas yang sering digunakan adalah uap atau zat panas yang sedang diproses itu sendiri.

Gambar 2.5 Thermosiphon Reboiler

Sumber

f. Heat Exchanger, alat penukar kalor ini bertujuan untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi sekaligus, yaitu: • Memanaskan fluida

• Mendinginkan fluida yang panas

Suhu yang masuk dan keluar kedua jenis fluida diatur sesuai dengan kebutuhannya. Pada gambar diperlihatkan sebuah heat exchanger, dimana fluida yang berada didalam tube adalah air, disebelah luar dari tube fluida yang mengalir adalah kerosene yang semuanya berada didalam shell.

Gambar 2.6 Konstruksi Heat Exchanger

(69)

2.3 Klasifikasi Alat Penukar Kalor

1. Klasifikasi berdasarkan proses perpindahan panas a. Tipe kontak tidak langsung

• Tipe dari satu fase • Tipe dari banyak fase

• Tipe yang ditimbun (storage type) • Tipe fluidized bed

b. Tipe kontak langsung • Immiscible fluids

• Gas liquid

• Liquid vapor

2. Klasifikasi berdasarkan jumlah fluida yang mengalir a. Dua jenis fluida

b. Tiga jenis fluida

c. N – Jenis fluida (N lebih dari tiga)

3. Klasifikasi berdasarkan kompaknya permukaan

a. Tipe penukar kalor yang kompak, Density luas permukaan > 700 m b. Tipe penukar kalor yang tidak kompak, Density luas permukaan < 700 m 4. Klasifikasi berdasarkan mekanisme perpindahan panas

a. Dengan cara konveksi, satu fase pada kedua sisi alirannya

b. Dengan cara konveksi pada satu sisi aliran dan pada sisi yang lainnya terdapat cara konveksi 2 aliran

c. Dengan cara konveksi pada kedua sisi alirannya serta terdapat 2 pass aliran masingmasing

d. Kombinasi cara konveksi dan radiasi 5. Klasifikasi berdasarkan konstruksi

a. Konstruksi tubular (shell and tube) • Tube ganda (double tube)

• Konstruksi shell and tube, Sekat plat (plate baffle), Sekat batang (rod

baffle)

• Konstruksi tube spiral b. Konstruksi tipe pelat

(70)

• Tipe pelat • Tipe lamella • Tipe spiral • Tipe pelat koil

c. Konstruksi dengan luas permukaan diperluas (extended surface) • Sirip pelat (plate fin)

• Sirip tube (tube fin)

• Heat pipe wall

• Ordinary separating wall

d. Regenerative • Tipe rotary

• Tipe disk (piringan) • Tipe drum

• Tipe matrik tetap

6. Klasifikasi berdasarkan pengaturan aliran a. Aliran dengan satu pass

• Aliran Berlawanan • Aliran Paralel • Aliran Melintang • Aliran Split

• Aliran yang dibagi (divided) b. Aliran multipass

a. Permukaan yang diperbesar (extended surface) • Aliran counter menyilang

• Aliran paralel menyilang • Aliran compound

b. Multipass plat

Perlu diketahui bahwa untuk alat-alat ini terdapat suatu terminologi yang telah distandarkan untuk menamai alat dan bagian-bagian alat tersebut yang dikeluarkan oleh Asosiasi pembuat Heat Exchanger yang dikenal dengan Tubular

(71)

11 untuk melindungi para pemakai dari bahaya kerusakan atau kegagalan alat, karena alat ini beroperasi pada temperature dan tekanan yang tinggi.

Didalam standar mekanik TEMA, terdapat dua macam kelas heat Exchanger, yaitu :

1. Kelas R, yaitu untuk peralatan yang bekerja dengan kondisi berat, misalnya untuk industri minyak dan kimia berat.

2. Kelas C, yaitu yang dibuat untuk general purpose, dengan didasarkan pada segi ekonomis dan ukuran kecil, digunakan untuk proses-proses umum industri.

Berikut ini akan dijelaskan beberapa alat penukar kalor yang umum digunakan dalam dunia industri :

2.3.1 Concentric Tube Heat Exchanger (Double Pipe)

Double pipe heat exchanger atau consentric tube heat exchanger yang

ditunjukkan pada gambar 2.7c di mana suatu aliran fluida dalam pipa seperti pada gambar 2.7 mengalir dari titik A ke titik B, dengan space berbentuk U yang mengalir di dalam pipa. Cairan yang mengalir dapat berupa aliran cocurrent atau

countercurrent. Alat pemanas ini dapat dibuat dari pipa yang panjang dan

dihubungkan satu sama lain hingga membentuk U. Double pipe heat exchanger merupakan alat yang cocok dikondisikan untuk aliran dengan laju aliran yang kecil.

Gambar 2.7 : Aliran double pipe heat exchanger

Sumbe

A’ B

B’

Hot fluit out

Cold fluit in

(72)

Gambar 2.8 Hairpin heat exchanger

Sumber : http://suryamanikam.com/products/peerless-mfg-co/heat-exchangers-alco-and-bos-hatten/

Exchanger ini menyediakan true counter current flow dan cocok untuk extreme temperature crossing, tekanan tinggi dan rendah untuk kebutuhan surface area

yang moderat (range surface area: 1 – 6000 ft2). Hairpin heat exchanger tersedia dalam :

- Single tube (double pipe) atau berbagai tabung dalam suatu hairpin shell

(multitube),

- Bare tubes, finned tube, U-Tubes,

- Straight tubes,

- Fixed tube sheets

Double pipe heat exchanger sangatlah berguna karena ini bisa digunakan dan

dipasang pada pipe-fitting dari bagian standar dan menghasilkan luas permukaan panas yang besar. Ukuran standar dari tees dan return head diberikan pada tabel berikut :

Tabel 2.1 Double Pipe Exchanger fittings

Outer Pipe, IPS Inner Pipe, IPS

3 2½ 3 4

1¼ 1¼ 2 3

(73)

Double pipe exchangers biasanya dipasang dalam 12-ft, 15-ft atau 20-ft panjang

efektif, panjang efektif dapat membuat jarak dalam each leg over di mana terjadi perpindahan panas dan mengeluarkan inner pipe yang menonjol melewati the

exchanger section.

Susunan dari concentric tube ditunjukan pada gambar di bawah ini. Aliran dalam type heat exchanger dapat bersifat cocurrent atau counter current dimana aliran fluida panas ada pada inner pipe dan fluida dingin pada annulus pipe.

Gambar 2.9 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan counter current [2] Sumber : Cengel Pada susunan cocurrent maka fluida di dalam tube sebelah dalam (inner tubes) maupun yang di luar tube (dalam annulus), artinya satu lintasan tanpa cabang. Sedangkan pada aliran counter current, di dalam tube sebelah dalam dan fluida di dalam annulus masing-masing mempunyai cabang seperti terlihat pada gambar 2.10 dan gambar 2.11.

(74)

Gambar 2.10 Double-pipe heat exchangers in series

Sumber

Gambar 2.11 Double-pipe heat exchangers in series–parallel

Sumber Keuntungan dan kerugian penggunaan double pipe heat exchanger:

a) Keuntungan

1. Penggunaan longitudinal tinned tubes akan mengakibatkan suatu heat

exchanger untuk shell sides fluids yang mempunyai suatu low heat transfer coefficient.

(75)

2. Counter current flow mengakibatkan penurunan kebutuhan surface

area permukaan untuk service yang mempunyai suatu temperature cross.

3. Potensi kebutuhan untuk ekspansi joint adalah dihapuskan dalam kaitan dengan konstruksi pipa-U.

4. Konstruksi sederhana dalam penggantian tabung dan pembersihan. b) Kerugian

1. Bagian hairpin adalah desain khusus yang mana secara normal tidak dibangun untuk industri standar dimanapun selain ASME code.

2. Bagian multiple hairpin tidaklah selisih secara ekonomis bersaing dengan single shell dan tube heat exchanger.

3. Desain penutup memerlukan gasket khusus. 2.3.2 Shell And Tube Heat Exchanger

Shell and tube heat exchanger biasanya digunakan dalam kondisi tekanan

relatif tinggi, yang terdiri dari sebuah selongsong yang di dalamnya disusun suatu

annulus dengan rangkaian tertentu (untuk mendapatkan luas permukaan yang

optimal). Fluida mengalir di selongsong maupun di annulus sehingga terjadi perpindahan panas antara fluida dengan dinding annulus misalnya triangular

pitch (Pola segitiga) dan square pitch (Pola segiempat).

Gambar 2.12 Bentuk susunan tabung [6]

(76)

Keuntungan square pitch adalah bagian dalam tube-nya mudah dibersihkan dan

pressure drop-nya rendah ketika mengalir di dalamnya (fluida)

Gambar 2.13 shell and tube heat exchanger

Sumber: www.google.com/cheresources.com Keuntungan dari shell and tube:

1. Konfigurasi yang dibuat akan memberikan luas permukaan yang besar dengan bentuk atau volume yang kecil.

2. Mempunyai lay-out mekanik yang baik, bentuknya cukup baik untuk operasi bertekanan.

3. Menggunakan teknik fabrikasi yang sudah mapan (well-astablished). 4. Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis

material yang digunakan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasi. 5. Mudah membersihkannya.

6. Prosedur perencanaannya sudah mapan (well-astablished). 7. Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif kecil.

8. Pengoperasiannya tidak berbelit-belit, sangat mudah dimengerti (diketahui oleh para operator yang berlatar belakang pendidikan rendah).

9. Konstruksinya dapat dipisah-pisah satu sama lain, tidak merupakan satu kesatuan yang utuh, sehingga pengangkutannya relatif gampang

Kerugian penggunaan shell and tube heat exchanger adalah semakin besar jumlah lewatan maka semakin banyak panas yang diserap tetapi semakin sulit perawatannya

(77)

17 2.3.3 Plate Type Heat Exchanger

Plate type heat exchanger terdiri dari bahan konduktif tinggi seperti stainless steel atau tembaga. Plate dibuat dengan design khusus dimana tekstur permukaan plate saling berpotongan satu sama lain dan membentuk ruang sempit antara dua plate yang berdekatan. Jika menggabungkan plate-plate menjadi seperti

berlapis-lapis, susunan plate-plate tersebut tertekan dan bersama-sama membentuk saluran alir untuk fluida. Area total untuk perpindahan panas tergantung pada jumlah

plate yang dipasang bersama-sama seperti gambar dibawah

Gambar 2.14 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent Sumbe 2.3.4 Jacketed Vessel With Coil and Stirrer

Unit ini terdiri dari bejana berselubung dengan coil dan pengaduk, tangki air panas, instrumen untuk pengukuran flowrate dan temperatur. Fluida dingin dalam

vessel dipanaskan dengan mengaliri selubung atau koil dengan fluida panas.

Pengaduk dan baffle disediakan untuk proses pencampuran isi vessel. Volume isi tangki dapat divariasikan dengan pengaturan tinggi pipa overflow. Temperatur diukur pada inlet dan outlet fluida panas, vessel inlet dan isi vessel.

(78)

Gambar 2.15 Jacketed Vessel With Coil And Stirrer

Sumber : http://www.mutiaranata.com/product/detail/wl-110-04-jacketed-vessel-with-stirrer-coil2.5 Jenis-Jenis Perpindahan Panas

2.4 Jenis-Jenis Perpindahan Panas 2.4.1. Konduksi

Sebuah batang silinder dengan material tertentu diisolasi pada sisi terluarnya dan pada kedua ujung permukaannya memiliki suhu yang berbeda yakni T1 > T2 . Perbedaan temperatur tersebut menyebabkan perpindahan panas secara konduksi pada arah x positif. Kita dapat mengukur laju perpindahan panas

qx, dan kita dapat menentukan qx bergantung pada variabel-variabel berikut : ΔT,

yakni perbedaan temperatur ; Δx, yakni panjang batang ; dan A, yakni luas

penampang tegak lurus bidang.

Jika ΔT dan Δx adalah konstan dan hanya memvariasikan A, maka kita

dapat melihat bahwa qx berbanding lurus dengan A. Dengan cara yang sama, jika

ΔT dan A adalah konstan, kita dapat melihat bahwa qx berbanding terbalik dengan

Δx. Apabila A dan Δx konstan, maka kita dapat melihat bahwa qx berbanding lurus

dengan ΔT. Sehingga kita dapat menyimpulkan bahwa

qx ∞ A Δ�

Δx (2.1)

Berikut ini adalah gambar perpindahan panas secara konduksi melalui sebuah percobaan.

(79)

19 Gambar 2.16 Perpindahan Panas secara Konduksi [2]

Sumber : Cengel Dengan memperhatikan material batang, sebagai contoh plastik, kita akan menemukan bahwa kesebandingan diatas adalah valid. Namun, kita juga menemukan bahwa untuk nilai A, Δx, dan ΔT yang sama, akan menghasilkan nilai qx yang lebih kecil untuk plastik daripada bermaterial logam. Sehingga kesebandingan diatas dapat ditulis dalam bentuk persamaan dengan memasukkan koefisien yang dipengaruhi oleh material. Sehingga diperoleh,

qx = kA

Δ�

Δx (2.2)

k, adalah konduktivitas thermal (W/m.K), yang adalah merupakan sifat material

yang penting. Dengan menggunakan limit Δx 0 kita mendapatkan persamaan

untuk laju perpindahan panas,

qx = -kA

��

dx (2.3)

atau persamaan flux panas menjadi,

q”x =

A = -k

��

dx (2.4)

2.4.2. Konveksi

Mekanisme perpindahan panas dapat berupa konduksi, konveksi, dan radiasi. Konduksi dan konveksi adalah membutuhkan media perantara dalam proses perpindahan panasnya. Berbeda dengan konduksi, pada konveksi membutuhkan gerakan fluida untuk dapat memindahkan panas.

(80)

Penelitian menunjukkan bahwa perpindahan panas konveksi sangat bergantung pada sifat-sifat fluida seperti viskositas dinamis μ, konduktivitas termal k, massa jenis ρ, dan spesifik panas Cp, dan dipengaruhi oleh kecepatan fluida Ѵ. Konveksi juga bergantung pada bentuk dan kekasaran permukaan, dan bahkan juga dipengaruhi oleh tipe aliran seperti laminar atau turbulen. Sehingga kita dapat menyimpulkan bahwa perpindahan panas secara konveksi adalah kompleks karena bergantung pada banyak variabel. Oleh karena itu, konveksi adalah mekanisme perpindahan panas yang paling kompleks.

Gambar 2.17 Pendinginan sebuah balok yang panas dengan konveksi paksa [2] Sumber : Cengel Meskipun konveksi adalah kompleks, setelah diamati bahwa laju perpindahan panas secara konveksi berbanding lururs dengan perbedaan temperatur dan dapat ditulis dengan Hukum Newton tentang pendinginan.

Qkonveksi = hAs (Ts - T∞) (2.5)

h merupakan koefisien perpindahan panas konduksi, As merupakan area

permukaan perpindahan panas, Ts merupakan temperatur permukaan benda, T∞ merupakan temperatur lingkungan sekitar benda.

2.4.3. Radiasi

Radiasi berbeda dengan mekanisme perpindahan panas secara konduksi dan secara konveksi. Perpindahan panas secara radiasi tidak membutuhkan kehadiran suatu material sebagai media perpindahan panas. Faktanya, energi yang ditransfer dengan radiasi adalah yang tercepat (secepat kecepatan cahaya) dan dapat terjadi pada ruangan vakum. Perpindahan panas secara konduksi dan konveksi terjadi dari temperatur yang tinggi ke temperatur yang lebih rendah.

(81)

21 Pada radiasi, perpindahan panas dapat terjadi pada 2 benda yang memiliki temperatur yang tinggi dan dipisahkan oleh benda yang memiliki temperatur yang lebih rendah.

Dengan menganggap permukaan benda yang kecil As, emisifitas ε, dan kemampuan untuk menyerap α pada temperatur T yang terdiri dari keisotermalan yang besar dalam bentuk yang tertutup pada benda blackbody. Blackbody dapat didefenisikan sebagai pemancar dan penyerap radiasi yang sempurna. Pada temperatur dan panjang gelombang tertentu, tidak ada permukaan yang dapat memancarkan energi yang lebih banyak daripada blackbody. Blackbody menyerap semua radiasi tanpa memperhatikan panjang gelombang dan arahnya. Blackbody juga memancarkan energi radiasi yang merata dalam segala arah dalam setiap unit area searah dengan arah emisi,yang disebut sebagai pemancar diffuse. Diffuse dapat diartikan sebagai arah yang bebas untuk berdiri sendiri. Hal ini dapat kita lihat pada gambar berikut

Gambar 2.18 Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas Sumber : Cengel Energi radisi yang dipancarkan oleh sebuah blackbody tiap satuan waktu dan tiap satuan luasan area ditetapkan secara eksperimental oleh Joseph Stefan pada tahun 1879 dan dapat dituliskan

Eb (T) = σT 4 (w/m2) (2.6)

σ = 5,67 x 10-8 W/m2.K4 adalah konstanta Stefan-Boltzmann dan T adalah temperatur absolut dari suatu permukaan (K). Persamaan ini diverifikasi secara

(1)

Gambar 2.24 Distribusi temperatur aliran berlawanan... ... …35

Gambar 2.25 Grafik efektifitas untuk aliran sejajar ... …42

Gambar 2.26 Grafik efektifitas untuk aliran berlawanan ... …43

Gambar 2.27 Gambaran umum proses CFD ... …46

Gambar 2.28 Persamaan Konversi Momentum ... …48

Gambar 2.29 Penerapan Boundary Condition ... …50

Gambar 2.30 Flowchart simulasi CFD... …51

Gambar 3.1 Methanol... …63

Gambar 3.2 Alat penukar kalor tabung sepusat ... …63

Gambar 3.3 Agilent ... …64

Gambar 3.4 Flowmeter... …65

Gambar 3.5 Alat pengatur suhu fluida panas ... …65

Gambar 3.6 Pompa fluida panas ... …66

Gambar 3.7 Tabung sepusat ... …67

Gambar 3.8 Skema Uji Penelitian ... …68

Gambar 3.9 Diagram Alir Penelitian ... …69

Gambar 3.10 Laptop... …71

Gambar 3.11 Diagram Alir menggunakan Visual Basic 6.0 ... …72

Gambar 3.12 Program perhitungan efektifitas dengan Visual Basic 6.0 ... …73

Gambar 3.13 Diagram Alir Simulasi ... …74

Gambar 4.1 Dimensi APK tabung sepusat ... …76

Gambar 4.2 Distribusi suhu pada alat penukar kalor ... …76

Gambar 4.3 Membuka Ansys dan memilih project schematic ... …82

Gambar 4.4 Mengatur geometry ... …83

Gambar 4.5 Membuat create named selection ... 83

Gambar 4.6 Mengatur mesh ... …84

Gambar 4.7 Mengecek quality mesh dan size ... …84

Gambar 4.8 Mengatur energy pada posisi on... …85

Gambar 4.9 Mengatur viscous ... …85

Gambar 4.10 Mengatur heat exchanger ... …86

Gambar 4.11 Mengatur material yang digunakan ... …86

(2)

Gambar 4.13 Mengatur boundary condition ... ...87

Gambar 4.14 Mengatur solution method ... …88

Gambar 4.15 Mengatur solution initialization ... …88

Gambar 4.16 Melakukan run calculation ... …89

Gambar 4.17 Melihat hasil pada report ... …89

Gambar 4.18 Melihat distribusi temperatur awal masuk fluida ... …90

Gambar 4.19 Melihat distribusi temperatur sepanjang pipa ... …90

Gambar 4.20 Melihat distribusi temperatur keluaran fluida ... …91

Gambar 4.21 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 40 °C dan 34 °C dengan kapasitas fluida dingin 180 l/jam ... … 94

Gambar 4.22 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 45 °C dan 35 °C kapasitas fluida dingin 180 l/jam ... 94

Gambar 4.23 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 50 °C dan 35 °C dengan kapasitas fluida dingin 180 l/jam………95

Gambar 4.24 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 55 °C dan 34 °C dengan kapasitas fluida dingin 180 l/jam………96

Gambar 4.25 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 40 °C dan 34 °C dengan kapasitas fluida dingin 240 l/jam……….………..96

Gambar 4.26 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 45 °C dan 34 °C dengan kapasitas fluida dingin 240 l/jam……….………..97

Gambar 4.27 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 50°C dan 36°C dengan kapasitas fluida dingin 240 l/jam……….………..97

Gambar 4.28 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi pada suhu 55 °C dan 32 °C dengan kapasitas fluida dingin 240 l/jam….………..98

(3)

xi Gambar 4.29 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi

pada suhu 40 °C dan 35 °C dengan kapasitas fluida dingin

360 l/jam………….………..98 Gambar 4.30 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi

pada suhu 45 °C dan 34 °C dengan kapasitas fluida dingin

360 l/jam……….………..99 Gambar 4.31 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi

pada suhu 50 °C dan 37 °C dengan kapasitas fluida dingin

360 l/jam.………..99 Gambar 4.32 Grafik efektifitas perhitungan teori, eksperimen dan simulasi

pada suhu 55 °C dan 35 °C dengan kapasitas fluida dingin

360l/jam……….………..100

(4)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Double Pipe Exchanger fittings ... 12

Tabel 2.2 Bilangan Nusselt untuk aliran laminar berkembang penuh didalam annulus dengan salah satu permukaan pipa isotermal dan permukaan lainnya adiabatik ... 25

Tabel 2.3 Faktor kotoran untuk berbagai fluida ... 28

Tabel 2.4 Hubungan efektifitas dengan NTU dan c ... 42

Tabel 3.1 Variasi Parameter Sampel Penelitian keadaan I ... 59

Tabel 3.2 Variasi Parameter Sampel Penelitian keadaan II ... 60

Tabel 3.3 Variasi Parameter Sampel Peneletiain keadaan III ... 60

Tabel 4.1 Efektifitas APK Secara Teori (Metode NTU) 87 Tabel 4.2 Efektifitas APK di Lapangan ... 96

Tabel 4.3 Efektifitas APK dengan menggunakan Ansys Fluent 112 Tabel 4.4 Efektifitas APK dengan metode NTU, perhitungan di lapangan, dan dengan Ansys Fluent ...114

(5)

xiii

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN

k Konduktifitas thermal W/m.K

SATUAN

A luas penampang tegak lurus bidang m2

ΔT Perbedaan Temperatur oC

q”x Fluks Panas W/m2

μ Viskositas Dinamis N.s/m2

ρ Massa Jenis kg/m3

cp Panas Jenis Fluida J/kg.K

V Kecepatan Fluida m/s

h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi W/m2K

As Area permukaan perpindahan panas m2

Ts Temperatur Permukaan Benda oC

T∞ Temperatur lingkungan sekitar benda oC

ε Efektifitas

σ konstanta Stefan-Boltzmann W/m2.K4

ṁ Laju aliran massa fluida kg/s

Re Bilangan Reynold

� Diameter Pipa m

Dh Diameter hidrolik m

p Keliling penempang pipa m

Nu Bilangan Nusselt

Pr Bilangan Prandtl

Do Diameter Luar Tabung m

Di Diameter Dalam Tabung m

Nui Bilangan Nusselt tabung Bagian Dalam Nuo Bilangan Nusselt tabung Bagian Luar

L Panjang tabung m

� Tahanan Termal m2. °C/W

(6)

Ao Luas area permukaan luar APK m2

U Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh W/m2°C

Q Laju Perpindahan Panas W

ṁc Laju aliran massa fluida dingin kg/s

ṁh Laju aliran massa fluida panas kg/s

cp,c Panas Jenis fluida dingin J/kg.K

cp,h Panas Jenis fluida panas J/kg.K

Th Suhu fluida panas °C

Tc Suhu fluida dingin °C

Th,i Temperatur fluida panas masuk °C

Th,o Temperatur fluida panas keluar °C

Tc,i Temperatur fluida dingin masuk °C

Tc,o Temperatur fluida dingin keluar °C

ΔTRL Beda Suhu rata-rata logaritma °C

Cc Kapasitas Fluida Dingin W/K