Identifikasi Pengaplikasian Alat Penukar Kalor i o

55

BAB IV PERANCANGAN DIMENSI ALAT PENUKAR KALOR

4.1 Identifikasi Pengaplikasian Alat Penukar Kalor

Fungsi dari alat penukar kalor yang dirancang adalah untuk memanaskan air dengan fluida panas air belerang. Sebelum itu terlebih dahulu mengumpulkan data-data fluida panas dan juga fluida dingin. Untuk data temperatur fluida panas, yaitu air belerang, terlebih dahulu dilakukan pengukuran pada salah satu tempat pemandian air panas di desa Semangat Gunung, Tanah Karo, yaitu kolam pemandian air panas Sibayak seperti pada gambar 4.1 berikut ini. Gambar 4.1 Pemandian Air Belerang Alam Sibayak Dari peninjauan yang dilakukan terdapat banyak sumber mata air yang mengeluarkan air belerang pada tempat tersebut, dan hasil pengukuran temperatur pada masing-masing sumber mata air berbeda. Ada yang 57 o C, 58 o C, dan yang tertinggi yaitu 62 o C pada saat cuaca terik. Temperatur air belerang yang akan diambil adalah temperatur rata-rata temperatur pada soremalam hari pada suatu sumber mata air belerang yang paling besar yaitu 60 o C. Setelah itu dilakukan pengukuran temperatur air keran pada tempat tersebut dan didapat suhu fluida 25 o C, dan suhu air yang dipanaskan yang ingin dicapai adalah 38 o C. Gambar 4.2 Identifikasi suhu dan laju aliran fluida T hi = 60 o C ṁ = 360 LJam T ho = ?? o C T

c,i

= 25 o C ṁ = 360 LJam T

c,o

= 38 o C Universitas Sumatera Utara 56 Laju aliran yang dibutuhkan untuk air panas didapat berdasarkan asumsi jumlah air yang digunakan satu orang untuk air mandi menggunakan shower adalah 22,5 Liter, dan terdapat 4 kamar mandi 2 untuk laki-laki dan 2 untuk perempuan serta perhitungan pemakain kamar mandi adalah 4 orang setiap satu jam 15 menit untuk tiap orang. Maka laju aliran massa yang dibutuhkan adalah: �̇ = 22,5 ����� � 4 � 4 = 360 ���� Untuk menghitung temperatur air belerang sebagai fluida panas Tho yang keluar dapat digunakan dengan rumus kesetimbangan energi: ∅ ℎ = ∅ � � ℎ � �� ℎ � ∆� ℎ = � � � �� � � ∆� � � ℎ �� ℎ � �� ℎ � � ℎ� − ∆� ℎ� = � � �� � � �� � � � �� − ∆� �� Parameter tersebut dihitung pada suhu rata-rata Tf pada tiap-tiap fluida. Untuk suhu rata-rata fluida dingin dapat dihitung, yaitu: � � = � �� + � �� 2 = 25 � � + 38 � � 2 = 31,5 � � = 304,5 � Didapat suhu rata-rata fluida dingin adalah 31,5 o C. Setelah itu dihitung panas jenis fluida Cpc untuk fluida dingin dengan menggunakan interpolasi dari sifat-sifat fisik air pada tabel perpindahan panas. Tabel 4.1 Panas jenis dan densitas fluida dingin air Temperatur K Panas Jenis kJkg.K Densitas Kgm 3 300 4,179 0,99701 304,5 Cpc ρc 305 4,178 0,99502 a. 304,5 −300 305 −300 = ��� −4,179 4,178 −4,179 = 4,1781 �� �� ∙ � = 4178,1 ��� ∙ � b. 304,5 −300 305 −300 = �� −997,01 995,02 −997,01 = 0,995219 �� � 3 � Maka didapatkan panas spesifik untuk air dingin adalah 4178,1 Jkg ∙K dan densitasnya sebesar 995,219 Kgm 3 . Untuk menghitung suhu rata-rata fluida panas digunakan dengan cara iterasi, dan diperlukan asumsi. Diasumsikan suhu fluida panas yang keluar Tho adalah 45 o C, maka: � � = � ℎ� + � ℎ� 2 = 60 � � + 45 � � 2 = 52,5 � � = 325,5 � Universitas Sumatera Utara 57 Didapat suhu rata-rata untuk fluida panas adalah 52,5 o C. Setelah itu dihitung panas jenis fluida panas Cph dengan cara interpolasi dengan menggunakan sifat-sifat fisik air belerang dari tabel perpindahan panas disamakan dengan air. Tabel 4.2 Interpolasi panas jenis dan densitas fluida panas 325,5 K Temperatur K Panas Jenis kJkg.K Densitas Kgm 3 325 4,182 1,0034 325,5 Cph ρh 330 4,184 1,0019 a. 325,5 −325 330 −325 = ��ℎ−4,182 4,184 −4,182 = 4,1822 �� �� ∙ � = 4182,2 ��� ∙ � b. 325,5 −325 330 −325 = �ℎ−1003,4 1001,9 −1003,4 = 1,00325 �� � 3 � Didapatkan panas jenis fluida panas Cph 4182,2 Jkg ∙K dan densitasnya 1,00325 kgm 3 , maka setelah itu dilakukan iterasi I: 0,1 � � �1,00325 � 4182.2 � 60°� − � ℎ� = 0,1 � � � 0,99523 � 4178,1 � 38℃ − 25℃ � ℎ� = 47,1 � � Iterasi selanjutnya dengan nillai Tho = 47 o C, maka dihitung kembali suhu rata-rata fluida: � � = � ℎ� + � ℎ� 2 = 60 � � + 47 � � 2 = 53,5 � � = 326,5 � Didapat suhu rata-rata untuk fluida panas adalah 53,5 o C. Setelah itu dihitung panas jenis fluida panas Cph dengan cara interpolasi dengan menggunakan sifat-sifat fisik air belerang dari tabel perpindahan panas disamakan dengan air. Tabel 4.3 Interpolasi panas jenis dan densitas fluida panas 326,5 K Temperatur K Panas Jenis kJkg.K Densitas Kgm 3 325 4,182 1,0034 326,5 Cph ρh 330 4,184 1,0019 Universitas Sumatera Utara 58 a. 326,5 −325 330 −325 = ��� −4,182 4,184 −4,182 = 4,1826 �� �� ∙ � = 4182,6 ��� ∙ � b. 326,5 −325 330 −325 = �ℎ−1003,4 1001,9 −1003,4 = 1,00295 �� � 3 � Didapat kembali panas jenis fluida panas yaitu 4182,6 Jkg ·K dan densitas sebesar 1,00295 kgm 3 . Selanjutnya dicari kembali nilai Tho dengan rumus kesetimbangan energi: 0,1 � � � 1,00295 � 4182.2 � 60°� − � ℎ� = 0,1 � � � 0,99523 � 4178,1 � 38℃ − 25℃ � ℎ� = 47.1 ℃ Didapat temperatur air panas keluar Tho sebesar 47 o C. Dan berikut pada tabel 4.1 parameter fluida: Tabel 4.4 Parameter Fluida NO Parameter Simbol Nilai Satuan 1 Temperatur air belerang yang masuk Thi 60 o C 2 Temperatur air belerang yang keluar Tho 47,1 o C 3 Temperatur air dingin yang masuk Tci 25 o C 4 Temperatur air dingin yang keluar Tco 38 o C 5 Laju aliran air belerang �ℎ̇ 360 Literjam 6 Laju aliran air dingin �̇� 360 Literjam Setelah mendapatkan temperature masuk dan keluar kedua fluida melalui rumus kesetimbangan energi, kemudian dicari sifat-sifat fisik kedua fluida dari tabel sifat fisik air. Fluida dingin air dicari dengan temperatur rata-rata yaitu 303,5 K dan dapat dihitung dengan cara interpolasi. Karena densitas dan panas jenis sudah didapat pada perhitungan sebelumnya, maka hanya perlu mencari sifat konduktivitas panas, bilangan prandl, viskositas, dan volume spesifik air. Universitas Sumatera Utara 59 Tabel 4.5 Sifat Fluida Dingin air Temperatur K Viskositas N ·sm 2 Spesifik Volume m 3 Kg Konduktivitas Panas Wm ·K Bilangan Prandl 300 855x10 -6 1,003x10 -3 613x10 -3 5,83 304,5 μc Vc λc Prc 305 769x10 -6 1,005x10 -3 620x10 -3 5,2 Interpolasikan semua sifat fisik fluida dingin, maka didapat: a. 304,5 −300 305 −300 = �� −855�10 −6 769 �10 −6 −855�10 −6 = 777,6 �10 −6 � ∙ � � 2 = 0,0007776 � ∙ �� 2 b. 304,5 −300 305 −300 = ��−1,003�10 −3 1,005 �10 −3 −1,003�10 −3 = 1,004 �10 −3 � 3 �� = 0,001004 � 3 �� c. 304,5 −300 305 −300 = �� −613�10 −3 620 �10 −3 −613�10 −3 = 619,3 �10 −3 � � ∙ � = 0,6193 �� ∙ � d. 304,5 −300 305 −300 = ��� −5,83 5,2 −5,83 = 5,26 Selanjutnya dicari sifat fisik fluida panas air belerang dari tabel pada temperatur rata-rata yaitu 326,5 K, kecuali viskositas dan volume spesifik air belerang diambil dari data pengujian yang dilakukan lampiran . Tabel 4.6 Interpolasi sifat fisik fluida panas air belerang Temperatur K Viskositas N ·sm 2 Spesifik Volume m 3 Kg Konduktivitas Panas Wm ·K Bilangan Prandl 325 751x10 -6 0.9966x10 -3 645x10 -3 3,42 326,5 μc Vc λc Prc Universitas Sumatera Utara 60 330 708,5x10 -6 0,9981x10 -3 650x10 -3 3,15 Interpolasikan semua sifat fisik fluida panas, maka didapat: a. 326,5 −325 330 −325 = �� −751�10 −6 708,5 �10 −6 −751�10 −6 = 738,25 �10 −6 = 0,00073825 � ∙ �� 2 b. 326,5 −325 330 −325 = ��−0,9966�10 −3 0,9981 �10 −3 −0,9966�10 −3 = 0,99706 �10 −3 = 0,99706 � 3 �� c. 326,5 −325 330 −325 = �� −645�10 −3 650 �10 −3 −645�10 −3 = 646,5 �10 −3 � � ∙ � = 0,6465 �� ∙ � d. 326,5 −325 330 −325 = ��� −3,42 3,15 −3,42 = 3,339

4.2 Penentuan Tipe Alat Penukar Kalor