Tempat dan Waktu penelitian Metode Pengumpulan Data Analisa Secara Teori Metode NTU

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu penelitian

Percobaan dan pengambilan data dilakukan di Laboratorium OTK Pendidikan Teknologi Kimia Industri PTKI selama 2 hari. Setelah didapatkan data dilakukan perhitungan dan simulasi yang mengacu pada data yang didapatkan. 3.2 Alat dan Bahan 3.2.1 Alat Alat yang dipakai dalam percobaan ini adalah : 1. Alat Penukar Kalor Tabung Sepusat Gambar 3.1 Alat Penukar kalor Tabung Sepusat Spesifikasi : Model : HEP 200E Diameter dalam tube : 17 mm Diameter luar tube : 19 mm Material tube : Tembaga Diameter dalam jacket : 27,6 mm Diameter luar jacket : 34 mm Material Jacket : Baja karbon rendah Panjang APK : 1000 mm 2. Flowmeter Air Dingin Gambar 3.2 Flowmeter Air Dingin Spesifikasi : Jenis : Rotameter Merk : Showa No.Seri : AFI-102 Kapasitas : 0 – 500 ljam 3. Flowmeter Air Panas Gambar 3.3 Flowmeter Air Panas Spesifikasi : Jenis : Rotameter Merk : Showa No.Seri : AFI-102 Kapasitas : 0 – 200 ljam 4. Panel Pengaturan dan Pembacaan Gambar 3.4 Panel Pengaturan dan Pembacaan a. OnOff Pompa Panel bagian ini berfungsi untuk menghidupkan ataupun mematikan pompa. b. Tuas heater Panel bagian ini berfungsi untuk menyambung ataupun memutuskan aliran listrik ke heater. c. Tuas Pompa air panas Panel bagian ini berfungsi untuk menyambung ataupun memutuskan aliran listrik ke pompa air panas. d. Thermostat Panel bagian ini berfungsi untuk mengatur suhu air panas masuk kedalam alat penukar kalor. Heater ini dapat bekerja pada rentang temperatur 0°C - 100°C. e. Panel Temperatur Panel ini berfungsi sebagai tempat pembacaan temperatur fluida panas dan fluida dingin, baik kondisi masuk dan kondisi keluar. 5. Pompa Air Panas Gambar 3.5 Pompa Air Panas Spesifikasi : Merk : Mitsubishi Circulating Voltase : 200 V 6. Thermostat Alat ini digunakan untuk mengatur temperatur air panas yang masuk kedalam alat penukar kalor. Gambar 3.6 Thermostat Spesikasi : Merk : Toho Elektronik Kemampuan memanaskan : 0 – 100 o C 7. Laptop Gambar 3.7 Laptop Laptop digunakan untuk melakukan simulasi dengan menggunakan software. Spesifikasi : Merk : Compaq Presario CQ 35 Processor : Intel core 2 duo 2.10 GHz RAM : 2 GB

3.2.2 Bahan

Bahan yang digunakan dalam percobaan adalah air yang berfungsi sebagai fluida panas dan fluida dingin.

3.3 Metode Pengumpulan Data

Metode pengumpulan data adalah dengan mengambil data dari proses percobaaneksperimen di lapangan yang selanjutnya akan dihitung keefektifan dengan menggunakan rumus.. Berikut ini akan ditunjukkan kerangka pengambilan data yang dilakukan : Gambar 3.8 Metode Pengumpulan Data Data temperatur masuk fluida, baik untuk fluida panas dan dingin serta kapasitas aliran masuk untuk fluida panas dan dingin digunakan sebagai data awal dalam perhitungan secara teori dan simulasi untuk mendapatkan temperatur keluar fluida panas dan dingin. Proses percobaan terdiri dari beberapa langkah-langkah yaitu sebagai berikut : 1. Memasukkan air dingin ke dalam tangki persedian air dingin dengan memutar keran air dingin hingga air melimpah. 2. Masukkan air ke dalam tangki air panas. 3. Nyalakan tuas untuk menghidupakan pompa dan tekan tombol untuk menjalankan pompa sirkulasi air panas. 4. Periksa alat pemanas listrik dengan saklar pada on. 5. Atur arah aliran menjadi arah berlawanan. 6. Atur flowmeter sesuai dengan kapasitas aliran air panas 100 ljam dan kapasitas aliran air dingin 100 ljam. 7. Atur thermostat sebesar 60°C untuk menentukan suhu fluida panas. 8. Catat data suhu keluaran yang dapat dilihat pada panel pengaturan. 9. Ulangi kembali untuk temperatur fluida panas masuk 70°C, 80°C dan 90°C pada kapasitas aliran air panas 100 ljam dan kapasitas aliran air dingin 100 ljam. 10. Dilakukan prosedur yang sama untuk kapasitas aliran air dingin 200 ljam, 300 ljam, 400 ljam, dan 500 ljam pada kapasitas aliran air panas 100 ljam di empat titik temperatur 60 °C, 70°C, 80°C dan 90°C. 11. Dilakukan langkah yang sama kemudian pada kapasitas aliran air panas 200 ljam.

3.4 Metode Pengolahan Data

Data yang diambil dari lapangan akan dihitung keefektifan dengan menggunakan rumus. Setelah didapat keefektifan alat penukar kalor di lapangan, data yang telah diambil dari lapangan tersebut juga akan diperbandingkan dengan hasil perhitungan dengan menggunakan metode NTU dan dengan Simulasi.

3.4.1 Metode Pengolahan Data Lapangan

Proses pengolahan data lapangan dapat dilihat pada diagram alir berikut : Gambar 3.9 Diagram alir pengolahan data lapangan Mulai • Atur arah aliran • Atur flowmeter air dingin dan air panas. • Atur termostat • Mengisi Air dingin Pada tank air dingin • Mengisi air panas pada tank air panas • Jalankan pompa air panas • Atur Heater posisi ON Catat hasil pengukuran Hitung keefektifan alat Selesai Apakah ada variasi? Tidak Ya

3.4.2 Metode Pengolahan Data Secara Teori

Proses pengolahan data secara teori dapat dilihat pada diagram alir berikut : Gambar 3.10 Diagram alir pengolahan data secara teori Mulai Pemisalan temperatur air panas dan dingin • Menghitung sifat-sifat kedua fluida yang dimisalkan • Menghitung V, Re, ṁ h , Nu, h i • Menghitung V, Re, ṁ c , Nu, h o • Menghitung R • Menghitung U • Menghitung ε • Menghitung temperatur air panas dan dingin yang baru Apakah temperatur air panas dan dingin yang baru yang didapat dari perhitungan sama dengan temperatur pemisalan? Ya Tidak Selesai

3.4.3 Metode Pengolahan Data Secara Simulasi

Proses pengolahan data secara simulasi dapat dilihat pada diagram alir berikut : Gambar 3.11 Diagram alir pengolahan data secara simulasi Mulai Melakukan pemodelan APK dengan solidworks Mengimport file ke Ansys Fluent Mengedit parameter pada part Geometry MelakukanMeshing • Masuk pada part setup • Mengatur submenu model materials, cell zone conditions, boundary conditions, solution methods, monitors Melakukan Run calculation Apakah konvergen? Ya Selesai Tidak

3.5 Skema Percobaan

Keterangan : A. Panel Pengaturan dan Pembacaan 5. Katup Atur Arah Aliran 1. Tangki Air Dingin 6. Flowmeter Air Panas

2. Tangki Air Panas

7. Flowmeter Air Dingin 3. Pompa Air Panas 8. Thermostat Diisi Penuh Diatur Diatur Diatur 1 2 3 4 A 9 5 8 7 6 4. Tuas Heater 9. Panel Pembaca Temperatur

BAB IV ANALISA DATA

4.1 Analisa Secara Teori Metode NTU

Analisa data yang dilakukan adalah dengan cara membandingkan data yang diambil dari lapangan yang meliputi temperatur air panas keluar T

h,o

dan temperatur air dingin keluar T

c,o

terhadap hasil perhitungan secara teori dengan metode NTU, yang selanjutnya dikaitkan dengan 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. Karena temperatur fluida pada sisi masuk dan sisi keluar telah diketahui, perhitungan efektifitas dapat dilakukan dengan menggunakan perbandingan temperatur. Untuk dapat menggunakan rumus efektifitas yang tepat, dilakukan terlebih dahulu perhitungan C min dan C maks. Dengan diperoleh hasil perhitungan C min dan C maks 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 metode NTU, proses perhitungannya ditampilkan berikut ini untuk kondisi satu titik. Hasil perhitungan secara menyeluruh akan ditampilkan dalam bentuk tabel. Satu titik yang dimaksud adalah pada kondisi titik, temperatur fluida panas masuk T

h,i

60 °C dan temperatur fluida dingin masuk T

c,i

30 °C pada debit masuk fluida panas 100 ljam dan debit masuk fluida dingin 100 ljam. Fluida yang dianalisis sebagai fluida panas dan fluida dingin adalah air. Diameter dalam tube APK 17 mm dan diameter luar APK 19 mm. Diameter dalam anulus 27.6 mm. Panjang APK adalah 1 m. Berikut ini adalah gambar APK dan contoh perhitungan pada 1 titik. satuan dalam milimeter Gambar 4.1 Dimensi APK tabung sepusat Iterasi 1 Andaikan : T h = 45°C ρ = 990,219 kgm 3 c p = 4179,806 Jkg K Pr = 3,92008 μ = 5,9789.10 -4 N.sm 2 k = 0,6375 Wm.K T c = 40°C ρ = 992,2433 kgm 3 c p = 4178,793 Jkg K Pr = 4,33427 μ = 6,5487.10 -4 N.sm 2 k = 0,6313 Wm.K Aliran didalam Pipa bagian dalam Tube Q = 2,778.10 -5 m 3 s Q = A.V 2,778.10 -5 = 4 0,017 2 V V = 0,1225 ms Re = = = 3449,014 ṁ h = ρ Q = 990,219 2,778.10 -5 = 0,02751 kgs f = 0,790 ln Re – 1,64 -2 = 0,790 ln 3449,014 – 1,64 -2 = 0,04349 Nu = = = 21,8216 h i = = = 818,31 Wm 2 °C Aliran didalam Anulus Q = 2,778.10 -5 m 3 s Q = A.V 2,778.10 -5 = 4 0,0276 2 - 0,019 2 V V = 0,0883 ms Re = = = 1150,5943 ṁ c = ρ Q = 992,2433 2,778.10 -5 = 0,02756 kgs Nu = 3,66 + = 3,66 + = 5,53083 h o = = = 406,00151 Wm 2 °C R f,i = 0,0002 m 2 °CW R f,o = 0,0002 m 2 °CW A i =  D i L = 3,14 0,017 1 = 0,05338 m 2 A o =  D o L = 3,14 0,019 1 = 0,05966 m 2 k pipa = 401 Wm.K Pipa Tembaga = = = R = + + + + R = + + + + = 0,022893 + 3,7467.10 -3 + - 4,4167.10 -5 + 3,35233.10 -3 + 0,041285 = 0,071233 °CW U = = = 262,991 Wm 2 °C C h = ṁ h c p,h = 0,02751 4179,806 = 114,9865 WK C c = ṁ c c p,c = 0,02756 4178,793 = 115,1675 WK = = C = = 0,9984 NTU = = = 0,122088 ε = = = 0,108814 ε = 0,108814= = 56,73558 °C C h T

h,i

– T

h,o

= C c T

c,o

– T

c,i

0,9984 60 – 56,73558 = T

c,o

– 30 T

c,o

= 33,2592 °C T h = = 58,36779 °C T c = = 31,6296 °C Iterasi 2 Andaikan : T h = 58,3679 °C ρ = 983,9709 kgm 3 c p = 4184,142 Jkg K Pr = 3,056558 μ = 4,7683.10 -4 N.sm 2 k = 0,6522827 Wm.K T c = 31,6292 °C ρ = 995,1907 kgm 3 c p = 4178,164 Jkg K Pr = 5,195606 μ = 7,71.10 -4 N.sm 2 k = 0,62013 Wm.K Aliran didalam Pipa bagian dalam Tube Q = 2,778.10 -5 m 3 s V = 0,1225 ms Re = = = 4295,7 ṁ h = ρ Q = 983,5546 2,778.10 -5 = 0,027335 kgs f = 0,790 ln Re – 1,64 -2 = 0,790 ln 4351,873 – 1,64 -2 = 0,04051 Nu = = = 25,50733 h i = = = 978,7052 Wm 2 °C Aliran didalam Anulus Q = 2,778.10 -5 m 3 s V = 0,0883 ms Re = = = 980,23 ṁ c = ρ Q = 2,778.10 -5 = 0,027646 kgs Nu = 3,66 + = 3,66 + = 5,5617 h o = = = 400,046 Wm 2 °C R = + + + + = 0,067991 °CW U = = = 275,531 Wm 2 °C C h = ṁ h c p,h = 0,027335 4184,142 = 114,372 WK C c = ṁ c c p,c = 0,027646 4178,164 = 115,511 WK = = C = = 0,990141 NTU = = = 0,1286 ε = = = 0,11401 ε = 0,11401= = 56,5798 °C C h T

h,i

– T

h,o

= C c T

c,o

– T

c,i

0,990141 60 – 56,5798 = T

c,o

– 30 T

c,o

= 33,3865 °C T h = = 58,2899 °C T c = = 31,6933 °C Iterasi 3 Andaikan : T h = 58,2899 °C ρ = 984,0106 kgm 3 c p = 4184,11 Jkg K Pr = 3,060774 μ = 4,7743.10 -4 N.sm 2 k = 0,652205 Wm.K T c = 31,6933 °C ρ = 995,1703 kgm 3 c p = 4178,162 Jkg K Pr = 5,188005 μ = 7,6996.10 -4 N.sm 2 k = 0,62022 Wm.K Aliran didalam Pipa bagian dalam Tube Q = 2,778.10 -5 m 3 s V = 0,1225 ms Re = = = 4290,5 ṁ h = ρ Q = 2,778.10 -5 = 0,027336 kgs f = 0,790 ln Re – 1,64 -2 = 0,790 ln 4290,5 – 1,64 -2 = 0,040522 Nu = = = 25,4871 h i = = = 977,8132 Wm 2 °C Aliran didalam Anulus Q = 2,778.10 -5 m 3 s V = 0,0883 ms Re = = = 981,54 ṁ c = ρ Q = 2,778.10 -5 = 0,027646 kgs Nu = 3,66 + = 3,66 + = 5,5615 h o = = = 401,0898 Wm 2 °C R = + + + + = 0,068004 °CW U = = = 275,4787 Wm 2 °C C h = ṁ h c p,h = 0,027336 4184,11 = 114,376 WK C c = ṁ c c p,c = 0,027646 4178,162 = 115,509 WK = = C = = 0,9902 NTU = = = 0,12857 ε = = = 0,113985 ε = 0,113985= = 56,5805 °C C h T

h,i

– T

h,o

= C c T

c,o

– T

c,i

0,990141 60 – 56,5798 = T

c,o

– 30 T

c,o

= 33,386 °C T h = = 58,2902 °C T c = = 31,693 °C Karena T h dan T c yang dihitung telah mendekati T