Bab V Alat Penukar Kalor [PDF]

Citation preview

Bab V Alat Penukar Panas



BAB V



ALAT PENUKAR KALOR Penukar panas (kalor) adalah suatu alat yang menghasilkan perpindahan panas (kalor) dari satu fluida ke fluida lainnya. Proses perpindahan panas terjadi antara dua fluida yang berada pada perbedaan temperatur, baik fluida-fluida itu bercampur secara langsung maupun dipisahkan oleh dinding. Lazimnya alat penukar kalor adalah sistem yang digunakan penukaran kalor diantara dua fluida yang dibatasi oleh dinding pemisah. Contoh peralatan perpindahan panas yang menggunakan pencampuran fluida-fluida secara langsung adalah air-pengisi-ketel terbuka (open feed water heater). Penggunaan spesifik adalah pada sistem ruang pemanas, air conditioning (pada evaporator dan kondensor), sistem produksi tenaga dan sistem proses kimia, ini merupakan contoh alat penukar panas yang dipisahkan oleh dinding. Pada pembahasan ini akan dibatasi pada alat penukar panas yang menggunakan ragam perpindahan panas konduksi (hantaran) dan konveksi (ilian). 5.1 Tipe Alat Penukar Kalor/Panas Alat penukar panas dapat diklasifikasikan berdasarkan aliran fluida, seperti paralel flow (aliran searah), counter flow (aliran berlawanan), cross flow (aliran melintang) dan berdasarkan susunan tabung. 5.1.1 Alat Penukar Kalor/Panas Tabung Konsentrik Tipe alat penukar panas yang paling sederhana ditunjukkan pada Gambar 5.1,



Gambar 5.1 Alat penukar kalor/panas tabung konsentrik I Gede Bawa Susana, Teknik Mesin FT. Unram



84



Bab V Alat Penukar Panas



alat ini terdiri dari sebuah pipa (tabung) yang terletak konsentrik (sesumbu) di dalam pipa (tabung) lainnya yang merupakan cangkang untuk susunan ini. Salah satu fluidanya mengalir melalui pipa (tabung) dalamnya, dan fluida lainnya mengalir melalui cincin (anulus) yang terbentuk di antara pipa dalam dan pipa luar. Karena kedua aliran fluida melintasi penukar panas hanya sekali, maka susunan ini disebut penukar panas satu lintasan (single pass; lintasan tunggal). Seperti ditunjukkan secara sistematis pada Gambar 5.2, jika kedua fluida mengalir dalam arah yang sama maka penukar panas ini bertipe aliran searah (paralel flow), dan sebaliknya jika fluida mengalir dalam arah yang berlawanan, maka penukar panas bertipe aliran berlawanan (counter flow),



Gambar 5.2 Alat penukar panas tabung konsentrik (a) aliran searah, (b) aliran berlawanan 5.1.2 Alat Penukar Kalor/Panas Aliran Melintang (Cross Flow) Fluida yang mengalir sepanjang permukaan perpindahan panas dalam arah saling tegak lurus, maka penukar panas bertipe aliran melintang (cross flow). Pada



(a)



(b)



Gambar 5.3 Alat penukar panas aliran melintang (a) kedua fluida tidak bercampur, (b) satu fluida bercampur dan lainnya tidak bercampur penukar panas aliran melintang banyak dipakai dalam pemanasan dan pendinginan udara atau gas. Contoh seperti pada Gambar 5.3(a), dalam hal ini fluida mengalir melintas berkas tabung bersirip dan karena terkurung di dalam saluran-saluran di antara sirip-sirip, tidak I Gede Bawa Susana, Teknik Mesin FT. Unram



85



Bab V Alat Penukar Panas



bercampur pada waktu mengalir melalui penukar panas. Penukar panas jenis ini merupakan jenis yang banyak dipakai dalam penyejuk udara. Jika fluida tidak bercampur, terdapat gradien suhu pada arah sejajar dengan aliran maupun arah normal terhadap aliran, sedangkan jika fluida itu bercampur terdapat kecendrungan untuk suhu itu menjadi sama pada arah normal terhadap aliran, sebagai akibat dari pencampuran. Contoh seperti pada Gambar 5.3(b), fluida dialirkan menyilang berkas tabung, sedang fluida lain digunakan di dalam tabung untuk memanaskan atau mendinginkan. Fluida dikatakan bercampur karena dapat bergerak dengan bebas di dalam alat itu sambil menukar kalor. 5.1.3 Alat Penukar Kalor/Panas Shell and Tube (Cangkang/Selongsong dan Tabung) Alat penukar panas jenis shell and tube, biasa digunakan untuk perpindahan panas antara cairan dengan cairan dan terdiri dari susunan pipa-pipa bulat yang ditempatkan di dalam silinder shell, seperti ditunjukkan pada Gambar 5.4. Suatu fluida mengalir di dalam tabung, sedang fluida yang satu lagi di alirkan



Gambar 5.4 Alat penukar panas shell and tube melalui selongsong/cangkang melintasi luar tabung. Sekat (baffle) yang dipasang dalam selongsong (shell) berfungsi untuk menjamin bahwa fluida di sebelah selongsong mengalir melintasi tabung dan menyebabkan perpindahan panas lebih tinggi. Pada alat penukar panas shell and tube ada beberapa bentuk spesifikasi



I Gede Bawa Susana, Teknik Mesin FT. Unram



86



Bab V Alat Penukar Panas



tergantung pada jumlah pipa dan selongsong (shell) yang dilalui. Konfigurasi paling sederhana adalah laluan (lintasan) shell tunggal dan laluan pipa tunggal,



Gambar 5.5 Alat penukar panas shell and tube dengan laluan shell tunggal dan laluan pipa tunggal



seperti ditunjukkan pada Gambar 5.5. Sekat (baffle) dalam alat penukar panas untuk menimbulkan turbulensi pada fluida dalam selongsong (shell) dan untuk mendapatkan komponen aliran melintang pada kecepatan aliran fluida relatif terhadap pipa-pipa. Gabungan dari efek ini menghasilkan koefisien perpindahan panas lebih tinggi untuk permukaan tabung (pipa) terluar. Guna menaikkan luas permukaan perpindahan panas keseluruhan, kebanyakan alat penukar panas komersial menggunakan lebih dari satu kali lintasan (laluan) pipa dan selongsong (shell), dan fluida yang mengalir di dalam selongsong diarahkan bolak-balik dengan sekat-sekat. Gambar 5.6 menunjukkan alat penukar panas selongsong dan tabung dengan laluan shell tunggal dan laluan pipa dua serta laluan shell dua dan laluan pipa empat.



(a) (b) Gambar 5.6 Alat penukar panas selongsong dan tabung (a) laluan shell tunggal dan laluan pipa dua, (b) laluan shell dua dan laluan pipa empat I Gede Bawa Susana, Teknik Mesin FT. Unram



87



Bab V Alat Penukar Panas



Ada sejumlah konfigurasi lain yang disebut alat penukar panas kompak (compact heat exchanger) terutama digunakan dalam sistem aliran gas, di mana alat penukar panas tipe ini digunakan untuk mendapatkan luas permukaan perpindahan panas yang sangat besar per satuan volume alat penukar panas tersebut. Umumnya digunakan bila koefisien perpindahan panas konveksi yang berhubungan dengan salah satu fluida adalah jauh lebih kecil dibanding dengan fluida ke dua. Sirip (fin) digunakan pada sisi di mana koefisien perpindahan panas konveksinya kecil. 5.2 Koefisien Perpindahan Panas Keseluruhan (Overall Heat Transfer Coefficient) Dua fluida pada alat penukar panas dipisahkan oleh dinding datar dan dinding pipa seperti Gambar 5.7, dimana koefisien perpindahan panas keseluruhan pada alat penukar panas dipisahkan oleh dinding datar (Gambar 5.7a) dinyatakan dalam bentuk Persamaan 5.1.



Gambar 5.7 Notasi untuk koefisien perpindahan panas keseluruhan yang berhubungan dengan (a) dinding datar, (b) dinding pipa



U=



1 1   hi



 L  1  +   +    k   ho



  



(5.1)



Jika fluida dipisahkan oleh dinding pipa (Gambar 5.7b), koefisien perpindahan panas keseluruhan dinyatakan dalam bentuk berikut.



I Gede Bawa Susana, Teknik Mesin FT. Unram



88



Bab V Alat Penukar Panas



Uo =



1  A o 1  A o ln (ro ri ) 1   + + 2π kL ho  Ai hi 



(5.2) 1 Uo =  1  ro  ro   + ln   h o  k  ri



  ro  +    ri



 1   hi



atau Ui =



1 1 A i ln (ro ri )  A i 1   + +  hi 2π kL A h  o o



(5.3) Ui =



1  1  ri  ro   + ln   h i  k  ri



  ri  +    ro



 1   ho



dimana UiAi = UoAo, dan Persamaan 5.1 sampai 5.3, hanya berlaku untuk permukaan yang bersih. Kotoran (fouling) pada alat penukar panas terjadi seiring dengan lamanya pengoperasian, di mana permukaan dari penukar panas mungkin dilapisi oleh berbagai endapan yang biasa terdapat dalam sistem aliran, atau permukaan mengalami korosi sebagai akibat interaksi antara fluida dengan bahan yang digunakan dalam konstruksi penukar panas. Lapisan ini memberikan tahanan tambahan terhadap aliran kalor, dan menyebabkan menurunnya kemampuan kerja alat. Pengaruh menyeluruh dari hal tersebut biasa dinyatakan dengan faktor pengotoran (fouling factor) atau tahanan pengotoran (Rf), yang harus diperhitungkan bersama tahanan termal lainnya dalam menghitung koefisien perpindahan panas menyeluruh. Faktor pengotoran didapatkan dari percobaan, yaitu dengan menentukan U untuk kondisi bersih dan kondisi kotor pada alat penukar panas. Faktor pengotoran didefinisikan sebagai berikut. Rf =



1 U kotor



−



1 U bersih



I Gede Bawa Susana, Teknik Mesin FT. Unram



(5.4)



89



Bab V Alat Penukar Panas



Tabel 5.1 Faktor pengotoran beberapa fluida



Sea water



Fouling factors, R [m2 .oC/W] f 0.0001 – 0.0002



Clean water and Lake water



0.0002 – 0.0006



Well water



0.0004



Distilled water



0.0001



Treated boiled feed water



0.0001 - 0.0002



Fuel oil and crude oil



0.0009



Industrial liquids



0.0002



Transformer and lubricating oil



0.0002



Engine exhaust and fuel gases



0.002



Steam (non-oil bearing)



0.0001



Refrigerant liquids, oil bearing



0.0002



Dengan memasukkan tahanan termal untuk permukaan dalam dan luar pipa, koefisien perpindahan panas keseluruhan dapat dinyatakan dalam bentuk berikut.



Uo =



 1   ho



  + R f,o 



1 r r  r + o ln  o  +  o k  ri   ri



 r  1 R f,i +  o    ri  h i



(5.5)



untuk permukaan luar, dan untuk permukaan dalam seperti pada Persamaan 5.6.



Ui =



1 1 r r   r   + R f,i + o ln  o  +  i k  ri   ro  hi 



I Gede Bawa Susana, Teknik Mesin FT. Unram



 r  1 R f,o +  i    ro  h o



(5.6)



90



Bab V Alat Penukar Panas



Tabel 5.2 Nilai kira-kira koefisien perpindahan panas keseluruhan U (W/m2 . oC) Water to water



850 – 1170



Water to oil



110 – 350



Steam condensers (water in tubes)



1000 – 6000



Alcohol condensers (water in tubes)



250 – 700



Feed water heaters



110 – 8500



Air-condensers



350 – 780



Air to various gases Air to heavy tars and liquids Air to low viscosity liquids Finned tube xhgr



60 – 550 As low as 45 As high as 600 25 – 50



5.3 Analisa Alat Penukar Panas: Beda Temperatur Rata-rata Log (LMTD)



Gambar 5.8 Kesetimbangan energi keseluruhan untuk fluida panas dan dingin pada alat penukar panas dua fluida Berdasarkan Gambar 5.8, jika q dinyatakan sebagai laju total perpindahan panas antara fluida panas dan dingin, dimana diasumsikan bahwa perpindahan panas antara alat penukar panas dan sekeliling diabaikan, perubahan energi kinetik dan potensial diabaikan, maka penggunaan kekekalan energi didapat  h C p, h (Th,i − Th,o ) q=m



(5.7)



 c C p,c (Tc,o − Tc,i ) q=m



(5.8)



dan



dimana h menyatakan hot (panas), c menyatakan cold (dingin), I menyatakan kondisi fluida masuk (in), o menyatakan kondisi fluida keluar (out), dan Persamaan 5.7 dan 5.8 bebas pada susunan aliran. Perhatikan alat penukar panas pada Gambar 5.2, dengan fluida I Gede Bawa Susana, Teknik Mesin FT. Unram



91



Bab V Alat Penukar Panas



mengalir dalam aliran sejajar maupun aliran berlawanan. Untuk menghitung perpindahan panas dalam susunan pipa ganda ini dengan persamaan berikut.



q = U A ΔTm



(5.9)



dimana: U



= koefisien perpindahan panas keseluruhan



A



= luas permukaan perpindahan panas yang sesuai dengan definisi U



ΔTm = beda temperatur rata-rata 5.3.1 Alat Penukar Panas Aliran Searah (Paralel Flow) Gambar 5.9 memperlihatkan distribusi temperatur beda panas dan dingin yang berhubungan dengan alat penukar panas aliran searah (paralel flow).



Gambar 5.9 Distribusi temperatur untuk alat penukar panas aliran searah Beda temperatur, ΔT , mula-mula besar, kemudian menurun tajam dengan pertambahan x, mendekati asimtotik nol. Untuk kondisi alat penukar panas ini, temperatur luaran dari fluida dingin tidak pernah melebihi fluida panas. Untuk aliran searah seperti Gambar 5.9, bahwa Th,i = Th,1; Th,o = Th,2; Tc,i = Tc,1; Tc,o = Tc,2. Bentuk dari ΔTm dapat ditentukan dengan menggunakan kesetimbangan energi untuk elemen diferensial pada fluida panas dan dingin. Masing-masing elemen dengan panjang dx dan luas permukaan perpindahan panas dA, seperti ditunjukkan pada Gambar 5.9. Kesetimbangan energi dan analisa dibuat dengan kondisi asumsi: I Gede Bawa Susana, Teknik Mesin FT. Unram



92



Bab V Alat Penukar Panas



1. Alat penukar panas diisolasi dari keadaan keliling, sehingga pertukaran panas hanya terjadi antara fluida panas dan dingin. 2. Konduksi aksial memanjang pipa diabaikan. 3. Perubahan energi potensial dan kinetik diabaikan. 4. Panas spesifik fluida adalah konstan. 5. Koefisien perpindahan panas keseluruhan adalah konstan. Untuk penukar panas aliran searah (sejajar/paralel), panas yang dipindahkan melalui unsur luas dA dapat dituliskan sebagai berikut.  h C p, h dTh = −C h dTh dq = −m



(5.10)



 c C p,c dTc = C c dTc dq = m



(5.11)



dan



dimana Ch dan Cc adalah laju kapasitas panas fluida panas dan dingin. Laju perpindahan panas melintang luas permukaan dA dapat dinyatakan sebagai berikut.



dq = U ΔT dA



(5.12)



dimana ΔT = Th − Tc adalah perbedaan temperatur lokal antara fluida panas dan dingin. Persamaan 5.12 dapat diselesaikan dengan mensubstitusikan Persamaan 5.10 dan 5.11 ke persamaan ΔT = Th − Tc , d(ΔT ) = dTh − dTc



d(ΔT ) =



 1 dq dq 1   − = −dq + − Ch Cc  Ch Cc 



dari persamaan 5.12 untuk dq dan diintegralkan, sehingga diperoleh bentuk 2  1 d(ΔT ) 1    = U + 1 ΔT C  dA  h Cc  1 2



atau



 1  ΔT  1   ln  2  = −UA  + ΔT C C c   1  h I Gede Bawa Susana, Teknik Mesin FT. Unram



(5.13)



93



Bab V Alat Penukar Panas



Berdasarkan Persamaan 5.7, 5.8, dan 5.10, 5.11 untuk Ch dan Cc, maka Persamaan 5.13 dapat ditulis dalam bentuk berikut.



 ΔT   Th,i − Th,o Tc,o − Tc,i ln  2  = −UA  + q q   ΔT1 



  



 ΔT  UA (Th,i − Tc,i ) − (Th,o − Tc,o ) ln  2  = − q  ΔT1  Untuk alat penukar panas aliran searah (paralel) seperti ditunjukkan pada Gambar 5.9, perbedaan temperatur rata-rata yang sesuai adalah perbedaan temperatur rata-rata log (LMTD). Dengan ΔT1 = Th,i − Tc,i = Th,1 − Tc,1



ΔT2 = Th,o − Tc,o = Th,2 − Tc,2



(5.14a)



maka persamaan dapat ditulis dalam bentuk



q = UA ΔTlm



(5.14)



dimana:



ΔTlm =



ΔTlm =



ΔT2 − ΔT1  ΔT  ln  2   ΔT1  ΔT1 − ΔT2  ΔT  ln  1   ΔT2 



(5.15)



5.3.2 Alat Penukar Panas Aliran Berlawanan Arah (Counter Flow) Seperti pada Gambar 5.10, dimana konfigurasi menunjukkan untuk perpindahan panas antara bagian lebih panas dua fluida dekat daerah masuk, dan antara bagian lebih dingin dua fluida dekat daerah keluar. Perubahan perbedaan temperatur, ΔT = Th − Tc yang berhubungan dengan x tidak sebesar daerah masuk pada alat penukar panas aliran searah (paralel). Pada alat penukar panas aliran berlawanan memungkinkan temperatur luaran pada fluida dingin dapat melebihi temperatur luaran pada fluida panas. I Gede Bawa Susana, Teknik Mesin FT. Unram



94



Bab V Alat Penukar Panas



Gambar 5.10 Distribusi temperatur untuk alat penukar panas aliran berlawanan arah Alat penukar panas aliran berlawanan arah dapat menggunakan Persamaan 5.7, 5.8, 5.14, 5.15, dimana perbedaan temperatur didefinisikan dalam bentuk berikut. ΔT1 = Th,i − Tc,o = Th,1 − Tc,1 ΔT2 = Th,o − Tc,i = Th,2 − Tc,2



(5.16)



Untuk temperatur masuk dan keluar sama, perbedaan temperatur rata-rata log untuk aliran berlawanan (counter flow) melebihi dari aliran searah (paralel flow), ΔTlm,CF  ΔTlm,PF . Dengan menganggap nilai U sama, maka luas permukaan yang diperlukan untuk mengakibatkan laju aliran panas tertentu (q) adalah lebih kecil untuk aliran berlawanan dibanding aliran searah. 5.3.3 Kondisi Operasi Khusus Gambar 5.11.a menunjukkan distribusi temperatur alat penukar panas dimana  h C p, h jauh lebih besar dari pada fluida panas mempunyai laju kapasitas panas, C h = m  c C p,c . Pada fluida dingin, C c = m



kasus ini temperatur fluida panas konstan selama



mengalir melalui alat penukar panas. Gambar 5.11.b menunjukkan fluida dingin berubah fase dan temperatur mendekati konstan (C c →  ) , sedangkan tanpa perubahan fase jika C h  C c . Gambar 5.11.c merupakan alat penukar kalor/panas aliran berlawanan arah



dengan laju kapasitas panas sama (Ch = Cc), dan ΔT1 = ΔT2 = ΔTlm . I Gede Bawa Susana, Teknik Mesin FT. Unram



95



Bab V Alat Penukar Panas



Gambar 5.11 Kondisi alat penukar panas khusus, (a) C h  C c atau kondensasi uap, (b) penguapan cairan atau C h  C c , (c) alat penukar panas aliran berlawanan arah dengan kapasitas panas fluida sama (Ch = Cc) 5.3.4 Multipass dan Alat Penukar Panas Aliran Melintang Analisa pada alat penukar panas aliran melintang dan multipass (lintasan beberapa kali) menggunakan Persamaan 5.7, 5.8, 5.14, 5.15, dan modifikasi pada temperatur ratarata log, yang dinyatakan dalam bentuk berikut. ΔTlm = F ΔTlm,CF



(5.17)



Gambar 5.12 Faktor koreksi untuk alat penukar panas shell and tube dengan satu lintasan selongsong dan dua, empat, atau masing-masing kelipatan dari lintasan tabung tersebut F merupakan nilai faktor koreksi, dan nilai F untuk berbagai jenis alat penukar panas ditunjukkan pada Gambar 5.12 sampai 5.15. Untuk perubahan fase, seperti kondensasi atau penguapan, fluida biasanya berada pada temperatur konstan, maka nilai P atau R menjadi nol dan F sama dengan satu.



I Gede Bawa Susana, Teknik Mesin FT. Unram



96



Bab V Alat Penukar Panas



Gambar 5.13 Faktor koreksi untuk alat penukar panas dengan dua lintasan selongsong, dan empat, delapan, atau masing-masing keliatan dari lintasan tabung



Gambar 5.14 Faktor koreksi untuk alat penukar panas aliran melintang satu lintasan, kedua fluida tak bercampur



I Gede Bawa Susana, Teknik Mesin FT. Unram



97



Bab V Alat Penukar Panas



Gambar 5.15 Faktor koreksi untuk alat penukar panas aliran melintang satu lintasan, satu fluida bercampur dan satu fluida tak bercampur Contoh 5.1 Aliran melintang, alat penukar panas pipa konsentrik digunakan untuk mendinginkan minyak pelumas untuk mesin turbin gas industri besar. Laju aliran air pendingin melalui pipa dalam (Di = 25 mm) adalah 0,2 kg/s, sedangkan laju aliran minyak melalui saluran pipa luar (Do = 45 mm) adalah 0,1 kg/s. Minyak dan air masing-masing masuk pada temperatur 100oC dan 30oC. Berapa panjang pipa harus dibuat jika temperatur keluar minyak adalah 60oC. Jawab: Diketahui: Alat penukar panas pipa konsentrik-aliran melintang dengan fluida



minyak



dan air. Di = 25 mm; Do = 45 mm  c = 0,2kg/s ; m  h = 0,1kg/s m



Th,i = 100oC; Tc,i = 30oC; Th,o = 60oC I Gede Bawa Susana, Teknik Mesin FT. Unram



98



Bab V Alat Penukar Panas



Ditanya: Panjang pipa (L) Jawab: Skematik:



Asumsi: 1. Kerugian panas kesekeliling diabaikan 2. Perubahan energi kinetik dan potensial diabaikan 3. Sifat konstan 4. Tahanan termal dinding dan faktor pengotoran diabaikan 5. Kondisi fully developed untuk air dan minyak (U adalah tidak tergantung pada x). Sifat: Tabel A.5 (Incropera), engine oil (unused), Th = 80 o C = 353K : Cp = 2131 J/kg.K, μ = 3,25x10 −2 N.s/m2 , k = 0,138 W/m.K. Tabel A.6 (Incropera), air (water), Tc  35 o C : Cp = 4178 J/kg.K, μ = 725x10 −6 N.s/m2 , k = 0,625 W/m.K, Pr = 4,85. Berdasarkan kesetimbangan energi untuk fluida panas dan dingin (persamaan 5.7 dan 5.8), untuk fluida panas diperoleh  h C p, h (Th,i − Th,o ) q=m



q = 0,1 kg/s x 2131 J/kg.K (100-60)oC = 8524 W untuk fluida dingin,  c C p,c (Tc,o − Tc,i ) q=m



Tc,o =



q + Tc,i  c C p,c m



Tc,o =



8524 W + 30 o C = 40,2o C 0,2 kg/s X 4178 J/kg.K



I Gede Bawa Susana, Teknik Mesin FT. Unram



99



Bab V Alat Penukar Panas



Penggunaan Tc  35 o C adalah tepat, dan panjang alat penukar panas ditentukan berdasarkan persamaan 5.14,



q = UA ΔTlm dimana A = πD i L dan dari persamaan 5.15 dan 5.16 diperoleh



ΔTlm =



(T



h,i



− Tc,o ) − (Th,o − Tc,i ) (100 − 40,2) − (60 − 30) 59,8 − 30 = = = 43,2o C (Th,i − Tc,o ) (100 − 40,2) 59,8 ln ln ln (60 − 30) 30 (Th,o − Tc,i )



Koefisien perpindahan panas keseluruhan berdasarkan persamaan 5.5 atau 5.6,



U=



1 (1 h i ) + (1 h o )



Aliran air melalui pipa adalah Re =



c 4m 4 x 0,2kg/s = = 14050 πD i μ π(0,025m)(725x10 −6 )Ns/m2



Hasil dari bilangan Reynold menunjukkan aliran turbulen dan koefisien perpindahan panas konveksi dihitung berdasarkan persamaan 3.13 Nu D = 0,023Re 4D 5 Pr 0,4 Nu D = 0,023(14050) 4 5 (4,85)0,4 = 90



Maka



h i = Nu D



k 90 x 0,625 W/m.K = = 2250 W/m 2 .K Di 0,025 m



Aliran minyak melalui anulus, berdasarkan diameter hidraulik persamaan 3.34, Dh= Do – Di = (45 – 25)mm = 20 mm = 0,02 m, dan bilangan Reynold adalah Re D =



h ρu m D h ρ(D o − D i ) m = Χ μ μ ρπ(D o2 − D i2 )/4



Re D =



h 4m 4 X 0,1 kg/s = = 56 π(D o + D i )μ π(0,045 + 0,025)m Χ 3,25 Χ 10 − 2 kg/s.m



Hasil dari bilangan Reynold menunjukkan aliran laminer. Asumsi temperatur seragam pada seluruh panjang permukaan dalam anulus dan permukaan luar di isolasi sempurna, koefisien konveksi pada permukaan dalam anulus berdasarkan tabel 3.3. Dengan Di/Do = 0,56, diperoleh I Gede Bawa Susana, Teknik Mesin FT. Unram



100



Bab V Alat Penukar Panas



Nu i = ho =



h o Dh = 5,56 k



5,56 x 0,138 W/m.K = 38,4 W/m 2 .K 0,02 m



Koefisien perpindahan panas keseluruhan adalah



U=



1 = 37,8 W/m 2 .K 1 1 + 2250 W/m 2 .K 38,4 W/m 2 .K



Sehingga panjang pipa adalah L=



q 8524 W = = 66,5 m 2 U π D i ΔTlm (37,8 W/m .K) π (0,025 m) 43,2o C



5.4 Analisa Alat Penukar Panas: Metode NTU-Efektivitas Pendekatan LMTD dalam analisa alat penukar panas berguna bila temperatur masuk dan keluar diketahui atau dapat ditentukan dengan mudah. Misalnya jika hanya temperatur fluida masuk yang diketahui, maka penggunaan metode LMTD memerlukan prosedur coba-coba. Dalam hal ini analisa akan lebih mudah dilakukan dengan metode pendekatan, disebut metode efektivenes-NTU, metode yang berdasarkan atas efektivitas penukar kalor dalam memindahkan sejumlah kalor tertentu. Efektivitas penukar panas didefinisikan sebagai perbandingan antara laju perpindahan panas aktual untuk sebuah alat penukar panas pada kemungkinan laju perpindahan panas maksimum. ε=



q q maks



(5.18)



Perpindahan panas aktual (q) dapat dihitung dari energi yang dilepaskan oleh fluida panas atau energi yang diterima oleh fluida dingin. Sedangkan laju perpindahan panas maksimum (qmaks) secara prinsip dapat dicapai pada alat penukar panas aliran berlawanan arah, Gambar 5.10. Nilai maksimum akan didapat bila salah satu fluida mengalami perubahan temperatur sebesar beda temperatur maksimum yang terdapat pada alat penukar panas itu, yaitu selisih antara temperatur masuk fluida panas dan fluida dingin, Th,i − Tc,i . Untuk menjelaskan hal ini perhatikan kondisi dengan C c C h , dari Persamaan 5.10 dan 5.11, dTc  dTh . Kemudian fluida dingin akan mengalami perubahan temperatur besar dan I Gede Bawa Susana, Teknik Mesin FT. Unram



101



Bab V Alat Penukar Panas



jika L →  , maka fluida dingin tersebut akan dipanaskan mencapai temperatur fluida panas (Tc,o = Th,i ) , sehingga dari Persamaan 5.8, C c C h :



q mak = C c (Th,i − Tc,i )



Hal serupa, jika Ch