ANALISA PERPINDAHAN PANAS PADA PERENCANAAN MENARA PENDINGIN TIPE PLAT DATAR
Oleh :
Elfia Ridwan 0304102010023
Abstrak
Menara pendingin salah satu alat penukar panas, dimana aliran fluida panas (air) akan dikontak dikontak langsung dengan dengan fluida dingin (udara). (udara). Analisa perpindahan perpindahan panas pada perencanaan menara pendingin ini untuk memperoleh suatu alat penukar kalor yang lebih sederhana dan efisien dengan menggunakan plat datar tipis sebagai media perpindahan panas. Penggunaan plat datar bertujuan untuk memperluas memperluas permukaan perpindahan perpindahan panas dimana fluida panas mengalir mengalir diatas plat dengan memperlambat laju aliran air jatuh sehingga dengan memperlambat laju aliran maka energi panas yang hilang lebih besar. Pada sistem menara pendingin ini, panas yang dibuang pada plat 1 204,68 kW dan pada saat air jatuh 296,04 kW sehingga panas total yang dibuang sebesar 3038,79 kW dengan temperatur masuk 90 C dan keluar 82,97 0C. laju perpindahan panas ini masih bisa ditingkatkan dengan memperluas dimensi permukaan plat ataupun dengan menggunakan menggunakan blower sehingga temperatur temperatur yang keluar lebih rendah. 0
Kata kunci : perpindahan panas, plat datar, air.
I. PENDAHULUAN
Semua peralatan pemesinan yang berbasis energi panas apabila bekerja terus-menerus akan menimbulkan panas yang berlebihan. Hal ini apabila panas yang timbul melebihi batas toleransi tingkat kemampuan material menahan panas yang yang diiz diizin inka kan n akan akan terja terjadi di kele kelela laha han n ther therma mall mate materi rial. al. Untu Untuk k meng mengat atas asii kelelahan material tersebut maka perlu dihindari dengan proses pendinginan. Pada umumnya proses pendinginan dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu dengan dengan menggu menggunak nakan an fluida fluida udara
dan fluida fluida air. Pemanfa Pemanfaata atan n fluida fluida udara
langsung langsung sebagai sebagai media pendingin pendingin sering digunakan digunakan untuk pendingin pendinginan an yang
1
2
berkapasitas kecil contohnya seperti pada sepeda motor. Sedangkan untuk pendinginan yang berkapasitas sedang biasanya menggunakan radiator. Pada mesin mesin motor motor bakar bakar yang yang mempun mempunyai yai beban beban pendin pendingin ginan an yang yang sangat sangat besar besar biasanya menggunakan pendinginan secara bertingkat dimana mesin didinginkan oleh oleh oli oli kemu kemudi dian an oli oli ters terseb ebut ut didi diding ngin inka kan n deng dengan an air. air. Air Air itu itu send sendir irii disirk disirkula ulasik sikan an ulang ulang yang yang terlebi terlebih h dahulu dahulu diding didingink inkan an di menara menara pendin pendingin gin (cooling (cooling tower). tower). Hal ini untuk untuk menceg mencegah ah temper temperatu aturr air pendin pendingin gin melebi melebihi hi temp temper eratu aturr toler toleran ansi si maks maksim imum um.. Bila Bila temp tempera eratu turr air air pend pendin ingi gin n mele melebi bihi hi temper temperatur atur maksim maksimum um maka maka kemamp kemampuan uan pendin pendingin gin akan akan menuru menurun n sehing sehingga ga temper temperatur atur peluma pelumass akan akan tinggi tinggi (di luar luar batas batas izin) izin) yang yang dapat dapat menuru menurunka nkan n kualitas pelumas, akibatnya dapat merusak komponen-komponen mesin. Dalam perencanaan ini, menara pendingin yang direncanakan merupakan tipe plat datar dimana dimana plat tersusun secara secara horizontal horizontal dan fluida mengalir mengalir diatas plat tersebut, pola aliran seperti ini untuk memperlambat laju aliran massa fluida panas (air) sehingga luas kontak permukaan perpindahan panas antara fluida panas dengan udara dapat diperbesar dan waktu persentuhan fluida panas dengan udar udaraa dapa dapatt dipe diperp rpan anjan jang. g. Deng Dengan an memp memperb erbes esar ar perm permuk ukaa aan n sent sentuh uh dan dan memper memperpan panjan jang g waktu waktu persen persentuh tuhan an antara antara fluida fluida panas panas dengan dengan udara udara dapat dapat memperbesar memperbesar laju perpindaha perpindahan n panas sehingga pembuangan pembuangan energi energi panas dari menara pendingin ke udara dapat ditingkatkan. Dalam menganalisa sistem ini dilakukan dengan asumsi-asumsi sebagai berikut :
•
Tidak terjadi perubahan fasa pada alirannya.
•
Pros Proses es
perp perpin inda daha han n
pana panass
kond konduk uksi si
diab diabai aika kan n
kare karena na
konduktifitas plat aluminium merupakan plat tipis seng yang konduktivitas thermal mendekati 1.
•
Energi potensial dan energi kinetik diabaikan.
Tujuan penulisan ini adalah untuk menganalisa perpindahan panas yang terjadi pada perencanaan menara pendingin. Analisa dan perhitungan perpindahan panas dilakukan dalam arah satu dimensi dengan membagi plat menjadi beberapa
3
bagian, masing-masing bagian dianalisa dan dihitung dihitung dengan metoda yang sama.
II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Teori Perpindahan Panas
Perpindahan panas dari suatu zat ke zat lain seringkali terjadi dalam indust industri ri proses proses.. Pada Pada kebany kebanyaka akan n penger pengerjaa jaan, n, diperlu diperlukan kan pemasu pemasukan kan atau atau pengeluaran panas untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Perpindahan panas dapat didefinisikan sebaga sebagaii perpin perpindah dahan an energi energi akibat akibat adany adanyaa perbed perbedaan aan temper temperatu aturr pada pada suatu suatu permukaan dengan lingkungan lingkungan sekitarnya. Perpindahan panas dapat terjadi dengan tiga (3) cara, yaitu: 1. Konduksi 2. Konveksi 3. Radiasi.
2.1.1. Perpindahan panas konduksi
Perpindahan panas konduksi adalah perpindahan panas yang terjadi pada medi mediaa pada padatt yang yang tak tak temb tembus us caha cahaya ya (opaque). Bila Bila terja terjadi di perp perped edaa aaan an temperatur pada suatu benda maka panas akan dipindahkan dari daerah temperatur ting tinggi gi
ke daera daerah h yang yang berte bertemp mper eratu aturr rend rendah ah.. Laju Laju alira aliran n pana panass kond konduk uksi si
tergan tergantun tung g pada pada konduk konduktif tifita itass therma thermall (k) dan sifat-s sifat-sifat ifat fisik fisik medium medium.. Maka Maka persamaannya dapat dituliskan sebagai berikut : q k
= −kA
dT dx
………………………………………………………..
(2.1) dimana : qk = Laju aliran panas (watt) k = Konduktifitas thermal (W/m. oK) A = Luas penampang (m2) dT = Perbedaan temperatur ( oK) dx = Perbedaan tebal dindinng pelat (m)
4
2.1.2. Perpindahan panas konveksi
Perpindahan panas konveksi ialah perpindahan panas yang terjadi akibat adan adanya ya flui fluida da yang yang berg berger erak ak atau atau meng mengal alir ir dan dan bers bersen entu tuha han n deng dengan an suat suatu u permukaan yang temperaturnnya berbeda dengan fluida tersebut. Secara umum perpindahan panas konveksi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan , yaitu:
qc =
h c A(T s
− T f .∞ )
……………………………………………………
(2.2) dimana : h c = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (W/m 2. oK) A = Luas Luas permukaan permukaan kontak dengan fluida (m2) Ts = Temperatur permukaan ( oK) Tf.∞ = Temperatur fluida (oK) Perpin Perpindah dahan an panas panas secara secara konvek konveksi si dapat dapat digolo digolongk ngkan an berdas berdasark arkan an gerakan fluida sebagai media perpindahan panas, yaitu : 1. Konvek Konveksi si paksa adalah adalah perpindah perpindahan an panas panas konveks konveksii yang yang dilaku dilakukan kan oleh fluida akibat adannya gaya yang bekerja pada fluida tersebut. 2. Konv Konvek eksi si alam alamia iah h adal adalah ah perp perpin inda daha han n pana panass konv konvek eksi si akib akibat at gaya gaya apung dimana fluida sebagai media perpindahan perpindahan panas tidak bergerak bergerak atau tidak ada gaya yang bekerja pada fluida tersebut. Pada Pada perenc perencana anaan an menara menara pendin pendingin gin sistem sistem plat plat datar datar ini perpin perpindah dahan an panas
terjadi secara
konveksi paksa melalui permukaan penampang karena
bergerak diatas plat tersebut.
2.1.3. Perpindahan panas radiasi
Yang dimaksud dengan perpindahan panas radiasi ia1ah perpindahan panas mela1ui gelombang elektromagnetik ele ktromagnetik dari suatu fluida ke fluida yang lain. Semu Semuaa bend bendaa mema memanca ncark rkan an ka1o ka1or. r. Kead Keadaa aan n ini ini baru baru terb terbuk ukti ti setel setelah ah suhu suhu
δ t
=
8α x U ∞
5
meningkat. meningkat. Pada hakekatnya hakekatnya proses perpindahan perpindahan ka1or radiasi terjadi dengan dengan perantaraan foton dan juga gelombang elektromagnetik. elektromagnetik. Proses radiasi radiasi adalah fenome fenomena na permuk permukaan aan.. Proses Proses radias radiasii tidak tidak terjad terjadii pada pada bagian bagian da1am da1am bahan. bahan. Tetapi suatu bahan apabila menerima sinar, maka banyak ha1 yang boleh terjadi. Apabil Apabilaa sejuml sejumlah ah energi energi ka1or ka1or menimp menimpaa suatu suatu permuk permukaan aan,, sebaha sebahagia gian n akan akan dipa dipant ntul ulka kan, n, seba sebaha hagi gian an akan akan dise disera rap p ke da1a da1am m baha bahan, n, dan dan seba sebagi gian an akan akan menembusi bahan dan terus ke luar. Jadi da1am mempelajari perpindahan ka1or radi radias asii
akan akan
dili diliba batk tkan an
suat suatu u
fisi fisik k
perm permuk ukaa aan. n. Besa Besarn rnya ya
ener energi gi
yang yang
mening meninggal galkan kan permuk permukaan aan sebaga sebagaii panas panas radias radiasii dipeng dipengaru aruhi hi oleh oleh temperatur absolute dan keadaan permukaannya. Laju aliran perpindahan panas radiasi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : qr = σAT4
…………………………………………………………….
(2.3) dimana : qr = Laju perpindahan panas radiasi (watt) A = Luas penampang (m 2) T = Temperatur permukaan (T)
σ = Konstanta Bolzmant = 5,6 x 10-8 W/m2. K 4. 2.2 Koefisien Perpindahan Panas 2.2.1 .2.1
Alir Alira an Lam Lamin inar ar
Secara analisis penentuan harga koefisien perpindahan panas untuk aliran laminar yaitu dengan menggunakan persamaan energi integral lapisan batas. Dari penyelesaian integrasi tersebut didapat :
………………………………………………………. (2.4) Koefesien perpindahan panas dapat dinyatakan dengan
6
− k (∂T / ∂ y ) w 3 K 3 2 = = T w − T ∞ 2∂ t 8
h x =
U ∞ α x
……………………………. (2.5)
Hubungan ini dapat dibuat dalam bentuk tidak berdimensi sebagai:
=
Nu x
h x . x k
=
0,530(Rex.Pr)1/2 = 0,530 . Pe 1/2 ............................ ............................ (2.6)
Dimana : Pe = Re. Pr, yang disebut sebagai bilangan Peclet .
Untuk menghitung menghitung koefisien koefisien perpindahan perpindahan panas dengan dengan menggunak menggunakan an persamaan diatas, sifat-sifat fluida dievaluasi pada suhu film, yakni rata-rata aritmatika antara suhu dinding dengan suhu aliran bebas.
T f
=
(T w
+ T ∞ ) 2
…………………………………………………….. (2.7)
Dalam Dalam prakte praktek k biasan biasanya ya kita kita menggu menggunak nakan an harga harga rata-ra rata-rata ta koefis koefisien ien perpindahan panas sepanjang plat mulai, x = 0 sampai x = L, jadi : h=
1 L
∫ 10 h( x)dx = 2h( x) x= L
………………………………………… (2.8)
dengan demikian angka nusselt number rata-rata untuk aliran sepanjang plat rata adalah : 1
N u
= 0,664 Pr
3
2.2.2 .2.2
1
. Re 2
……………………………………………….. (2.9)
Alir Alira an Tur Turbu bule len n
Korelasi untuk aliran turbulen sepanjang plat rata telah dikembangkan oleh Whitetaker (24) dengan bentuk sebagai berikut :
Nu =
0,029 Re x0,8 Pr 0, 43
Dala Dalam m
prak prakte tekn knya ya,,
……………………………………………. (2.10) lebi lebih h
disu disuka kaii
meng menggu guna naka kan n
harg hargaa
koef koefis isie ien n
7
perpindahan panas kalor rata-rata h sepanjang plat mulai 0 ≤ x ≥ L pada aliran turbulen, selalu dimulai oleh batas laminar. Oleh karena itu perata-rataan harus digunakan untuk memperoleh harga rata-rata koefisien perpindahan panas. Misalkan aliran laminar pada jangkauan 0 ≤ x ≥ c dan turbulen pada daerah c ≤ x ≥ L. koefisien perpindahan panas lokal bagi kedua daerah tersebut adalah :
1 x
h
k u x = 0,332 ∞ x v
1/ 2
Pr 1 / 3 …………………………………...… (2.11)
pada 0 ≤ x ≥ c (laminar)
1 x
h
k u x = 0,029 ∞ x v
0.8
Pr 0.43 …………………………………….. (2.12)
pada c ≤ x ≥ L (turbulen)
koefisien perpindahan panas rata-rata h sepanjang daerah 0 ≤ x ≥ L didefinisikan sebagai : L c 1 h = ∫ h dx + ∫ hdx 0 L 0 x
1
…………………………………………… (2.13)
Bilangan Nusselt Bilangan Nusselt rata-rata rata-rata ( Nu ) sepanjang daerah laminar turbulen setelah proses integrasi didapat: Nu
= 0,036 Pr 0, 43 (Re L0,8 − Re 0c ,8 ) + 0,664 Pr 1 / 3 Re 0c ,5
……………….. (2.14)
Harga Nusselt Harga Nusselt pada pada persamaan diatas tergantung pada harga Reynold kritis untuk peralihan dari laminar ke turbulen, untuk angka Reynold kritis Re c = 2 x 10 5 Whitetaker (24) menyarankan persamaan berikut:
8
u Nu = 0,036 Pr 0, 43 (Re L0,8 − 9200) ∞ uw
0 , 25
………………………… (2.15)
Persamaan diatas memberikan angka Nusselt rata-rata pada daerah laminar dan turbul turbulen en pada pada plat plat rata yang yang sesuai sesuai untuk untuk fluida fluida-flu -fluida ida sepert sepertii udara, udara, air hingga minyak mesin. 2.2. 2.2.3 3
Alir Aliran an Meny Menyil ilan ang g Sil Silin inde derr
Pengetahuan mengenai perpindahan panas untuk aliran menyilang silinder penting dalam beberapa kasus dalam prakteknya, seperti pada perhitungan perpindahan panas menara pendingin ini yang bentuk air jatuh hampir sama dengan bentuk silinder. Tetapi penentuan koefisien perpindahan panas untuk hali in sangat sulit karena kompleksnya pola-pola aliran disekitar silinder tersebut. Gambar Gambar dibawa dibawah h ini mengil mengilust ustras rasikan ikan karakt karakteri erisrt srtik ik aliran aliran diseki disekitar tar sebuah sebuah silinder dalam aliran silang.
Gambar 2.1 Aliran disekitar silinder
Sumber: Bejan, 1993 Whitak Whitaker er (24) (24) mengko mengkorel relasi asikan kan koefis koefisien ien perpin perpindah dahan an panas panas rata-ra rata-rata ta untuk berbagai fluida baik gas maupun zat cair yang mengalir menyilang silinder tunggal dengan bentuk persamaaan sebagai berikut: 0.25
Nu
= ( 0.4 Re + 0,06 Re ) Pr 0,5
2/3
0, 4
µ ∞ µ w
……………………… (2.16)
Yang berlaku pada jangkauan: 40 < Re < 10 5 dan 0,67 < Pr < 300 Pada persamaan ( 2.16 ) terdapat ketergantungan bilangan Nusselt pada dua
9
bilangan Reynold berbeda. Untuk harga Re 0,5 merupa merupakan kan kontrib kontribusi usi dari dari karakteristik daerah lapisan batas laminar dan untuk Re 2/3 merupakan kontribusi dari daerah aliran balik disekitar silinder. Suat Suatu u kore korela lasi si yang yang lebih lebih umum umum dan dan lebi lebih h terp terperi erinc ncii dibe diberi rika kan n oleh oleh Church Churchill ill dan Bernst Bernstein ein (3) untuk untuk koefis koefisien ien perpin perpindah dahan an panas panas rata-ra rata-rata ta bagi bagi aliran menyilang silinder dalam bentuk sebagai berikut:
Re 5 / 8 Nu = 0,3 + 1+ 1/ 4 2/3 0,4 282000 1 + Pr 0,62 Re1 / 2 . Pr 1 / 3
4/5
…………………. (2.17)
Yang berlaku pada rentang 10 2 < Re < 107 Rumus ini memberikan hasil yang agak lebih rendah sekitar 20% dari data rentang rentang angka Reynolds Reynolds antara 20.000 dan 40.000, 40.000, untuk rentang rentang ini disarankan disarankan menggunakan rumus berikut:
Re 1 / 2 Nu = 0,3 + 1 + 2 / 3 1/ 4 [1 + (0,4 / Pr) ] 282000 0,62 Re1 / 2 . Pr 1 / 9
………………... (2.18)
Persamaan (2.15) dan (2.16) berlaku untuk fluida udara, air hingga natrium cair baik kondisi temperature dinding konstan maupun fluks kalor konstan. Semua sifat dievaluasi pada suhu film.
III. METODELOGI ANALISA 3.1 Prinsip Kerja Menara Pendingin yang Direncanakan
Menara pendingin pendingin yang direncanakan direncanakan terdiri dari bak penampung penampungan an atas, plat datar dan bak penampungan bawah dengan dimensi 295 cm x 100 cm x 50 cm. Dalam bak penampungan atas dipasang dua buah unit pemanas ( heater) untuk memana memanaska skan n air yang yang dipomp dipompaa dari dari bak penamp penampung ungan an bawah. bawah. Kemudi Kemudian an air deng dengan an
temp temper erat atur ur
T2 meng mengal alir ir
mele melewa wati ti
plat plat
data datarr
untu untuk k
ditu dituru runk nkan an
temperaturnya secara konveksi paksa menjadi T 1, yang kemudian jatuh kembali ke
10
bak penampungan bawah. Diharapkan dengan sistem perencanaan ini dapat memb member erik ikan an efek efek perp perpin inda daha han n
pana panass
meningkatkan efesiensi kerja suatu mesin.
Keterangan: 1. Bak Bak pen penam ampu pung ng atas atas 2. Plat da datar 3. Bak Bak pena penamp mpun ung g bawa bawah h
yang yang lebi lebih h besa besarr
sehi sehing ngga ga dapa dapatt
11
4. Pompa
Gambar 3.1 Menara Pendingin yang Direncanakan
Satuan : cm Ket: 1. 2. 3. 4. 5.
Pintu Air Bak Bak Pen Penam ampu pung ng Atas Atas Heater Plat Datar Pipa Pipa Salu Saluran ran Air Air Din Dingi gin n
12
6. Bak Bak pena penamp mpun ung g Bawa Bawah h 7. Pompa 8. Roda Gambar 3.2 Mekanisme Aliran Fluida pada Menara Pendingin 3.2 Bagian-Bagian Menara Pendingin Yang Direncanakan 3.2.1 Bak Penampungan Atas
Bak Bak pena penamp mpun unga gan n atas atas meru merupa paka kan n temp tempat at pena penamp mpun unga gan n air air yang yang dipanaskan dengan heater sehingga mencapai temperatur T 2 sebelum dialirkan ke plat datar. Pada bak penampungan atas juga terdapat bagian-bagian yang terdiri dari saluran pipa air masuk dan pintu air yang merupakan tempat keluarnya air dari bak yang selanjutnya dialirkan diatas plat. Pintu air ditempatkan pada bagian bawah bak, hal ini bertujuan untuk mempercepat air mengalir.
3.2.2 Plat Datar
Pada bagian ini air dialirkan diatas plat secara external flow sehingga terjadi terjadi perpindahan perpindahan panas konveksi konveksi akibat kontak kontak langsung langsung dengan aliran udara. Setiap plat datar memiliki dimensi 80,6 cm x 50 cm. pada perencanaan menara pendingin ini terdapat 7 plat datar yang tersusun secara horizontal, yang betujuan untuk untuk memper memperlua luass kontak kontak permuk permukaan aan perpin perpindah dahan an panas panas antara antara fluida fluida panas panas dengan dengan udara udara sehing sehingga ga waktu waktu persen persentuh tuhan an fluida fluida panas panas dengan dengan udara udara dapat dapat diperpanjang. bentuk dan dimensinya dapat dilihat pada gambar
Gambar 3.2 Penampang Plat Datar
3.2.3 Bak Penampungan Bawah
Bak penampungan bagian bawah berfungsi untuk menampung air yang
13
sudah diturunkan temperaturnya dan air tersebut dipompakan kembali ke atas bak penampungan atas. Pada bak penampungan bawah juga dilengkapi dengan penyaring (filter) agar menjaga agar air yang dipompakan tetap bersih. 3.3. Metoda Analisa
Metoda analisa yang dilakukan dengan menggunakan literatur yang ada dan memasukan data-data perencanaan kedalam persamaan-persamaan. Analisa dan perhitungan perpindahan panas dilakukan dalam arah satu dimensi dengan membag membagii plat plat menjad menjadii bebera beberapa pa bagian bagian,, masing masing-mas -masing ing bagian bagian dianal dianalisa isa dan dihitung dengan metoda yang sama. Dalam analisa ini bagian perpindahan panas dibagi dalam bebarapa tahap, yaitu : a. Analisa Analisa perpindah perpindahan an panas panas pada pada saat air air jatuh dari bak bak penampun penampung g atas ke ke plat datar. b. Analisa perpindahan panas pada saat air mengalir diatas plat datar. c. Analis Analisaa perpinda perpindahan han panas panas pada saat saat air jatuh dari dari plat yang yang satu ke plat lainnya.
IV. ANALISA DAN PERHITUNGAN
Analisa perpindahan panas pada alat ini dilakukan pada setiap plat dimana setiap plat panjangnya 80 cm yang mempunyai tujuh (7) tingkatan dan pada setiap bagian yang terjadi perpindahan panas dianalisa dengan metoda yang sama. Pada perencanaan ini menara pendingin digunakan dalam ruangan sehingga kecepatan udaran udaranya ya diabai diabaikan kan.. Data Data yang yang dipaka dipakaii pada pada analis analisaa ini berdas berdasark arkan an menara menara pendingin yang direncanakan, yaitu : Tabel 4.1 Data-data propertis perencanaan
No 1 2 3 4
Data Analisa Perencanaan Temperatur air yang dipanaskan Temperatur udara luar Panjang setiap plat Lebar plat
Besaran 90o 30o 80 cm 50 cm
14
4.1 Kapasitas Menara Pendingin
Kapasi Kapasitas tas menara menara pendin pendingin gin dapat dapat ditent ditentuka ukan n dengan dengan menggu menggunak nakan an persamaan: Q=V.A Dimana: V = kecepatan air A = Luas pintu air = 0,05 m x 0,5 m (direncanakan) Tinggi antara pintu air dengan plat pertama direncanakan 0,5 m, sehingga kecepatan air dapat dihitung: V =
2 gH
= (2)(9,81)(0,5) = 3,13m / s
Sehingga di dapat: Q = (3,13) x (0,05 x 0,5) = 0,078 m 3/s
4.2 Daya Pompa
Pompa berfungsi untuk memindahkan air dari tinggi tekan (head) rendah ke ting tinggi gi tekan tekan yang yang ting tinggi gi.. Besa Besarn rnya ya daya daya pomp pompaa yang yang dibu dibutu tuhk hkan an untu untuk k perencanaan menara pendingin ini dapat dihitung dengan menggunakan persamaan: P =
. ρ . g .Q H η
Dimana: Q = Debit air
15
H = Head pompa = 2,2 m ( direncanakan)
η = Efisiensi pompa = 60% (direnncanakan)
ρ = Massa jenis air = 992 kg/m 3 (tabel lampiran)
Sehingga didapat: P =
(992)(9,81)(0,078)(2,2) 0,6
= 2,78 kW
4.3 Analisa Perpindahan Panas
Analis Analisaa perpin perpindah dahan an panas panas pada pada sistem sistem ini dilaku dilakukan kan pada pada setiap setiap plat plat dimana setiap plat panjangnya 1 m. bagian pertama yang di analisa yaitu pada saat air jatuh jatuh dari dari bak penampun penampung g ke plat plat pertam pertamaa (gamba (gambarr 4.1), 4.1), dimana dimana terjadi terjadi perpindahan panas konveksi karena air bersentuhan langsung dengan udara. Kecepatan udara dalam perencanaan ini diabaikan karena menara pendingin ini
16
Gambar 4.1 Mekanisme perpindahan panas konveksi
direnc direncana anakan kan diguna digunakan kan dalam dalam ruanga ruangan. n. Perpin Perpindah dahan an panas panas dianal dianalisa isa pada pada temperatur film, yaitu: T f
=
90 + 30 2
= 60 oC Sifat-sifat fluida dapat dievaluasi pada temperatur flm yaitu: ( tabel lampiran) ν
= 0,478 x 10 -6 m2/s
K = 0, 658 W/m.K Pr = 3 Cp = 4181 J/kg. K Reynolds number: Re =
=
V .l ν
(3,1)(0,15) 0,478 × 10 −6
= 6,55 × 10 5
17
Untu Untuk k bila bilang ngan an Reyn Reynol old d berad beradaa diat diatas as 5 x 105 maka maka aliran aliran tersebu tersebutt adalah adalah turbulen sehingga didapat bilangan Nusselt: Nu = 0,029 Pr 0,43 . Re0,8 = 0,664 (3) 0,43 . ( 6,55 × 10 )0,8 5
= 2,09 x 103 Maka koefisien perpindahan panas konveksi adalah: Nu.k
h=
l
=
(2,09 × 10 3 ).(0.,658) 0,1
= 1,38 × 10 4 W / m 2 K Sehingga perpindahan panas konveksi didapat: q = h . A (∆T) = (1,38 x 10 4).(0,1 x 0,5).(90 – 30) = 4,13 x 10 4 W Analisa diatas merupakan analisa perpindahan panas untuk bagian pertama yakn yaknii pada pada saat saat air air meng mengal alir ir jatuh jatuh dari dari bak bak pena penamp mpun unga gan n air air pana panass ke plat plat pertama, dimana pada daerah ini penurunan temperatur dapat ditentukan dengan persamaan: Q = m Cp ∆T 4,98 x 10 5 = (100) (4181) ∆T
∆T =
4,13 × 10 4 100 × 4181
= 0,098 0 C 4.3.1 Perpindahan Panas Akibat Terjadi Perpindahan Massa
Kontak langsung air dengan udara mengakibatkan terjadinya perpindahan
18
massa massa yang yang disert disertai ai perpin perpindah dahan an panas panas konvek konveksi, si, peristiw peristiwaa ini disebut disebut
juga juga
evaporative evaporative cooling cooling dimana dimana terjadi terjadi perpin perpindah dahaa energi energi panas panas sebaga sebagaii akibat akibat perpindahan massa air ke udara. Dari data diatas dapat diperoleh temperature film antara air dengan udara lingkungan, yaitu:
T f
=
89,9 + 30 2
= 59,9 0 C
Sifat-sifat fluida air pada Tf = 59,9 oC adalah: ν
= 0,78 x 10 -6 m2/s
K = 0,658 w/m. K Pr = 3 Cp = 4181 J/kg. K Sifat fisik udara dievaluasi pada temperatur 30 oC dan tekanan 1 atm, dengan menggunak menggunakan an table maka sifat termodhina termodhinamika mika dapat diketahui ρ = 1,175
kg/m3.
Gambar 4.2 Mekanisme perpindahan massa
19
sifat fisik uap air dalam udara yaitu: D = 3,5 x 10 -5 m/s Sc= 0,53
ρv = 0,59 Reynold number sepanjang 1 m yaitu:
Re =
=
V .l ν
(3,14).(1) (0,478 × 10 −6 )
= 5,2 × 10 6
Untuk bilangan Reynold number 5 x 10 5 maka aliran tersebut adalah turbulen, sehingga Sherwood number rata-rata dapat ditentukan dengan persamaan berikut: Sh = 0,023 . Sc 1/3 . Re0,8 = (0,023).(0,53) 1/3.(5,2 x 10 6)0,8 = 7045,6 Maka koefisien perpindahan massa adalah:
hm
= =
D L
sh
(3,5 × 10 −5 )
1 = 0,308m / s
× (7045,6)
Sehingga Sehingga banyaknya banyaknya massa massa air yang pindah pindah ke udara dapat ditentukan ditentukan dengan dengan menggunakan persamaan berikut: M = hm . A. (ρudara – ρv )
20
= (0,308). (0,5 x 0,8). (1,175 – 0,59) = 0,072 kg/s Maka Maka banyak banyaknya nya energi energi panas panas yang yang pindah pindah ke udara udara dapat dapat ditent ditentuka ukan n yaitu yaitu dengan menggunakan persamaan berikut: q = M. (hfg) = (0,072). (2,35 x 10 6) = 170082 j/s Jadi: Q
= m. Cp. ∆T
170082 = (100). (4181). ∆T ∆T
= 0,4 oC
4.3.2 Perpindahan Panas Akibat Jatuhnya Air Antara Satu Plat Ke Plat Yang Lain
Pada system ini plat tersusun secara zig-zag, air mengalir dari satu plat ke plat lain dimana masing-masing plat terdapat jarak (antara 0,1 m sampai dengan 0,2 m). Pada bagian ini perpindahan panas dianalisa pada ketinggian rata-rata yaitu:
21
Gambar 4.3 Mekanisme perpindahan panas konveksi
H =
H 1 + H 2
=
2 0,25m + 0,05m 2
= 0,15m Kecepatan air dapat dihitung dengan persamaan: V =
2 gH
= (2).(9,81).(0,15) = 1,7m / s Perpin Perpindah dahan an panas panas ke udara udara terjadi terjadi secara secara konvek konveksi si dimana dimana sifatsifat-sif sifat at fluida fluida dievaluasi pada temperatur film yaitu: T f
=
89,4 + 30 2
= 59,7 0 C Sifat-sifat fluida pada T = 59,7 oC adalah:
22
ν
= 0,489 x 10 -6 m2/s
K = 0,658 w/m. K Pr = 3 Cp = 4181 J/kg. K Reynolds number didapat: Re =
=
V .l ν
(1,7).(0,15) (0,489 × 10 −6 )
= 5,38 × 10 5 Untuk Re = 5,26 x 10 5, bilangan Nusselt dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
Re 5 / 8 Nu = 0,3 + 1+ 1/ 4 2/3 282000 0,4 1 + Pr 0,62 Re1 / 2 . Pr 1 / 3
0,62(5,38 × 10 )
5 1/ 2
0,3 +
=
0,4 2 / 3 1 + 3
.(3)
1/ 3
1/ 4
= 893,22
Maka koefisien perpindahan panas adalah: h=
=
Nu.k D (893,22).(0,658) 0,025
= 33295,7 W/m 2. K
4/5
(5,38 × 105 5 / 8 1 + 282000
4/5
23
Perpindahan kalor konveksi adalah:
q = h (πDL)(∆T) = (33295,7).(3,14 x 0,025 x 0,15).(88,81 - 30) = 23509,63 W Jumlah lubang sudah direncanakan sebanyak 18 lubang, dimana lubang tersebut dilalui oleh air dengan kapasitas 100 kg/s sehingga jumlah perpindahan panas keseluruhan pada bagian ini adalah: q2 = 23509,63 x 18 = 296452,6 W Sehingga penurunan temperature pada bagian ini dapat ditentukan yaitu: Q = m. Cp. ∆T = 100 x 4181 x ∆T 296452,6 ∆T = 418100 = 0,7 oC Anal Analis isaa perp perpin inda daha han n pana panass pada pada plat plat sela selanj njut utny nyaa dihi dihitu tung ng deng dengan an menggunakan metoda yang sama sehingga bamyaknya energi panas yang hilang pada sistem perencanaan menara pendingin ini dapat dilihat pada table 4.2.
Table 4.2 Perpindahan panas yang terjadi pada menara pendingin
24
Temperatur air
Laju perpindahan
Temperatur air
Media
masuk,
panas,
keluar,
perpindahan panas
Tin
Q
Tout
( 0C)
(w)
( 0C)
25
R1
90
41307,85
89,9
Plat 1
89,9
204688,8
89,41
R2
89,41
296040,2
Plat 2
88,70
123393,2
88,40
R3
88,40
290629,6
87,71
Plat 3
87,71
122995
R4
87,42
285778
86,91
Plat 4
86,91
122387,2
86,44
R5
86,44
280987,5
85,77
Plat 5
85,77
121174,9
R6
85,48
276264,5
84,82
Plat 6
84,82
118913,6
84,53
R7
84,53
271205
83,89
Plat 7
83,89
116707,7
R8
83,61
266650,7
88,70
87,42
85,48
83,61 82,97
(Ket : R = Perpindahan = Perpindahan panas pada saat air jatuh dari satu plat ke plat yang ya ng lain) lain)
5. KESIMPULAN
Dari Dari hasi hasill anal analis isaa dan dan perh perhit itun unga gan n terh terhad adap ap pere perenc ncan anaa aan n mena menara ra pendingin, maka dapat disimpulkan disimpulkan bahwa: a. Menara pendingin pendingin yang direncanaka direncanakan n adalah adalah tipe plat datar datar dengan dengan sistem sistem aliran terbuka yang bertujuan untuk terjadinya perpindahan panas secara konveksi dengan udara. b. Energi panas total yang dibuang sebesar 3038,79 kW. c. Temper Temperatu aturr air dapat dapat ditu diturun runkan kan dari dari 90 0C menjadi 82,97 0C. d. Laju Laju perp perpin inda daha han n pana panass masi masih h dapa dapatt dipe diperb rbes esar ar deng dengan an memp memperl erlua uass dimensi pemukaan plat dan menggunakan blower untuk meningkatkan laju aliran udara sehingga temperatur air yang keluar semakin rendah.
26
e. Kont Kontru ruks ksii dari dari mena menara ra pend pendin ingi gin n ini ini lebi lebih h sede sederh rhan anaa dan dan jika jika terja terjadi di pengotoran lebih mudah dibersihkan. dibersihkan. f.
Bahan
plat
yang
direncanakan
terbuat
dari
aluminium
karena
konduktivitas thermal yang tinggi dan harganya lebih murah disbanding tembaga.
DAFTAR PERPUSTAKAAN
Bejan, A, (1993), Heat Transfer , Jhon Wiley dan sons, Inc, Kanada. Holman, J,P, (1998), Perpindahan Kalor Konveksi, Penerbit Erlangga, Jakarta. Koetoer, Raldi ; Zulkifli, (1998), Perpindahan Kalor Konveksi, Laboratorium Perpindahan Kalor, Jurusan Mesin Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Jakarta. Kreith, F, (1996), Prisip-prinsip Perpindahan Panas , edisi Ketiga, Terjemahan
27
Prijono, A, Penerbit Erlangga, Jakarta.
