RINGKASAN MATERI PENUKAR KALOR
Proses pertukaran panas antara dua fluida f luida dengan temperatur yang berbeda, baik bertujuan memanaskan atau mendinginkan fluida banyak diaplikasikan secara teknik dalam berbagai proses thermal di industri. Terdapat berbagai jenis penukar panas menurut ukuran, efektifitas, perpindahan panas, aliran , jenis konstruksi.
Berdasar sistem kerja yang digunakan, penukar panas dapat digolongkan menjadi dua system utama, yaitu : 1.Pertukaran panas secara langsung Materi yang akan dipanaskan atau didinginkan dikontakkan langsung dengan media pemanas atau pendingin. 2.
Pertukaran panas secara tidak langsung Pertukaran panas secara tidak langsung l angsung memungkinkan memungkinkan terjadinya perpindahan panas dari suatu fluida ke fluida lain melalui dinding pemisah.
Berdasarkan pengaturan aliran, penukar panas dapat digolongkan menjadi : 1. Penukar kalor aliran searah (parallel flow) 2. Penukar kalor aliran berlawanan (counter flow) 3. Penukar kalor aliran silang (cross flow) Berdasarkan bentuk konstruksi, penukar kalor dapat digolongkan menjadi : 1. Penukar kalor tipe konsentris 2. Penukar kalor tipe shell & tube
Koefisien Perpindahan Panas Total (U)
Koefisien perpindahan panas total didefinisikan sebagai koefisien hambatan termal total menuju perpindahan panas diantara dua fluida. Koefisien perpindahan panas total juga didefinisikan sebagai hasil gabungan proses konduksi dan konveksi dengan memperhitungkan hambatan diantara fluida yang dipisahkan oleh lapisan komposit dan dinding silinder.
Gambar 1. Koefisien perpindahan kalor total pada heat exchanger.
Persamaan koefisien perpindahan panas total yaitu : 1
=
1 ℎ
+
1 ℎ
Nilai koefisien representatif dari perpindahan kalor total. Tabel 1. Nilai koefisien representative perpindahan kalor total.
Kombinasi Fluida
U (W/m2.K)
Air-air
850-1700
Air-minyak pelumas
110-350
Kondensor uap
1000-6000
Kondensor ammonia
800-1400
Kondensor alcohol
250-700
Air-udara pada pipa bersirip
25-50
Hambatan-hambatan yang terjadi pada permukaan pipa saat proses penukaran panas berlangsung secara normal disebabkan oleh beberapa faktor diantaranya adalah kotoran fluida, pembentukan karat dan reaksi lain yang terjadi antara fluida dan dinding material penyusun pipa. Keseluruhan faktor tersebut masing-masing mempunyai nilai hambatan yang ditunjukan pada tabel berikut.
Tabel 3.2. Nilai hambatan pipa pendingin.
FLUID
(m2.K/W)
Seawater and treated boiler feedwater (below 50 oC) 0.0001
Seawater and treated boiler feedwater (above 50 oC) 0.0002 River water
0.0002-0.0001
Fuel Oil
0.0009
Refrigerating liquids
0.0002
Steam (nonoil bearing
0.0001
Analisis Penukar Kalor
Metode yang sering digunakan untuk merancang atau memprediksi performance penukar kalor adalah : a. Metode LMTD b. Metode Effectiveness (ɛ) – NTU
A. Metode LMTD (Log Mean Temperature Difference)
Pendekatan LMTD dalam analisis penukar kalor berguna jika temperatur masuk dan keluar diketahui sehingga LMTD dapat dihitung, aliran kalor, luas permukaan dan koefisien perpindahan kalor menyeluruh. Dengan koefisien perpindahan panas total U, dan ΔT
yang bervariasi dengan posisi di dalam penukar kalor, maka bentuk
persamaannya menjadi : q = U.A.ΔTm
Pada aliran sejajar,dua fluida masuk bersama2 dalam alat penukar kalor, bergerak dalam arah yang sama dan keluar bersama-sama pula. Sedangkan pada aliran berlawanan, dua fluida bergerak dengan arah yang berlawanan, dan pada ali ran menyilang, dua fluida saling menyilang/bergerak saling tegak lurus.
Seperti ditunjukkan pada gambar menunjukkan bahwa beda temperatur antara fl uida panas dan fluida dingin pada waktu masuk dan pada waktu keluar tidaklah sama, dan kita perlu menentukan nilai rata2 untuk menentukan jumlah kalor yang dipindahkan dari fluida pada alat penukar kalor. Sehingga untuk aliran searah persamaannya : ΔTlm =
∆2− ∆1
ΔT1
≡ Thi – Tci
ΔT2
≡ Tho – Tco
∆ ∆
Sedangkan untuk aliran berlawanan persamaannya yaitu : ΔTlm =
∆2− ∆1
ΔT1
≡ Thi – Tco
ΔT2
≡ Tho – Tci
∆ ∆
B. METODE EFFECTIVENESS – NTU (NUMBER OF TRANSFER UNIT)
Pada metode LMTD mensyaratkan semua temperatur fluida masuk dan keluar harus diketahui, karena pertama harus dihitung LMTD. Bila salahsatu temperatur tidak diketahui maka harus dilakukan proses iterasi yang terkadang memakan waktu lama. Untuk menghindari itu, maka ada beberapa metode sala hsatunya yaitu metode effectiveness – NTU. Metode NTU – efektivitas merupakan metode yang berdasarkan atas efektifitas penukar panas dalam memindahkan sejumlah panas tertentu. Metode NTU – efektifitas juga mempunyai beberapa keuntungan untuk menganalisa soal – soal di mana harus dibandingkan berbagai jenis penukar panas guna memilih jenis yang terbaik untuk melaksanakan sesuatu tugas pemindahan panas tertentu.
Persamaan yang digunakan yaitu : ɛ =
Bila Cc << Ch maka L menuju tak hingga, maka Tc2 ~ Th1 yang berarto kalor yang dipindahkan maksimum. Untuk Cc < Ch maka qmaks = Cc (Thi – Tci) Untuk Ch < Cc maka qmaks = Ch (Thi – Tci) Qmaks = Cmin (Thi – Tci) Maka persamaan ɛ dapat dituliskan : ɛ =
Ch (Th1 – Th2) Cmin (Thi – Tci)
ɛ =
atau
Cc (Tc1 – Tc2) Cmin (Thi – Tci)
jadi, persamaan NTU : NTU =
.
Contoh Soal 1
o APK pipa ganda jenis aliran searah, digunakan untuk memanaskan air dari 25 C menjadi 60 oC pada laju aliran massa 0,2 kg/dtk. Air dipanaskan dengan air geothermal dimana o temperatur masuknya 140 C dengan laju aliran massa 0,3 kg/dtk. Jika diameter dalam pipa 2 o adalah 0,8 cm. kemudian koefisien perpindahan menyeluruhnya adalah 550 W/m . C. tentukan panjang pipa APK yang dibutuhkan.
Contoh Soal 2 Soal 3.6. Alat penukar kalor shell and tube 1 – 2 (1 aliran pada shell dan 2 aliran pada
tube)
(seperti gambar dibawah) dengan jumlah tube 50 buah, dimana air panas mengalir dalam tube pada laju aliran massa 10 kg/s digunakan untuk memanaskan udara yang mengalir pada sisi shell. Bahan tube adalah kuningan memiliki panjang 6,7 m, dengan diameter sisi luar dan sisi dalamnya adalah 2,6 dan 2,3 cm. Koefisien perpindahan panas air dan udara adalah 470 W/ m2. K dan 210 W/ m2. K. Jika temperatur udara masuk 15°C dengan laju aliran 1,6 kg/s pada sisi masuk shell, dan temperatur air masuk pada sisi tube 75°C. Hitunglah (a) efektivitas alat penukar kalor, (b) Laju aliran perpindahan panas pada udara, dan (c) temperatur keluar udara dan air. Penyelesaian
