laporan tugas akhir - Perpustakaan Universitas Mercu Buana

LAPORAN TUGAS AKHIR
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1
Pengertian Kalor
Pengertian kalor yaitu bentuk energi yang berpindah dari benda yang
suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah ketika benda
bersentuhan.
1 kalori = 4,2 joule ; 1 joule = 0,24 kalori
1 kkal (kilokalori) = 1000 kal (kalori) = 4200 joule = 4,2 kj (kilojoule)
Kalor dapat menaikan atau menurunkan suhu. Semakin besar kenaikan suhu
maka kalor yang diterima semakin banyak. Semakin kecil kenaikan suhu maka
kalor yang diterima semakin kecil. Maka hubungan kalor (Q) berbanding lurus
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
5
LAPORAN TUGAS AKHIR
atau sebanding dengan kenaikan suhu (ΔT) jika massa (m) dan kalor jenis zat (c)
tetap.
Semakin besar massa zat (m) maka kalor (Q) yang diterima semakin
banyak. Semakin kecil massa zat (m) maka kalor (Q) yang diterima semakin
sedikit. Maka hubungan kalor (Q) berbanding lurus atau sebanding dengan massa
zat (m) jika kenaikan suhu (ΔT) dan kalor jenis zat (c) tetap. Semakin besar kalor
jenis zat (c) maka kalor (Q) yang diterima semakin banyak. Semakin kecil kalor
jenis zat (c) maka kalor (Q) yang diterima semakin sedikit. Maka hubungan kalor
(Q) berbanding lurus atau sebanding dengan kalor jenis zat (c) jika kenaikan suhu
(ΔT) dan massa zat (m) tetap.
Kalor jenis zat (c) yaitu banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikan
suhu 1 kg zat sebesar 1 °C. Persamaan energi kalor yaitu : Q = m c ΔT
Keterangan :
Q = m.c.(t2 – t1)
Q = banyaknya kalor satuan joule (J)
c = kalor jenis zat satuan J / kg °C
m = massa zat satuan kg
ΔT = perubahan suhu satuan °C
Kalor dapat dibagi menjadi 2 jenis :
1. Kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
6
LAPORAN TUGAS AKHIR
2. Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud (kalor laten), persamaan
yang digunakan dalam kalor laten nada dua macam Q = m.U dan Q =
m.L. Dengan U adalah kalor uap (J/kg) dan L adalah kalor lebur (J/kg)
Dalam pembahasan kalor ada dua konsep yang hampir sama tetapi berbeda yaitu
kapasitas kalor (H) dan kalor jenis (c).
Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan
suhu benda sebesar 1 derajat celcius.
H = Q/(t2-t1)
Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg
zat sebesar 1 derajat celcius. Alat yang digunakan untuk menentukan besar kalor
jenis adalah kalorimeter.
c = Q/(t2 – t1)
Bila kedua persamaan tersebut dihubungkan maka terbentuk persamaan baru
H = m.c
Analisis grafik perubahan wujud pada es yang dipanaskan sampai menjadi uap.
Dalam grafik ini dapat dilihat semua persamaan kalor digunakan.
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
7
LAPORAN TUGAS AKHIR
Keterangan :
Pada Q1 es mendapat kalor dan digunakan menaikkan suhu es, setelah suhu
sampai pada 0 C kalor yang diterima digunakan untuk melebur (Q2), setelah
semua menjadi air barulah terjadi kenaikan suhu air (Q3), setelah suhunya
mencapai suhu 100 C maka kalor yang diterima digunakan untuk berubah wujud
menjadi uap (Q4), kemudian setelah berubah menjadi uap semua maka akan
kembali terjadi kenaikan suhu kembali (Q5)
2.2 Perpindahan kalor
Perpindahan panas adalah proses berpindahnya energi dari suatu
tempat ke tempat yang lain dikarenakan adanya perbedaan suhu di tempat –
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
8
LAPORAN TUGAS AKHIR
tempat tersebut. Perpindahan panas dapat berlangsung dengan beberapa cara
seperti :
1. Perpindahan Panas Konduksi
Merupakan proses perpindahan panas dari daerah yang bersuhu
tinggi ke daerah yang bersuhu rendah di dalam medium (padat, cair, dan
gas) atau antara medium yang bersinggungan langsung. Jika terdapat
suatu gradien suhu, maka menurut pengalama akan terjadi perpindahan dari
bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah. Dapat dikatakan bahwa
energi akan berpindah secara konduksi atau hantaran, laju perpindahan
kalor dinyatakan sebagai :
𝑞 = −𝑘. 𝐴. 𝑇 𝑥
Dimana : 𝑞
1
= laju perpindahan kalor
𝑇 𝑥 = gradien suhu kearah perpindahan kalor
𝑘
= konduktivitas thermal bahan
𝐴
= luas bidang perpindahan kalor
2. Perpindahan Panas Konveksi
Merupakan proses transport energi dengan kerja gabungan dari
konduksi panas, penyimpanan energi dan proses mencampur. Proses ini
terjadi pada permukaan padat, cair dan gas.
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
9
LAPORAN TUGAS AKHIR
Aliran
Arus bebas
U∞
T∞
U
q
Dinding
Gambar 2.1 perpindahan kalor konveksi dari suatu plat
Pada gambar 2.1 diatas Tw adalah suhu plat dan T∞ adalah suhu
fluida. Apabila kecepatan di atas plat adalah nol, maka kalor hanya
dapat perpindah dengan cara konduksi. Akan tetapi apabila fluida diatas
plat bergerak dengan kecepatan tertentu, maka kalor perpindah dengan
cara konveksi, yang dimana gradien suhu bergantung dari laju fluida
membawa kalor. Sedangkan laju perpindahan kalor dipengaruhi oleh
luas permukaan perpindahan kalor (A) dan beda suhu menyeluruh
antara permukan bidang dengan fluida yang dapat dirumuskan sebagai
berikut :
𝑞 = ℎ. 𝐴. (𝑇𝑤 − 𝑇∞ ) ................................................................ 2
Dimana h merupakan koefisian perpindahan panas konveksi. Untuk
keadaan yang sederhana, koefisien perpindahan panas konveksi (h)
dapat diperhitungkan secara analisis, sedangkan untuk keadan yang
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
10
LAPORAN TUGAS AKHIR
rumit, harus diperhitungkan dengan cara eksperiman atau percobaan.
Perpindahan panas konveksi tergantung pada vikositas fluida,
disamping ketergantunganya terhadap sifat – sifat termal fluida, seperti:
konduktivitas termal, kalor spesifik, dan densitas. Hal ini disebabkan
karena viskositas mempengaruhi laju perpindahan energi di daerah
dinding. Ada dua jenis perpandahan panas konveksi, yaitu :
a. Perpindahan panas konveksi alami
Fenomena ini tejadi karena fluida yang terjadi karena
pemanasan, berubah densitasnya, sehingga fluidanya bergerak.
b. Perpindahan panas konveksi paksa
Fenomena ini terjadi apabila sistim dimana fluida didorong
oleh permukaan perpindahan kalor, atau melaluinya, fluida
bergerak adanya faktor pemaksa. Sebagai gambaran adalah
fenomena perpindahan panas aliran atau di dalam pipa yang
dinyatakan sebagai :
𝑑𝑞 = 𝑚. 𝐶𝑝 . 𝑑𝑇𝑏
𝑑𝑞 = ℎ. 2𝜋. 𝑟 𝑇𝑤 − 𝑇𝑏 𝑑𝑥 .............................................. 3
q
m.Cp
Aliran
1
dx
Tb1
2
Tb2
L
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
11
LAPORAN TUGAS AKHIR
Gambar 2.2 Perpindahan kalor menyeluruh dinyatakan dengan
beda suhu limbak
Angka Nusselt untuk aliran turbulen sepenuhnya adalah :
𝑁𝑢𝑑 = 0,023𝑅𝑒𝑑 0,8 𝑃𝑟 𝑛 ....................................................... 4
Dimana : n = nilai eksponen
= 0,4 untuk pemanasan
= 0,3 untuk pendinginan
Angka Nusselt untuk aliran laminar sepenuhnya adalah :
0,0668 (𝑑 𝐿)𝑅𝑒 𝑑 𝑃𝑟
𝑁𝑢𝑑 = 3,66 + 1+0,04[ 𝑑
𝐿 𝑅𝑒 𝑑 𝑃𝑟 ]2 3
..................................... 5
Dimana : d = diameter pipa
L = panjang pipa
Koevisien perpindahan panas konveksi dibantu oleh :
ℎ𝑑 =
𝑁𝑢 𝑑 .𝑘
𝑑
............................................................................. 6
3. Perpindahan Panas Radiasi
Merupakan proses perpindahan panas dari benda bersuhu tinggi ke
benda bersuhu rendah bila benda – benda itu terpisah di dalam suatu
ruangan bahkan bila terdapat suatu ruang hampa diantara benda – benda
tersebut. Untuk radiasi diantara dua benda dapat dirumuskan :
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
12
LAPORAN TUGAS AKHIR
𝑞 = 𝐹𝑥 . 𝐹g . 𝐴. 𝜎(𝑇1 4 − 𝑇2 4 ) ..................................................... 7
Dimana : Fx = fungsi emisivitas
Fg = fungsi geometeri
A = luas permukaan bidang
σ = konstanta Stefan Boltzman (5,669 x 10-8 W / m2 K4)
4. Perpindahan Panas Gabungan
Dinding datar seperti pada gambar 2.2 dimana pada suatu sisinya te
rdapat luida panas A, dan pada sisi alinnya terdapat fluida B yang lebih
dingin. Perpindahan kalor dinyatakan oleh :
𝑞 = ℎ1 . 𝐴 𝑇𝐴 − 𝑇1 = 𝑘. 𝐴 ∆𝑥(𝑇2 − 𝑇𝐵 )
𝑞 = ℎ2 . 𝐴(𝑇2 − 𝑇𝐵 ) ...................................................................... 8
Proses perpindahan kalor dapat di gambarkan dengan jaringan
tahanan seperti pada gambar 2.2. Perpindahan kalor gabungan dihitung
dengan jalan membagi beda suhu menyeluruh dengan jumlah tahanan
thermal :
𝑞=1
𝑇𝐴 −𝑇𝐵
................................................................
∆𝑥
1
ℎ 1 .𝐴+
𝑘.𝐴+ ℎ 2 .𝐴
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
9
13
LAPORAN TUGAS AKHIR
TA
Fluida A
q
Fluida B
T1
T2
h1
h2
TB
Gambar 2.3 Perpindahan kalor gabungan melalui dinding datar
Nilai 1/h. A digunakan untuk menunjukan tahanan konveksi. Aliran
kalor menyeluruh sebagai hasil gabungan proses konduksi dan konveksi
bisa dinyatakan dengan koevisien perpindahan kalor menyeluruh U, yang
dirumuskan dengan hubungan :
𝑞 = 𝑈. 𝐴. ∆𝑇 (menyeluruh) .......................................................... 10
Dimana A adalah luas bidang aliran kalor, koofisien perpindahan
kalor menyeluruh adalah :
𝑈=1
1
∆𝑥 +1
+
ℎ1
𝑘
ℎ2
....................................................................... 11
Sedangkan pada penukar kalor aliran silang, fluida yang mengalami
pertukara panas berjalan secara menyilang satu sama lain. Dalam
penerapannya penukar kalor air silang, banyak dipakai untuk pemanasan
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
14
LAPORAN TUGAS AKHIR
dan pendinginan udara, gas atau air. Sebagai contoh adalah radiator yang
konstruksinya menggunakan saluran diantara sirip–sirip. Dengan luas
permukaan yang sangat besar persatuan volume yang diwujudkan dalam
bentuk konstruksi pipa dan sirip, maka akan memungkinkan terjadinya
kontak langsung dengan udara secara lebih luas.
Gambar 2.4 Contoh – contoh konvigurasi penukar kalor kompak
Keterangan :
a. Penukar kalor tabung bersirip dengan tabung – tabung rata.
b. Penukar kalor bersirip bundar dalam satuan konfigurasi.
c dan d.
Menggambarkan
cara
lain
untuk
mendapatkan
luas
permukaan yang sangat besar pada kedua sisi penukar kalor.
2.3 Alat Penukar kalor
Alat penukar panas atau Heat Exchanger adalah alat yang digunakan
untuk memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan
massa dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin.
Biasanya, medium pemanas dipakai adalah air yang dipanaskan sebagai
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
15
LAPORAN TUGAS AKHIR
fluida panas dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water). Penukar
panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat
berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak,
baik antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya
bercampur langsung (direct contact). Salah satu contoh sederhana dari alat
penukar panas adalah radiator mobil dimana cairan pendingin memindahkan
panas mesin ke udara sekitar. Tipe aliran di dalam alat penukar panas ini ada
4 macam aliran, yaitu :
1. Counter current flow (aliran berlawanan arah)
2. Paralel flow/co current flow (aliran searah)
3. Cross flow (aliran silang)
4. Cross counter flow (aliran silang berlawanan)
Jenis – jenis penukar panas antara lain :
1. Penukar panas pipa rangkap (double pipe heat exchanger)
Salah satu jenis penukar panas adalah susunan pipa ganda. Dalam
jenis penukar panas dapat digunakan berlawanan arah aliran atau arah
aliran, baik dengan cairan panas atau dingin cairan yang terkandung
dalam ruang annular dan cairan lainnya dalam pipa.
Gambar 2.5 Penukar panas jenis pipa rangkap
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
16
LAPORAN TUGAS AKHIR
2. Penukar panas cangkang dan buluh ( shell and tube heat exchanger )
Alat penukar panas cangkang dan buluh terdiri atas suatu bundel
pipa yang dihubungkan secara parallel dan ditempatkan dalam sebuah
pipa mantel (cangkang ). Fluida yang satu mengalir di dalam bundel
pipa, sedangkan fluida yang lain mengalir di luar pipa pada arah yang
sama, berlawanan, atau bersilangan.
Gambar 2.6 Penukar panas jenis cangkang dan buluh
3. Penukar Panas Plate and Frame ( plate and frame heat exchanger )
Alat penukar panas pelat dan bingkai terdiri dari paket pelat – pelat
tegak lurus, bergelombang, atau profil lain. Pemisah antara pelat tegak
lurus dipasang penyekat lunak ( biasanya terbuat dari karet ) terdapat
lubang pengalir fluida.
Gambar 2.7 Penukar panas jenis pelat and Frame
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
17
LAPORAN TUGAS AKHIR
4. Adiabatic wheel heat exchanger
Jenis penukar panas ini menggunakan intermediate cairan atau toko
yang solid untuk menahan panas, yang kemudian pindah ke sisi lain
dari penukar panas akan dirilis.
5. Pillow plate heat exchanger
Pelat bantal memungkinkan untuk pendinginan di hampir daerah
seluruh permukaan tangki, tanpa sela yang akan terjadi antara pipa dilas
ke bagian luar tangki. Pelat bantal dibangun menggunakan lembaran
tipis dari logam-spot dilas ke permukaan selembar tebal dari logam.
Pelat tipis dilas dalam pola teratur dari titik-titik atau dengan pola
serpentin garis las. Setelah pengelasan ruang tertutup bertekanan
dengan kekuatan yang cukup untuk menyebabkan logam tipis untuk
tonjolan di sekitar lasan, menyediakan ruang untuk cairan penukar
panas mengalir, dan menciptakan penampilan yang karakteristik bantal
membengkak terbentuk dari logam.
6. Dynamic scraped surface heat exchanger
Tipe lain dari penukar panas disebut "(dinamis) besot permukaan
heat exchanger". Ini terutama digunakan untuk pemanasan atau
pendinginan dengan tinggi viskositas produk, proses kristalisasi,
penguapan tinggi dan fouling aplikasi.
7. Phase – change heat exchanger
Selain pemanasan atau pendinginan cairan hanya dalam satu fasa,
penukar panas dapat digunakan baik untuk memanaskan cairan
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
18
LAPORAN TUGAS AKHIR
menguap (atau mendidih) atau digunakan sebagai kondensor untuk
mendinginkan uap dan mengembun ke cairan. Pada pabrik kimia dan
kilang, reboilers digunakan untuk memanaskan umpan masuk untuk
menara distilasi sering penukar panas . Distilasi set – up biasanya
menggunakan kondensor untuk mengkondensasikan uap distilasi
kembali ke dalam cairan. Pembangkit tenaga listrik yang memiliki uap
yang digerakkan turbin biasanya menggunakan penukar panas untuk
mendidihkan air menjadi uap.
Gambar 2.8 Penukar panas jenis Phase – change heat exchanger
2.4 Water heater
Gambar 2.9 Sistem pendingin mobil
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
19
LAPORAN TUGAS AKHIR
Pada umumnya water heater tebagi menjadi beberapa jenis, yaitu :
1)
Water Heater Gas
Prinsip kerja water heater gas hampir sama dengan proses memasak air
menggunakan kompor gas. Yang membedakan adalah air tidak ditempatkan ke
dalam panci atau ceret, tetapi dilewatkan ke dalam pipa-pipa kemudian pada
bagian bawahnya dibakar dengan gas. Kapasitas water heater gas dipasaran
bermacam-macam, mulai dari 5,8 hingga 10liter/menit. Biasanya 1 buah water
heater gas digunakan untuk 1 kamar mandi saja.
Sistim kerja water heater gas :
Mengingat water heater jenis ini menggunakan gas sebagai energi pemanasnya,
seringkali menimbulkan ketakutan pada pengguna akan terjadinya kebocoran.
Namun kita tidak perlu takut menggunakannya karena ada beberapa cara untuk
mengantisipasinya.
- Usahakan rutin memeriksa kondisi sambungan, apakah baik atau tidak
-Jika terjadi kebocoran (biasanya ditandai dengan bau gas yang
menyengat) jangan langsung menyalakan water heater. Bukalah jendela
dan ventilasi lain lebar-lebar agar gas bsa langsung dikeluarkan dari
ruangan.
-Beberapa produk water heater yang baik sudah delengkapi dengan
pengaman (safety device) untuk mengantisipasi bila terjadi kebocoran.
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
20
LAPORAN TUGAS AKHIR
Sistem pengaman ini dilengkapi dengan sensor yang secara otomatis
menutup saluran gas bila api (pemanas air) tiba-tiba mati. Selain permasalahan
gas beserta perlengkapan water heater nya, kita perlu memperhatikan tekanan
airnya. Usahakan tekanan air tidak di bawah 0,3 bar agar water heater dapat
digunakan. Permasalahan lain yang sering muncul adalah aliran air yang tidak
lancar bahkan terkadang macet. Kondisi ini terjadi karena air yang mengalir ke
dalam water heater tidak bersih dan banyak mengandung partikel kecil seperti
pasir debu serta tingginya kadar kapur di dalamnya. Untuk mengantisipasi resiko
kemacetan, ada baiknya kita memasang filter serta tidak lupa untuk
membersihkan saluran airnya secara berkala.
2)
Water heater listrik
Sesuai namanya, water heater listrik menggunakan listrik sebagai sumber
energi pemanasnya. Water heater listrik yang tersedia di pasaran terbagi menjadi
2 macam, sistem tangki dan instan. Prinsip kerja water heater listrik sistem tangki
hampir sama dengan memasak air menggunakan listrik (thermos listrik). Air
ditampung dalam sebuah tangki berisolasi yang dilengkapi pipa ber elemen
pemanas listrik yang melingkar. Perpindahan kalor/panas yang terjadi akan
diserap oleh air di dalam tangki tersebut. Di dalam tangki sendiri terdapat 3
elemen utama, yaitu:
- Heating elemen, berfungsi untuk memanaskan air, biasanya terbuat dari
bahan kuningan.
- Thermostat, berfungsi untuk menjaga kondisi air dalam tangki tetap panas
pada suhu tertentu.
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
21
LAPORAN TUGAS AKHIR
- Magnesium anode, berfungsi untuk menetralkan ion-ion positif dalam air
sehingga membantu mencegah karat pada elemen-elemen dalam tangki.
Penggunaan water heater listrik seringkali menimbulkan kekhawatiran
timbulnya masalah dari pemakaian alatnya. Momok yang kerap muncul adalah
bahaya tersengat aliran listrik. Namun kita tidak perlu takut karena mayoritas
water heater listrik sudah dilengkapi dengan pengaman berupa anti kontak,
sehingga secara otomatis akan memutus aliran listrik jika terjadi kebocoran atau
muncul masalah-masalah lain.
Tangki water heater listrik masalah lain yang sering ditemui yaitu volume
air yang didapatkan sedikit serta panasnya tidak bisa bertahan lama. Permasalahan
ini biasanya muncul pada water heater listrik dengan sitem tangki. Untuk
mengatasinya pastikan aliran air yang keluar cukup kencang, sehingga volume air
yang keluar dan masuk kran berimbang.
3)
Water Heater tenaga surya
Water heater tenaga surya (solar water heater) merupakan water heater
yang menggunakan energi matahari sebagai sumber energi penghasil panasnya.
Jenis yang satu ini memang paling hemat listrik karena menggunakan tenaga
matahri sebagai sumber panas, tetapi harga jenis ini jauh lebih mahal
dibandingkan dengan tipe lainnya. Solar water heater sangat cocok untuk daerah
tropis yang dilimpahi sinar matahri sepanjang tahun. Tipe ini memerlukan biaya
operasional yang besar karena menggunakan tenaga surya yang tersedia secara
gratis. Water heater tenaga surya ini memiliki beberapa komponen penting
diantaranya :
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
22
LAPORAN TUGAS AKHIR
-
Tangki penampung air, berfungsi menyimpan air
-
Panel kolektor penyerap sinar matahari, terdiri dari plat alumunium yang
dilindungi pabel kaca setebal 5mm dan terpasang di atap
-
Pipa air panas, berfungsi untuk mengalirkan air panas dari tangki ke
kran air yang terpasang di rumah
Panel kolektor water heater tenaga surya selain menggunakan sinar
matahari, water heater tenaga surya masih memerlukan energi listrik untuk
menyalakan pompa yang mengalirkan air ke kran serta menyalakan pemanas
cadangan (electric heater) saat sinar matahari tidak memadai untuk memanaskan
air (karena cuaca mendung atau hujan). Untuk menggunakan water heater tenaga
surya, diperlukan ruang di atas atap yang cukup luas. Kemiringan atap harus
sesuai dengan spesifikasi produknya. Apabila kemiringan atap tidak memenuhi
syarat harus dipasang rangka tambahan untuk peletakan panel kolektornya.
2.5 Metode Perhitungan NTU Dan MLTD
1. Number of Transfer Unit atau NTU
Metode
efektivitas
mempunyai
beberapa
keuntungan
untuk
menganalisis perbendingan berbagai jenis penukar kalor dalam memilih
jenis
yang
terbaik
untuk melaksanakan pemindahan kalor tertentu.
Efektifitas penukar kalor (heat exchanger effectiveness) didefinisikan
sebagai berikut :
𝜀=
∆𝑇(𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑎 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑢𝑚 )
𝐵𝑒𝑑𝑎 𝑠𝑢 ℎ𝑢 𝑚𝑎𝑘𝑠𝑖𝑚𝑢𝑚 𝑑𝑖 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑝𝑒𝑛𝑢𝑘𝑎𝑟 𝑘𝑎𝑙𝑜𝑟
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
.......................... 12
23
LAPORAN TUGAS AKHIR
Perpindahan kalor yang sebenarnya (actual) dapat dihitung dari energi
yang dilepaskan oleh fluida panas atau energi yang diterima oleh fluida
dingin untuk penukar kalor aliran lawan arah :
𝑞 = 𝑚ℎ 𝐶ℎ 𝑇ℎ1 − 𝑇ℎ2
𝑞 = 𝑚𝑐 𝐶𝑐 (𝑇𝑐1 − 𝑇𝑐2 ) ............................................................... 13
Dimana : q = perpindahan panas
m = laju aliran massa
Ch = kalor spesifik fluida panas
Cc = Kalor spesifik fluida dingin
Th1 = suhu masuk fluida panas
Th2 = suhu keluar fluida panas
Tc1 = suhu masuk fluida dingin
Tc2 = suhu keluar fluida dingin
Untuk menentukan perpindahan kalor maksimum bagi penukar kalor
itu harus dipahami bahwa nilai maksimum akan didapat bila salah satu
fluida mengalami perubahan suhu sebesar beda suhu maksimum yang
terdapat dalam penukar kalor itu, yaitu selisih antara suhu masuk fluida
panas dan fluida dingin. Fluida yang mungkin mengalami beda suhu
maksimum ini ialah yang nilai mc – nya minimum, karena neraca energi
mensyaratkan bahwa energi yang diterima oleh fluida yang satu mesti sama
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
24
LAPORAN TUGAS AKHIR
dengan energi yang dilepas oleh fluida yang satu lagi. Jika fluida yang
mempunyai nilai mc yang lebih besar yang dibuat mangalmi beda suhu
maksimum, maka tentu fluida yang satu lagi akan harus mengalami suhu
yang lebih besar dari maksimum, dan ini tidak dimungkinkan. Jadi
perpindahan kalor maksimum yang mungkin dinyatakan sebagai :
𝑞𝑚𝑎𝑘𝑠 = 𝑚𝑐
𝑚𝑖𝑛
(𝑇ℎ 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 − 𝑇𝑐 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 ) ...................................... 14
Jika fluida dingin adalah fluida minimum, maka :
𝑇 −𝑇
𝜀 = 𝑇 𝑐2 −𝑇𝑐1 ..................................................................................................... 15
ℎ1
ℎ2
2. Log Mean Temperature difference atau LMTD
Fluida dapat mengalir dalam aliran sejajar maupun aliran lawan arah,
dan profil suhu. Perpindahan kalor dalam susunan pipa ganda dapat
dihitung memakai rumus :
𝑞 = 𝑈. 𝐴. ∆𝑇𝑚 .................................................................................. 16
Dimana : U = koefisien perpindahan kalor menyeluruh
A = luar permukaan perpindahan kalor yang sesuai dengan
definisi U
Tm = beda suhu rata-rata yang tepat untuk digunakan dalam
penukar kalor
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
25
LAPORAN TUGAS AKHIR
Jadi rumus perhitungan Log Mean Temperature difference atau LMTD,
yaitu :
𝑞 = 𝑈. 𝐴. 𝐿𝑀𝑇𝐷 ........................................................................................... 17
Dimana nilai LMTD didapat dari rumus sebagai berikut :
𝐿𝑀𝑇𝐷 =
∆𝑇𝐴 − ∆𝑇𝐵
∆𝑇
ln⁡(∆𝑇𝐴 )
𝐵
𝑇
−𝑇𝑐2 −(𝑇ℎ 1 −𝑇𝑐1 )
................................................... 18
ℎ 2 −𝑇𝑐2 ) (𝑇ℎ 1 −𝑇𝑐1 )
𝐿𝑀𝑇𝐷 = ∆𝑇𝑚 = ln ⁡(𝑇ℎ 2
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA
26