54 pengaruh perbandingan tanpa sirip dengan sirip inner tube

Widya Teknika Vol.23 No.2 ; Oktober 2015
ISSN 1411 – 0660: 54-59
PENGARUH PERBANDINGAN TANPA SIRIP DENGAN SIRIP INNER TUBE DENGAN
ALIRAN AIR BERLAWANAN TERHADAP EFISIENSI PERPINDAHAN PANAS PADA HEAT
EXCHANGER
Triyono kaloka1, Nova Risdiyanto Ismail2, Agus suyatno3
ABSTRAK
Bagian terpenting dari Heat excanger adalah inner tube. Salah satu contoh inner tube
berbentuk ring dan normal, model demikian menyebabkan aliran air pendingin membentuk lintasan
lurus atau laminer, sehingga pembuangan panas air didalam Heat excanger kurang optimal. Untuk
meningkatkan pembuangan panas Heat excanger tersebut diperlukan aliran yang mampu menyerap
panas dan membuangnya dengan optimal, yaitu dengan cara mengubah/memodifikasi inner tube
berbentuk ring.Dengan demikian perlu dilakukan penelitian tentang pengaruh perbandingan tanpa
sirip dengan sirip inner tube dengan aliran air berlawanan terhadap efisiensi perpindahan panas
pada heat exchanger.
Penelitian ini membandingkan antara inner tube normal dengan inner tube ring pada kinerja
perpindahan panas dengan aliran air berlawanan.Variabel bebasnya adalah : Membandingkan inner
tube normal dengan inner tube ring. Variabel terikatnya adalah: Temperatur panas masuk (Thin),
Temperatur panas keluar (Thout), Temperatur dingin masuk (Tcin), Temperatur dingin keluar (Tcout),
debit aliran air panas (Qh) dan debit aliran air dingin (Qc).
Laju pembuangan panas pada inner tube ring lebih tinggi dibandingkan dengan inner tube
standart. Kinerja mesin pada penggunaan inner tube ring lebih optimal
Kata kunci: Heat excanger, inner tube, Temperatur In, Temperatur Out.
PENDAHULUAN
Alat penukar panas atau Heat
Exchanger (HE) adalah alat yang digunakan
untuk memindahkan panas dari satu sistem ke
sistem lain tanpa perpindahan massa dan bisa
berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai
pendingin.Biasanya, medium pemanas dipakai
adalah air yang dipanaskan sebagai 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). Bagian
terpenting dari heat exchanger adalah tube
sebagai
peralatan
untuk
mengalirkan
fluida.Berbagai jenis material, variasi, dan
arah aliran yang ada pada tube akan sangat
mempengaruhi perpindahan panas yang
terjadi.Pada heat exchanger yang banyak
berada kita jumpai adalah tipe tube biasa.Maka
dalam hal ini tube akan divariasi dengan
memberikan jarak sirip pada inner tube.Oleh
54
karena itu perlu dilakukan penelitian dan
penulis akan mengambil judul Pengaruh
perbandingan tanpa sirip dengan sirip lurus
dengan aliran air berlawanan terhadap
efisiensi perpindahan panas pada heat
exchanger.
TINJAUAN PUSTAKA
1. Teori Dasar Heat Exchanger
Alat penukar panas atau Heat
Exchanger (HE) adalah alat yang digunakan
untuk memindahkan panas dari sistem satu ke
sistem lain tanpa terjadi perpindahan massa
dan biasa berfungsi sebagai pemanas maupun
sebagai pendingin.Biasanya,medium pemanas
yang dipakai adalah air yang dipanaskan
sebagai 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).
Widya Teknika Vol.23 No.2 ; Oktober 2015
ISSN 1411 – 0660: 54-59
2. Prinsip Kerja Heat Exchanger
Pada dasarnya prinsip kerja dari alat
penukar kalor yaitu memindahkan panas dari
dua fluida pada temperatur berbeda,dimana
transfer panas dapat dilakukan secara langsung
ataupun tidak langsung.
a. Secara kontak langsung
Panas yang dipindahkan antara fluida
panas dan dingin melalui permukaan
kontak langsung berarti tidak ada dinding
antara kedua fluida.Transfer panas yang
terjadi yaitu melalui interfase/penghubung
antara kedua fluida.
b. Secara kontak tak langsung
Perpindahan panas terjadi antara
fluida panas dan dingin melalui dinding
pemisah.Dalam sistem ini,kedua fluida
akan mengalir dan dibatasi dengan
dinding pemisah dan keduanya tidak
bercampur.
3. Teori perpindahan panas
Perpindahan panas adalah proses
berpindahnya energi kalor dari suatu tempat
ketempat yang lain dikarenakan adanya proses
perlakuan yang berbeda antara tempat yang
satu dan tempat yang lain.Proses perlakuan
yang dimaksud adalah proses melepas dan
menyerap kalor.
Pada proses perpindahan ini ada dua
reaksi,yaitu reaksi menyerap kalor dan reaksi
melepas
kalor,dimana
tempat
yang
temperaturenya dingin akan cenderung untuk
menyerap kalor dan sebaliknya tempat
temperaturenya panas akan cenderung untuk
melepas kalor.
Proses perpindahan panas ini dapat
berlangsung dengan beberapa cara seperti :
1. Konduksi
Jika pada suatu terdapat suatu gradient
suhu (temperature gradient) ,maka menurut
pengalaman akan terjadi perpindahan panas
dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu
rendah.Dapat dikatakan bahwa energy akan
berpindah secara konduksi (conduction) atau
hantaran.Laju perpindahan kalor dinyatakan
sebagai berikut :
dT
Q = k. A
dx
Keterangan :
Q = laju perpindahan kalor
A = Luas penampang (m2)
K = Konduktivitas termal bahan (W/m °C)
dT
= Gradien Temperature dalam arah
dx
aliran panas (°C/m)
2. Konveksi
Gambar 1. Perpindahan kalor konveksi dari
suatu plat
Pada gambar 1 diatas, Tw adalah suatu
plat 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 mana gradient
suhu bergantung dari laju fluida membawa
kalor.Sedangkan laju perpindahan kalor
dipengaruhi oleh luas permukaan perpindahan
kalor ( A ) dan beda suhu menyeluruh antara
permukaan bidang dengan fluida yang dapat
dirumuskan sebagai berikut :
q = h. A (TW – T)
keterangan :
q
= Perpindahan panas ( Watt )
h
= Koefisien konveksi ( Watt/m2 K )
A
= Luas permukaan ( m2 )
TW = Temperatur dinding ( K )
T
= Temperatur fluida ( K )
Untuk keadaan yang sederhana,koefisien
perpindahan panas konveksi ( h ) dapat
diperhitungkan secara analisis,sedangkan
untuk
keadan
yang
rumit,
harus
diperhitungkan dengan cara eksperimen atau
percobaan.
Perpindahan panas konveksi tergantung
pada
viskositas
fluida,disamping
ketergantunganya terhadap sifat-sifat termal
fluida,seperti:konduktivitas
termal,kalor
spesifik,dan idensitas.Hal ini disebabkan
karena
viskositas
mempengaruhi
laju
perpindahan energy di daerah dinding.
3. Radiasi
Merupakan proses perpindahan panas dari
benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah
55
Widya Teknika Vol.23 No.2 ; Oktober 2015
ISSN 1411 – 0660: 54-59
bila benda-benda itu terpisah didalam suatu
ruangan bahkan bila terdapat diruang hampa
diantara benda-benda tersebut.
Untuk radiasi diantara dua benda dapat
dirumuskan :
q = σ A (T14 – T24)
Keterangan :
σ
= konstanta Stefan-Boltzmann ( 5,67 x
10–8 Watt / m2. K4 )
A
= luas bidang permukaan ( m2)
T
= temperature ( °K )
Dari sini,maka kita harus mencari
perbedaan suhu untuk pipa ganda sejajar,
sebagai berikut :
4. Beda Suhu Rata-rata Log (LMTD)
Perpindahan panas pipa ganda,aliran
dapat terjadi sejajar atau berlawanan
arah.Untuk menghitung perpindahan panas
pipa ganda sebagai berikut :
Jika penukar panas bukan pipa
ganda,maka diperlukan faktor koreksi terhadap
LMTD.Untuk susunan pipa ganda aliran lawan
arah dengan suhu fluida panas dan suhu fluida
dingin yang sama.Sehingga bentuk persamaan
perpindahan panasnya menjadi :
q = UA ∆ T m
Keterangan :
U
= Koefisien perpindahan panas
menyeluruh
A
= Luas permukaan perpindahan panas
yang sesuai dengan U
∆Tm = Beda suhu rata-rata yang tepat untuk
digunakan dalam alat penukar panas.
Untuk menghitung perpindahan panas
yang melalui unsur luas dA dapat dituliskan :
•
•
dq = − mc ch dTh = − mc cc dTc
Dimana,subkrip h untuk fluida panas
dan c untuk fluida dingin.Persamaan
perpindahan panas dapat dinyatakan sebagai :
dq = U (Th − Tc )dA
Untuk :
dT
h
=
− dq
•
m
dT
c
=
h
ch
dq
•
m
c
cc
•
m = aliran . masa
c = kalor . spesifik
. fluida
Jadi,


1 
 1
+ •
dTh − dTc = d (Th − Tc ) = −dq •

 mh c
m c cc 
h

Jika,

1
d (T h − T c )
 1
= −U  •
+ •
T h − Tc
 mh c
m
cc
c
h



 dA

Persamaan
deferensial
ini
dapat
diinterasikan antara kondisi 1 dan 2 seperti
pada gambar dibawah dan hasilnya :
ln
56

1
1 
+ •

 •
 m h ch m c cc 
(Th 2 − Tc 2 ) = −UA
Th1 − Tc1
•
q
Th1 − Th 2
•
q
Tc 2 − Tc1
m h ch =
m c cc =
Kemudian kita subtitusikan menjadi :
q = UA
(Th 2 − Tc 2 )(Th1 − Tc1 )
ln[(Th 2 − Tc 2 ) (Th1 − Tc1 )]
Sehingga beda suhu menjadi:
∆Tm =
(Th 2 − Tc 2 )(Th1 − Tc1 )
ln[(Th 2 − Tc 2 ) (Th1 − Tc1 )]
q = UAF ∆Tm
Untuk kondisi pendidihan dan kondensasi F =
1,0 ( factor koreksi )
METODE PENELITIAN
a. Variabel Bebas : tanpa sirip dan
siriplurus
dengan
variasi debit aliran.
b. Variabel Terikat : Temperatur panas
masuk
(Tinh),
Temperatur panas keluar
Temperatur
(Touth),
dingin masuk (Tinc),
Temperatur
dingin
keluar (Toutc), Debit
aliran air panas (Qh),
Debit aliran air dingin
(Qc) dan LMTD.
Model Peralatan
Alat yang digunakan adalah heat
exchanger (dapat dilihat pada gambar di
bawah ini),dimana penelitian ini hanya
memonitor ( meneliti ) temperature/panas
fluida di pipa dengan tanpa sirip ( katup 1 )
dan sirip pelat memanjang/sirip lurus (katup
4),dengan
tujuan
untuk
mendapatkan
perbandingan efisiensi antara sirip lurus dan
tanpa sirip dengan arah aliran fluida yang
berlawanan
arah
antara
panas
dan
dinginnya.Untuk model peralatan yang dipakai
sebagai berikut:
Widya Teknika Vol.23 No.2 ; Oktober 2015
ISSN 1411 – 0660: 54-59
Gambar 2 skema Heat Exchanger
Gambar 3 Heat Exchanger
Pompa dihidupkan untuk memompa air
dari tandon bawah ke tandon atas melalui pipa
penyalur,pipa penyalur dilengkapi dengan tiga
buah katup yang berfungsi sebagai pengontrol
aliran air yang masuk ke tandon panas dan
dingin, sehingga debit air pada tandon selalu
stabil.Kemudian air yang terisi di tandon air
dingin disalurkan sebagai media pendingin dan
tandon air panas akan dipanaskan terlebih
dahulu dipanaskan dan selanjutnya dialirkan
ke inner tube pada heat exchenger.Pada proses
pemanasan air ini menggunakan 2 macam
heater,yaitu heater electric dan heater manual
yang menggunakan gas LPG sebagai
pemanasnya.Pertukaran panas dan dingin akan
terjadi didalam heat exchenger. Kemudian air
akan menuju tandon air bawah melalui saluran
pipa keluar.
Prosedur Pengujian
Pengujian dilakukan pada bulan
Agustus 2013 Di Laboratorium Fenomena
Dasar Mesin Jurusan Teknik Mesin
Universitas Widya Gama Malang.Pengujian
dilakukan dengan pengulangan sebanyak 5
kali.Adapun prosedur dan lingkup pengujian
sebagai berikut:
1. Pengujian di pipa tanpa sirip.
2. Pengujian di pipa sirip inner tube.
3. Arah
aliran
fluida
adalah
berlawanan arah (fluida panas dan
fluida dingin).
4. Pengujian dilakukan dengan 5 kali
proses pengulangan dengan periode
1 menit untuk setiap proses
pengujian.
5. Proses pengujian dengan 5 jenis
debit air yang berbeda-beda,dengan
5 kali pengulangan untuk setiap
debit airnya.Untuk debit airnya
adalah :
- 0,1 ltr/menit
- 0,2 ltr/menit
- 0,3 ltr/menit
- 0,4 ltr/menit
- 0,5 ltr/menit
Metode Pengambilan Data.
Adapun pengambilan
data dan
peralatannya sebagai berikut:
1. Data debit diukur menggunakan gelas
ukur dan stop watch.
2. Data
temperatur
menggunakan
thermokopel.
3. Pengukuran temperature dilakukan
sebanyak 5 kali dengan waktu 1 menit
untuk satu kali pengambilan data.
Rencana Analisis Data
Melalui
variabel
bebas
yang
merupakan variasi dalam penelitian, kemudian
diambil data temperatur dan kapasitas
aliran,dari data yang diperoleh kemudian
dilakukan uji data menggunakan uji statistik
dan pengolahan data untuk mendapatkan
LMTD.Dari hasil pengolahan data dapat
dibuat
grafik,dianalisis
dan
kemudian
disimpulkan tingkat efisiensinya terhadap
proses perpindahan
panas tersebut.Grafik
yang akan dibuat dan dianalisa sebagai
berikut:
1. Grafik hubungan kecepatan aliran
terhadap temperatur pada pengujian tanpa
sirip dan dengan sirip lurus.
2. Grafik hubungan kecepatan aliran
terhadap LMTD pada pengujian sirip
57
Widya Teknika Vol.23 No.2 ; Oktober 2015
ISSN 1411 – 0660: 54-59
Diagram Alir Penelitian
Hubungan Perpindahan panas terhadap
Debit Aliran 0,1 (liter/menit) inner tube
ring
Gambar 5 hubungan perpindahan panas
terhadap debit aliran 0.1 liter/menit inner tube
ring
Setelah mengamati grafik diatas dapat
disimpulkan semakin tinggi debit aliran
semakin
meningkat
juga
perpindahan
panasnya. Laju perpindahan panas paling besar
terjadi pada aliran 0,5 liter/menit yaitu 277,11
J/s dan laju perpindahan panas paling rendah
terjadi pada aliran 0,1 liter/menit yaitu 248,9
J/s.
Hubungan kecepatan aliran
LMTD aliran 0.1 liter / menit
terhadap
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hubungan Perpindahan panas terhadap
Debit Aliran 0,1 (liter/menit) inner tube
standart
Gambar 6 hubungan kecepatan aliran terhadap
LMTD aliran 0.1 liter /menit
Gambar 4 Hubungan Perpindahan Panas
terhadap Debit Aliran 0,1 (liter/menit)
Setelah mengamati grafik diatas dapat
disimpulkan semakin tinggi debit aliran
semakin
meningkat
juga
perpindahan
panasnya. Laju perpindahan panas paling besar
terjadi pada aliran 0,5 liter/menit yaitu 242,84
J/s dan laju perpindahan panas paling rendah
terjadi pada aliran 0,1 liter/menit yaitu 185,67
J/s.
58
Dari grafik gambar diatas menunjukan
bahwa nilai LMTD mengalami peningkatan
seiring dengan peningkatan debit aliran. Yaitu
mengalami nilai LMTD tertinggi pada debit
aliran 0,5 liter per menit dengan nilai LMTD
12,94, pada inner tube standart dan 17,53 pada
inner tube ring. Nilai LMTD inner tube ring
rata-rata selalu diatas dari nilai LMTD pada
inner tube standart.
Widya Teknika Vol.23 No.2 ; Oktober 2015
ISSN 1411 – 0660: 54-59
Kesimpulan
1. Laju perpindahan panas pada inner tube
ring lebih tinggi dibandingkan dengan inner
tube standart, hal ini dipengaruhi oleh
perbedaan suhu masuk dan suhu keluar
pada tube. Laju perpindahan tertinggi
terjadi pada debit 0,5 liter permenit yaitu
277,11 J/s
2. Inner tube ring mempunyai laju
pembuangan panas yang lebih besar,
sehingga
mengalami penurunan/proses
pendinginan yang lebih baik, dan dapat
dikatakan bekerja secara optimal.
3. LMTD pada inner tube ring paling tinngi
adalah 17,53,dibandingkan dengan inner
tube standart hanya 17,83.LMTD pada
inner tube ring lebih besar dari LMTD
inner tube standart.
MC. Cabe, W.L, Smith, JC, Harriot, P, “ Unit
Operation of Chemical Enginering”, 4th
ed, Mc.Graw-Hill, New York, 1985,
Chapter 11, 12, 15
6.DAFTAR PUSTAKA
Artono Koestoer, Raldi .”Perpindahan Kalor”.
Salemba Teknika. Jakarta 2002
Buku Ajar Diktat Perpindahan Panas Oleh
Nova R Ismail, ST, MT.
Holman,
JP.
Alih
bahasa
“Perpindahan
Kalor”.
Erlangga.Jakarta.1995
E.Jasifi.
Penerbit
http://repository.usu.ac.id/bitstream/12345678
9/18379/3/Chapter%20I
http://tutorialkuliah.blogspot.com/2009/10/alir
an-fluida-pada-heat exchanger.html
http://vedcadiklatki.blogspot.com/2010/08/pen
ukar-panas-heat-exchanger.html
http://www.beck-fk.blogspot.com/2012/05/
alat-heat-exchanger.html
http://www.brighthub.com/engineering/mecha
nical/articles/64548.aspx
http://www.scribd.com/doc/72839539/5/Jenis%E2%80%93-jenis-Heat-Exchanger
http://www.usu.ac.id/id/files/artikel/shell_Tub
e
Kays,W.M. and London, A.L, “Compact Heat
Exchanger”, 2 nd Edition McGraw-Hill,
New York, 1964
Kern, DQ, “Process Heat Transfer”, Mc.GrawHill, New York, 1965
Kern,D.Q. 1952.Process Heat Transfer.
59