tugas mata kuliah termodinamika dan perpindahan panas
TRANSCRIPT
Tugas Mata Kuliah Termodinamika dan Perpindahan Panas
HEAT EXCHANGER
Oleh :KELOMPOK 8
I S M A I L H S (G621 04 042)
MUH. AKBAL (G621 06 032)
DEDI DASYAT (G621 06 035)
ABD. RAHMAN S (G621 06 050)
JURUSAN TEKNOLOGI PERTANIANFAKULTAS PERTANIAN
UNIVERSITAS HASANUDDINMAKASSAR
2008
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Perpindahan ka1or dari suatu zat ke zat lain seringkali terjadi dalam
industri proses. Pada kebanyakan pengerjaan, diperlukan pemasukan atau
pengeluaran ka1or, untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang
dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Kondisi pertama yaitu mencapai
keadaan yang dibutuhkan untuk pengerjaan, terjadi umpamanya bila pengerjaan
harus berlangsung pada suhu tertentu dan suhu ini harus dicapai dengan ja1an
pemasukan atau pengeluaran ka1or. Kondisi kedua yaitu mempertahankan
keadaan yang dibutuhkan untuk operasi proses, terdapat pada pengerjaan
eksoterm dan endoterm. Disamping perubahan secara kimia, keadaan ini dapat
juga merupakan pengerjaan secara a1ami. Dengan demikian. pada pengembunan
dan penguapan (krista1isasi) ka1or harus dikeluarkan. Pada penguapan dan pada
umumnya juga pada pelarutan, ka1or harus dimasukkan ada1ah hukum a1am
bahwa ka1or itu suatu bentuk energy.
Sama seperti bentuk lain dari energi, jumlah ka1or juga dinyatakan
da1am suatu gaya kali suatu jarak yaitu Newton ka1i meter atau Nm. 1 Nm
dinamakan 1 Joule. Untuk memberikan sedikit gambaran mengenai besarnya
energi 1 Joule tersebut, bisa diperhatikan dari ha1 berikut: Untuk penguapan 1 kg
air, diperlukan cukup banyak energi yaitu perubahan zat cair ke dalam uap ini
kira-kira membutuhkan energi 2.225.000 Joule = 2,25 MJ. Pada pembakaran 1
kg minyak akan terbebas kira-kira 45 MJ.
Ka1or mengalir dengan sendirinya dari suhu yang tinggi ke suhu yang
rendah. Akan tetapi, gaya dorong untuk a1iran ini ada1ah perbedaan suhu. Bila
sesuatu benda ingin dipanaskan, maka harus dimi1iki sesuatu benda lain yang
lebih panas, demikian pula ha1nya jika ingin mendinginkan sesuatu, diperlukan
benda lain yang lebih dingin.
Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak musnah yaitu
seperti hukum asas yang lain, contohnya hukum kekekalan masa dan momentum,
ini artinya kalor tidak hilang. Energi hanya berubah bentuk dari bentuk yang
pertama ke bentuk yang ke dua. Bila diperhatikan misalnya jumlah energi kalor
api unggun kayu yang ditumpukkan, semua ini .menyimpan sejum1ah energi
dalam yang ditandai dengan kuantitas yang lazim disebut muatan kalor bahan.
Apabila api dinyalakan, energi termal yang tersimpan di dalam bahan tadi akan
bertukar menjadi energi kalor yang dapat kita rasakan. Energi kalor ini mengalir
jika terdapat suatu perbedaan suhu. Bila diperhatikan sebatang logam yang
dicelupkan ke dalam suatu tangki yang berisi air kalor. Karena suhu awal logam
ialah T dan suhu air ialah T , dengan T >> T , maka logam 1 2 2 1dikatakan
lebih dingin daripada air. Ha1 yang penting dalam sistem yang terdiri dari air dan
logam ialah adanya suatu perbedaan suhu yang nyata yaitu (T1 – T2 ).
Kalor dapat diangkut dengan tiga macam cara yaitu:
1. Pancaran, sering juga dinamakan radiasi.
2. Hantaran, sering juga disebut konduksi.
3. Aliran, sering juga disebut radiasi.
Berdasarkan uraian di atas maka kegiatan perancangan ini dilakukan
untuk mendesain sebuah alat pindah kalor dengan system penyaluran suhu
menggunakan pipa dengan aliran fluida sejajar.
B. Tinjauan Pustaka
1. Pancaran (Radiasi)
Yang dimaksud dengan pancaran (radiasi) ia1ah perpindahan ka1or
mela1ui gelombang dari suatu zat ke zat yang lain. Semua benda
memancarkan ka1or. Keadaan ini baru terbukti setelah suhu meningkat. Pada
hakekatnya proses perpindahan ka1or radiasi terjadi dengan perantaraan foton
dan juga gelombang elektromagnet. Terdapat dua teori yang berbeda untuk
menerangkan bagaimana proses radiasi itu terjadi. Semua bahan pada suhu
mutlak tertentu akan menyinari sejumlah energi ka1or tertentu. Semakin
tinggi suhu bahan tadi maka semakin tinggi pula energi ka1or yang
disinarkan. Proses radiasi adalah fenomena permukaan. Proses radiasi tidak
terjadi pada bagian da1am bahan. Tetapi suatu bahan apabila menerima sinar,
maka banyak ha1 yang boleh terjadi. Apabila sejumlah energi ka1or menimpa
suatu permukaan, sebahagian akan dipantulkan, sebahagian akan diserap ke
da1am bahan, dan sebagian akan menembusi bahan dan terus ke luar. Jadi
da1am mempelajari perpindahan ka1or radiasi akan dilibatkan suatu fisik
permukaan.
Bahan yang dianggap mempunyai ciri yang sempurna ada1ah jasad
hitam. Disamping itu, sama seperti cahaya lampu, adaka1anya tidak semua
sinar mengenai permukaan yang dituju. Jadi da1am masalah ini kita
mengena1 satu faktor pandangan yang lazimnya dinamakan faktor bentuk.
Maka jumlah ka1or yang diterima dari satu sumber akan berbanding langsung
sebahagiannya terhadap faktor bentuk ini. Dalam pada itu, sifat terma
permukaan bahan juga penting. Berbeda dengan proses konveksi, medan
a1iran fluida disekeliling permukaan tidak penting, yang penting ialah sifat
terma saja. Dengan demikian, untuk memahami proses radiasi dari satu
permukaan kita perlu memahami juga keadaan fisik permukaan bahan yang
terlibat dengan proses radiasi yang berlaku.
Proses perpindahan kalor sering terjadi secara serentak. Misa1nya
sekeping plat yang dicat hitam. La1u dikenakan dengan sinar matahari. Plat
akan menyerap sebahagian energi matahari. Suhu plat akan naik ke satu tahap
tertentu. Oleh karena suhu permukaan atas naik maka kalor akan berkonduksi
dari permukaan atas ke permukaan bawah. Da1am pada itu, permukaan bagian
atas kini mempunyai suhu yang lebih tinggi dari suhu udara sekeliling, maka
jumlah kalor akan disebarkan secara konveksi. Tetapi energi kalor juga
disebarkan secara radiasi. Dalam hal ini dua hal terjadi, ada kalor yang
dipantulkan dan ada kalor yang dipindahkan ke sekeliling.
Berdasarkan kepada keadaan terma permukaan, bahan yang di
pindahkan dan dipantulkan ini dapat berbeda. Proses radiasi tidak melibatkan
perbedaan suhu. Keterlibatan suhu hanya terjadi jika terdapat dua permukaan
yang mempunyai suhu yang berbeda. Dalam hal ini, setiap permukaan akan
menyinarkan energi kalor secara radiasi jika permukaan itu bersuhu T dalam
unit suhu mutlak. Lazimnya jika terdapat satu permukaan lain yang saling
berhadapan, dan jikapermukaan pertama mempunyai suhu T1 mutlak
sedangkan permukaan kedua mempunyai suhu T2 mutlak, maka permukaan
tadi akan saling memindahkan kalor .
Selanjutnya juga penting untuk diketahui bahwa :
1. Kalor radiasi merambat lurus.
2. Untuk perambatan itu tidak diperlukan medium (misalnya zat cair atau gas)
2. Hantaran (Konduksi)
Yang dimaksud dengan hantaran ialah pengangkutan kalor melalui
satu jenis zat. Sehingga perpindahan kalor secara hantaran/konduksi
merupakan satu proses pendalaman karena proses perpindahan kalor ini hanya
terjadi di dalam bahan. Arah aliran energi kalor, adalah dari titik bersuhu
tinggi ke titik bersuhu rendah.
Sudah diketahui bahwa tidak semua bahan dapat menghantar kalor
sama sempurnanya. Dengan demikian, umpamanya seorang tukang hembus
kaca dapat memegang suatu barang kaca, yang beberapa cm lebih jauh dari
tempat pegangan itu adalah demikian panasnya, sehingga bentuknya dapat
berubah. Akan tetapi seorang pandai tempa harus memegang benda yang akan
ditempa dengan sebuah tang. Bahan yang dapat menghantar ka1or dengan
baik dinamakan konduktor. Penghantar yang buruk disebut isolator. Sifat
bahan yang digunakan untuk menyatakan bahwabahan tersebut merupakan
suatu isolator atau konduktor ialah koefisien konduksi terma. Apabila nilai
koefisien ini tinggi, maka bahan mempunyai kemampuan mengalirkan kalor
dengan cepat. Untuk bahan isolator, koefisien ini bernilai kecil.
Pada umumnya, bahan yang dapat menghantar arus listrik dengan
sempurna (logam) merupakan penghantar yang baik juga untuk kalor dan
sebaliknya. Selanjutnya bila diandaikan sebatang besi atau sembarang jenis
logam dan salah satu ujungnya diulurkan ke dalam nyala api. Dapat
diperhatikan bagaimana kalor dipindahkan dari ujung yang panas ke ujung
yang dingin. Apabila ujung batang logam tadi menerima energi kalor dari api,
energi ini akan memindahkan sebahagian energi kepada molekul dan elektron
yang membangun bahan tersebut. Moleku1 dan elektron merupakan alat
pengangkut kalor di dalam bahan menurut proses perpindahan kalor konduksi.
Dengan demikian dalam proses pengangkutan kalor di dalam bahan, aliran
elektron akan memainkan peranan penting .
Persoalan yang patut diajukan pada pengamatan ini ialah mengapa
kadar alir energi kalor adalah berbeda. Hal ini disebabkan karena susunan
molekul dan juga atom di dalam setiap bahan adalah berbeda. Untuk satu
bahan berfasa padat molekulnya tersusun rapat, berbeda dengan satu bahan
berfasa gas seperti udara. Molekul udara adalalah renggang seka1i. Tetapi
dibandingkan dengan bahan padat seperti kayu, dan besi , maka molekul besi
adalah lebih rapat susunannya daripada molekul kayu. Bahan kayu terdiri dari
gabungan bahan kimia seperti karbon, uap air, dan udara yang terperangkat.
Besi adalah besi. Kalaupun ada bahan asing, bahan kimia unsur besi adalah
lebih banyak.
3. Aliran (Konveksi)
Yang dimaksud dengan aliran ialah pengangkutan ka1or oleh gerak
dari zat yang dipanaskan. Proses perpindahan ka1or secara aliran/konveksi
merupakan satu fenomena permukaan. Proses konveksi hanya terjadi di
permukaan bahan. Jadi dalam proses ini struktur bagian dalam bahan kurang
penting. Keadaan permukaan dan keadaan sekelilingnya serta kedudukan
permukaan itu adalah yang utama. Lazimnya, keadaan keseirnbangan
termodinamik di dalam bahan akibat proses konduksi, suhu permukaan bahan
akan berbeda dari suhu sekelilingnya. Dalam hal ini dikatakan suhu
permukaan adalah T1 dan suhu udara sekeliling adalah T2 dengan T1 > T2 .
Kini terdapat keadaan suhu tidak seimbang diantara bahan dengan
sekelilingnya.
Perpindahan kalor dengan jalan aliran dalam industri kimia
merupakan cara pengangkutan kalor yang paling banyak dipakai. Oleh karena
konveksi hanya dapat terjadi melalui zat yang mengalir, maka bentuk
pengangkutan ka1or ini hanya terdapat pada zat cair dan gas. Pada pemanasan
zat ini terjadi aliran, karena masa yang akan dipanaskan tidak sekaligus di
bawa kesuhu yang sama tinggi. Oleh karena itu bagian yang paling banyak
atau yang pertama dipanaskan memperoleh masa jenis yang lebih kecil
daripada bagian masa yang lebih dingin. Sebagai akibatnya terjadi sirkulasi,
sehingga kalor akhimya tersebar pada seluruh zat.Pada perpindahan kalor
secara konveksi, energi kalor ini akan dipindahkan ke sekelilingnya dengan
perantaraan aliran fluida. Oleh karena pengaliran fluida melibatkan
pengangkutan masa, maka selama pengaliran fluida bersentuhan dengan
permukaan bahan yang panas, suhu fluida akan naik. Gerakan fluida
melibatkan kecepatan yang seterusnya akan menghasilkan aliran momentum.
Jadi masa fluida yang mempunyai energi terma yang lebih tinggi akan
mempunyai momentum yang juga tinggi. Peningkatan momentum ini bukan
disebabkan masanya akan bertambah. Malahan masa fluida menjadi
berkurang karena kini fluida menerima energi kalor. Fluida yang panas karena
menerima kalor dari permukaan bahan akan naik ke atas. Kekosongan tempat
masa bendalir yang telah naik itu diisi pula oleh masa fluida yang bersuhu
rendah. Setelah masa ini juga menerima energi kalor dari permukan bahan
yang kalor dasi, masa ini juga akan naik ke atas permukaan meninggalkan
tempat asalnya. Kekosongan ini diisi pula oleh masa fluida bersuhu renah
yang lain. Proses ini akan berlangsung berulang-ulang. Dalam kedua proses
konduksi dan konveksi, faktor yang paling penting yang menjadi penyebab
dan pendorong proses tersebut adalah perbedaan suhu. Apabila perbedaan
suhu .terjadi maka keadaan tidak stabil terma akan terjadi. Keadaan tidak
stabil ini perlu diselesaikan melalui proses perpindahan kalor.
Dalam pengamatan proses perpindahan kalor konveksi, masalah yang
utama terletak pada cara mencari metode penentuan nilai h dengan tepat. Nilai
koefisien ini tergantung kepada banyak faktor. Jumlah kalor yang
dipindahkan, bergantung pada nilai h. Jika cepatan medan tetap, artinya tidak
ada pengaruh luar yang mendoromg fluida bergerak, maka proses perpindahan
ka1or berlaku. Sedangkan bila kecepatan medan dipengaruhi oleh unsur luar
seperti kipas atau peniup, maka proses konveksi yang akan terjadi merupakan
proses perpindahan kalor konveksi paksa. Yang membedakan kedua proses ini
adalah dari nilai koefisien h-nya.
4. Alat Penukar Kalor
Apabila kita berhubungan dengan dua macam zat cair atau gas di
da1am proses yang akan saling bertukar ka1ornya, maka kita perlu
membincangkan tentang alat penukar ka1or yang bersesuaian dengan material
yang akan kita pindahkan. Pada industri-industri kimia, a1at penukar ka1or
biasanya digunakan untuk pemanasan dan pendinginan proses serta a1iran
produk. Ana1isa dan desain yang dilakukan digunakan untuk mengaplikasikan
secara praktis prinsip-prinsip dasar pertukaran kalor.
Lazimnya a1at penukar ka1or adalah sistim yang digunakan penukaran
ka1or diantara dua fluida yang dibatasi oleh dinding pemisah. Pada
kebanyakan sistem kedua fluida ini tidak mengalami kontak langsung. Kontak
langsung a1at penukar ka1or terjadi sebagai contoh pada gas kalor yang
terfluidisasi da1am cairan dingin untuk meningkatkan temperatur cairan atau
mendinginkan gas.
Alat penukar kalor berdasarkan fungsinya dapat digolongkan pada
beberapa nama:
1. Exchanger: Memanfaatkan perpindahan kalor diantara dua fluida proses
(steam dan air pendingin tidak termasuk sebagai fluida proses, tetapi
merupakan utilitas).
2. Heater: Berfungsi memanaskan fluida proses, dan sebagai bahan pemanas
a1at ini menggunakan steam.
3. Cooler: Berfungsi mendinginkan fluida proses, dan sebagai bahan
pendingin digunakan air.
4. Condenser: Berfungsi untuk mengembunkan uap atau menyerap ka1or
laten penguapan.
5. Boiler : Berfungsi untuk membangkitkan uap.
6. Reboiler : Berfungsi sebagai pensup1ai kalor yang diperlukan bottom
produk pada distilasi. Steam biasanya digunakan sebagai media pemanas.
7. Evaporator: Berfungsi memekatkan suatu larutan dengan cara menguapkan
airnya.
8. Vaporizer: Berfungsi memekatkan cairan selain dari air.
C. Perancangan Heat Exchanger
1. Rancangan Fungsional
Dalam perancangan ini, kami akan merancang alat pindah panas
dengan kapasitas laju perpindahan panas 50.000 watt. Alat ini kami rancang
sebagai alat untuk mendinginkan atau menurunkan suhu dari fluida panas
dengan menggunakan fluidah yang lebih rendah suhunya (cool fluida).
Rancangan ini menggunakan pipa sebagai aliran fluida panas yang
ditempatkan dalam sebuah bak yang dialiri fluida dingin. Suhu fluida dingin
yang kami gunakan adalah 200 C untuk menurunkan suhu fluida dari 800 C
sampai mencapai suhu 250 C.
Fluida suhu panas yang akan diturunkan suhunya, dalam perancangan
ini adalah susu kental manis dengan panas spesifik (Cp) = 3890 J/kg.0C-1
sedangkan pipa yang digunakan sebagai aliran fluida panas adalah pipa dari
bahan stainless, dengan koefesien pindah panas U = 900 w/m2.0C-1,
a. Perhitungan kecepatan aliran fluida dalam pipa
Diketahui =
Diameter pipa (D) = ½ inci = 1,27 cm =0,0127 m
Suhu fluida panas (T1) = 800 C
Suhu fluida output (T2) = 250C
Suhu fluida pendingin (Tf) = 200 C
Cp (panas Spesifik) = 3890 J/kg.0C-1
Koef. Pindah panas dari bak (U) = 900 w/m2.0C-1
Ditanyakan =
a. Kecepatan aliran fluida dalam aliran (m) ?
b. Panjang pipa yang dibutuhkan (L) ?
Penyelesaian :
Kecepatan aliran
dimana = q = laju perpindahan panas
Cp = panas spesifik
T1 = Suhu Fluida panas
T2 = suhu fluida output
Menghitung panjang pipa yang dibutuhkan
Jadi, panjag pipa yang dibutuhkan dalam desain alat penurun atau pemindah
kalor ini untuk menurunkan suhu susu 800 C menjadi 250 C adalah 101,4
meter dengan diameter 1/2 inci, untuk maket rancangan dipakai perkecilan
skala 1:500.
2. Rancangan Fungsional
Bentuk alat pindah panas ini adalah bak seperti kubus persegi panjang yang
dibagian tengahnya dipasangi pipa sebagai aliran fluida panas. Seperti
dijelaskan pada gambar di bawah ini :
Skala 1:500Gbr. Rancangan Alat Pindah Panas (Heat Exchanger)
Keterangan :1. Tempat penampungan air pendingin2. Pipa aliran fluida pendingin input3. Lubang fluida input4. Bak transfer suhu dingin (bak pendingin)5. Penampungan fluida panas6. Aliran input fluida panas7. Output fluida panas8. Output fluida dingin
Mekanisme kerja alat pemindah kalor (heat Exchanger)
Input Fluida Panas 800C output 250 C
Input Fluida Dingin 200 C
Gbr. Mekanisme Kerja Alat
DAFTAR PUSTAKA
Supratomo, Ir, MSc, Dr. 2006. Perpindahan Panas. Jurusan Teknologi Pertanian Universitas Hasanuddin : Makassar.
Zuhrina Masyithah, ST, MSc dan Bode Haryanto, ST, MT, 2006. Buku ajar Perpindahan Panas.Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatra Utara: Medan