Docstoc

Tugas Mata Kuliah Termodinamika dan Perpindahan Panas

Document Sample
Tugas Mata Kuliah Termodinamika dan Perpindahan Panas Powered By Docstoc
					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 PERTANIAN FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS HASANUDDIN MAKASSAR 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
q  mCp (T1  T2 ) dimana =

q = laju perpindahan panas Cp = panas spesifik T1 = Suhu Fluida panas T2 = suhu fluida output

50 .. 000  m 3890 (80  25 ) 50 .000 50 .000 m  3890 * 55 213 .950 m  0.23 kg / s

Menghitung panjang pipa yang dibutuhkan
q  U A ( Tlm )

Tlm  Tlm  Tlm 

(T ln (T

lm1

 T f )  (Tm 2  T f )  Tf
m2

(80  20)  (25  20) ln (80  20)  (25  20)
55 55  ln 55 4,007

lm1

  )  (T



 Tf )



Tlm  13,73 0 C

q

 U A (Tlm )

50.000  900 * A * 13,73 50000 A 12.357 A  4.046 m 2 dim ana, A  DL 4.046 ( * 0,0127) 4,046 4,046 L  3,14(0,0127) 0,0399 L  101,4 m L

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 1:500 Gbr. Rancangan Alat Pindah Panas (Heat Exchanger) Keterangan : 1. Tempat penampungan air pendingin 2. Pipa aliran fluida pendingin input 3. Lubang fluida input 4. Bak transfer suhu dingin (bak pendingin) 5. Penampungan fluida panas 6. Aliran input fluida panas 7. Output fluida panas 8. 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


				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Categories:
Stats:
views:7241
posted:1/2/2010
language:Indonesian
pages:16