BAB III Pendekatan Teori

8/19/2019 BAB III Pendekatan Teori

1/8

9

PENDEKATAN TEORI

A. Perpindahan Panas

Perpindahan panas didefinisikan sebagai ilmu umtuk meramalkan

perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu diantara benda

atau material (Holman,1986). Perpindahan panas berhubungan dengan laju

perpindahan panas dan penyebaran suhu dalam sistem.

Pada alat penukar panas, perpindahan panas berlangsung dengan cara:

1. Konduksi

Konduksi adalah perpindahan panas melalui kontak langsung antara

molekul zat yang berbeda suhu. Besaran perpindahan panas secara konduksi

tergantung pada nilai konduktivitas panas bahan.

2. Konveksi

Konveksi merupakan perpindahan panas yang dihubungkan dengan

pergerakan fluida. Jika fluida bergerak karena adanya gaya gerak dari luar

maka disebut konveksi paksa, sedangkan jika pergerakan fluida terjadi karena

perbedaan masa jenis yang disebabkan oleh perbedaan suhu disebut konveksi

alami.

2.1. Konveksi Alami

Konveksi alami dipengaruhi oleh perbandingan antara gaya apung dan

kekentalan fluida atau disebut dengan bilangan Grashof. Semakin besar

bilangan Grashof maka perpindahan panasnya semakin efektif. Konveksi

bebas dapat diselesaikan dengan menggunakan persamaan (Holman,1986)

berikut:

….................................................... (1)

........................................................... (2)

…................................................................ (3)

2

3)(

ν

β ϖ xT T g Gr −

= ∞

mGr C Nu Pr)(=

x

k Nuh =


2/8

10

Dimana :

g = gravitasi (9.8m/s)

β = koefisien muai panas udara (1/K)

ν = viskositas kinematik (m3 /s)

Pr = bilangan Prandtl

Nud = bilangan Nusselt

Gr = bilangan Grashof

Tw = suhu dinding (oC )

T = suhu antara dua dinding(oC )

x = tinggi bidang tegak (m)

C,m = konstanta berdasar nilai GrPr pada geometri tertentu.

2.2. Konveksi Paksa

Untuk aliran yang terjadi karena adanya gaya tambahan dari luar, maka

koefisien pindah panas pada penukar panas yang disusun berupa pipa, dapat

dicari dengan menggunakan persamaan (Holman, 1986) berikut.

14.031

3

1

Pr)(Re86.1

=

w

d L

d Nu

µ

µ ..................................... (4)

Persamaan diatas berlaku untuk perpindahan kalor aliran laminer (Re <

5 x105 ). Sedangkan untuk aliran turbulen (Re > 5 x105 ) digunakan persaman:

14.0

3

1

8.0 Pr Re027.0

=

w

d Nuµ

µ ......................................... (5)

Dimana :

µ

ρν d m=Re .................................................................. (6)


3/8

11

B. Kolektor Surya

Jumlah panas yang terkumpul pada suatu kolektor merupakan

keseimbangan antara jumlah panas terserap dan panas yang hilang dari sistem

kolektor tersebut. Untuk menghitung jumlah panas yang terkumpul digunakan

persamaan Kamaruddin (1998) sebagai berikut :

Qb = Qc – Ql ..................................................................... (7)

Dimana :

Qb = jumlah panas terkumpul (W/ m2 )

Qc = jumlah panas terserap (W/ m2 )

Ql = jumlah panas hilang dari kolektor (W/ m2 )

Jumlah panas yang masuk ditentukan dengan menggunakan persamaan

berikut :

)(τα pc IAQ = .................................................................... (8)

Dimana :

(τ α ) = hasil perkalian koefisien tembus cahaya penutup

transparan dan koefisien penyerap panas energi surya oleh

plat penyerap.

I = laju radiasi surya yang ditangkap oleh permukaan kolektor

(W/ m2 )

A p = luas plat kolektor (m2)

Sedangkan jumlah panas yang hilang dari kolektor dapat ditentukan

dengan menggunakan persaman berikut :

( )acc

s

sbt l T T A

AU U U Q −

++= ................................ (9)

Dimana :

U t = kehilangan panas bagian atas kolektor (W/ m2 oC )

U b = kehilangan panas dari bagian bawah kolektor (W/ m2 oC )

U s = kehilangan panas dari bagian samping kolektor (W/ m2 oC )

A s = luas sisi kolektor (m2)

Ac = luas permukaan kolektor (m2)

T c = suhu permukaan absorber (oC)

T a = suhu udara sekeliling ( oC)


4/8

12

Kehilangan panas pada bagian atas kolektor dicari dengan

menggunakan persamaan :

∆+

=

tk k

x

h

U tk

t 1

1 …….................................................... (10)

Dimana :

U t = kehilangan panas pada bagian atas kolektor ( W/m2 oC)

h = koefisien pindah panas konveksi pada fluida yang mengalir

di bagian dalam polikarbonat atau konveksi secara alami

(W/ m2 oC )

∆xtk = tebal tutup kolektor (m)

k tk = konduktivitas panas tutup kolektor (W/ m2 oC )

Kehilangan panas pada bagian bawah kolektor dicari dengan

menggunakan persamaan :

∆+

=

g

g b

k

x

h

U 1

1 ................................................... (11)

Dimana :

U b = kehilangan panas pada bagian bawah kolektor ( W/m2 oC)

h = koefisien pindah panas konveksi pada fluida yang mengalir

di bagian dalam glas wool atau konveksi secara alami

(W/ m2 oC)

∆x xp = tebal glas wool (m)

k p = konduktivitas panas glas wool (W/ m2 oC)

Karena biasanya luas bagian samping kolektor sangat kecil

dibandingkan dengan permukaan atas atau permukaan bawah dari kolektor,

maka biasanya panas yang hilang dari bagian samping tadi diabaikan.


5/8

13

Dengan demikian maka keseimbangan energi pada kolektor datar

dinyatakan dengan menggunakan persamaan berikut :

( ) ( )ac p L pb T T AU IAQ −−= τα ................................. (12)

Dimana :

bt L U U U += ............................................................ (13)

Efisiensi kolektor datar (ηc) merupakan perbandingan antara jumlah

panas yang terkumpul dan panas yang datang Kamaruddin (1998) atau :

ηc =

−−

I

T T U ac Lτα .............................................. (14)

C. Tungku Pembakaran

Pada pembakaran sempurna, bahan bakar akan menghasilkan sejumlah

energi panas yang umumnya disebut sebagai nilai kalor panas. Nilai kalor

panas bahan bakar yang umumnya digunakan sebagai patokan adalah nilai

kalor panas pada tingkat rendah ( Low Heating Value = LHV ) yang biasa

diperoleh antara lain dengan cara pengukuran menggunakan alat Bomb

Calorimeter.

Pada pembakaran secara aktual energi panas yang dihasilkan

umumnya lebih kecil dari nilai kalor panas bahan bakar yang bersangkutan

karena pembakaran berlangsung tidak habis atau tidak sempurna.

Perbandingan antara jumlah energi panas yang dihasilkan dengan nilai kalor

panas bahan bakar disebut sebagai effisiensi pembakaran.

Efisiensi sistem tungku merupakan perbandingan antara jumlah energi

yang digunakan untuk meningkatkan suhu ruangan dengan energi yang

diberikan oleh tungku pemanas, dinyatakan dalam persamaan Kamaruddin

(1998) berikut :

ηt=Cvm

T T Cpm

b

auinuu )( − .................................................. (15)


6/8

14

Dimana :

um = massa udara (kg)

uCp = panas jenis udara (kJ/kgoC)

uinT = suhu ruang pengering (oC )

aT = suhu lingkungan (oC )

bm = masa bahan bakar (kg)

Cv = nilai kalor bahan bakar (kJ/kg)

D. Sistem Penukar Panas

Analisis unjuk kerja dari penukar panas akan dipengaruhi oleh

deskripsi fisik dari parameter-parameter yang terlibat. Hal pertama yang perlu

diketahui adalah bentuk aliran dari fluida seperti Crossflow, parallelflow atau

counterflow maupun penukar panas dengan model sheel and tube serta berapa

kali fluida akan melewati masing-masing pipa dalam penukar panas. Kedua

adalah dimensi fisik dari penukar panas seperti ukuran pipa, bahan dari pipa

serta jumlah total permukaan pindah panas yang terlibat.

Perhitungan unjuk kerja dari penukar panas didasarkan pada konsep

keseimbangan energi yang terjadi sepanjang penukar panas dan efektifitas dari

penukar panas.

Laju perpindahan panas untuk berbagai tipe penukar panas dapat

ditentukan dengan menggunakan persaman berikut (Kreith,1973) :

TLog UAQ ∆= ................................................................. (16)

Dimana :

U = koefisien pindah panas keseluruhan (W/ m2 o

C

)

A = total luas pindah panas ( m2 )

∆T Log = beda suhu keseluruhan logaritmik (oC)

Koefisien pindah panas keseluruhan untuk penukar panas yang

berbentuk pipa dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut

(Holman,1986) :


7/8

15

U =

+

+

ho Ao

Ai

KL

r

r AiLn

hi

i

o

1

2

1

1

π

.......................................... (17)

Dimana :

k = konduktivitas panas bahan penukar panas (W/m oC )

hi = koefisien pindah panas konveksi pada fluida yang mengalir

dibagian dalam pipa atau konveksi secara alami (W/ m2 oC )

ho= koefisien pindah panas konveksi pada fluida yang mengalir

dibagian luar pipa atau konveksi secara paksa (W/ m2 o

C )r o = jari - jari luar pipa (m)

r i = jari - jari dalam pipa (m)

Ai= luas dalam tabung (m2)

L = panjang pipa (m)

Sedangkan beda suhu keseluruhan logaritmik didapat dengan

menggunakan persamaan:

∆T Log =

2

1

21

T

T Ln

T T

∆

∆

∆−∆ ...................................................... (18)

Dimana :

∆T 1 = Thi – Tco ............................................................... (19)

∆T 2 = Tho – Tci .............................................................. (20)

Dengan :

Thi = suhu udara pembakaran masuk penukar panas (oC)

Tho = suhu udara pembakaran ke luar dari penukar panas (oC )

Tci = suhu udara pengering masuk penukar panas (oC )

Tco = suhu udara pengering yang keluar dari penukar panas (oC )


8/8

16

Keefektifan penukar panas merupakan perbandingan laju perpindahan

panas yang sebenarnya dalam penukar panas terhadap laju pertukaran panas

maksimum yang mungkin. Keefektifan penukar panas dihitung dengan

menggunakan persamaan (Holman,1986) :

( )[ ]{ } N eC C

−−−−

= 1exp1

1ε ....................................... (21)

Dimana :

minC

UA NTU N == ........................................................... (22)

( )

( )maksmaks mCp

mCp

C

C C minmin == ................................................. (23)

Dimana :

ε = efektifitas penukar panas

NTU = satuan perpindahan panas

C = laju kapasitas udara (W/ oC)

m = laju aliran massa udara (kg/dt)

Cp = panas jenis udara (kJ/kg.oC)

Cmin = laju kapasitas udara yang lebih kecil (kW/ o

C)

Cmax = laju kapasitas udara yang lebih besar (kW/ oC)

BAB III Pendekatan Teori

Documents

Transcript of BAB III Pendekatan Teori