Laporan POT

Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi

Departemen Teknik Kimia || 2012

1 BAB I

PENDAHULUAN

1.1 TUJUAN PERCOBAAN

1. Mempelajari proses perpindahan kalor secara konveksi bebas dan konveksi paksa.

a. Mengetahui pengaruh ketinggian weir terhadap koefisien perpindahan kalor pada

konveksi bebas.

b. Mengetahui pengaruh bukaan valve terhadap koefisien perpindahan kalor pada

konveksi paksa.

c. Membandingkan kinerja konveksi bebas dengan konveksi paksa berdasarkan nilai

koefisien perpindahan kalor pada masing-masing jenis konveksi.

2. Mempelajari pengaruh kecepatan aliran terhadap perpindahan kalor konveksi paksa.

3. Membandingkan persamaan empiris yang diperoleh dari percobaan dengan persamaan

empiris literatur.

1.2 TEORI

1.2.1 Pengertian Konveksi

Konveksi adalah proses perpindahan kalorkarena adanya gerakan makroskopik

dari fluida, seperti gerakan liquid atau gas. Oleh karena itu, laju perpindahan kalor secara

konveksi banyak dipengaruhi oleh sifat fluida (densitas, kapasitas kalor, koduktivitas

termal, dan viskositas) dan sifat aliran fluida (kecepatan alir, derajat

pencampuran/turbulensi, bentuk dan ukuran bidang termal).Sama halnya dengan proses

konduksi, konveksi pun membutuhkan media. Perbedaannya adalah pada proses

konduksi,kalor dipindahkan dari satu molekul ke molekul lainnya; sedangkan pada proses

konveksi, fluida yang lebih panas akanbergerak dan menggantikan tempat dari fluida

yang lebih dingin.

1.2.1.1 Konveksi Alamiah

Konveksi alamiah adalah proses perpindahan kalor dimana pergerakan

fluida terjadi karenaadanya gaya apung (buoyancy force) yang disebabkan oleh

perubahan densitas fluida. Proses pemanasan suatu fluida akan menyebabkan

penurunan densitas fluida itu, sehingga fluida akan mengalami gaya apung. Gaya

apung yang menyebabkan arus konveksi tersebut disebut sebagai gaya badan



2 (body force). Gaya badan hanya terjadi jika fluida mengalami gaya dari luar, gaya

seperti gravitasi atau gaya sentrifugal.

Peranan gaya apung dalam perpindahan kalor adalah sebagai berikut.

Fluida di dekat permukaan dinding yang mengalami penurunan densitas akan

bergerak ke atas membawa kalor. Posisi fluida itu akandigantikan oleh fluida di

atasnya yang densitasnya lebih besar. Densitas fluida ini kemudian jugaakan

berkurang karena adanya pemanasan, sehingga kemudian bergerak ke atas

membawa kalor. Fluida berikutnya yang densitasnya lebih besar akanbergerak ke

permukaan dinding dan mengalami penurunan densitas karena pemanasan. Proses

ini berlangsung secara kontinu.

Dalam konveksi alamiah, kecepatan fluida pada permukaan yang

dipanaskan adalah nol (kondisi batas tanpa gelincir).Selain itu, kecepata fluida

bisa bertambah dengan cepat dalam lapisan batas yang tipis yang bersinggungan

dengan permukaan itu dan menjadi nol lagi.

1.2.1.2 Konveksi Paksa

Konveksi paksa adalah proses perpindahan kalor dimana pergerakan fluida

diakibatkan oleh adanyagaya dari luar, seperti oleh pompa atau kipas angin. Hal-

hal yang membedakan konvekasi paksa dari konveksi alamiah adalah:

Konveksi paksa mengalamigaya dari luar yang mempengaruhi sistem.

Nilai koefisien perpindahan kalor konveksi alamiah (h) umumnya sangat kecil.

Dengan kondisi yang sama, kalor yang dipindahkan pada konveksi alamiah

lebih sedikit daripada konveksi paksa.

1.2.2 Koefisien Perpindahan Kalor

Laju perpindahan kalor antara fluida dengan suatu permukaan akan berbanding

lurus dengan luas permukaan tersebut. Laju perpindahan kalor di dekat permukaan secara

diferensial dinyatakan sebagai:

(1.1)

dimanahx adalah koefisien perpindahan panas lokal, Tw adalah suhu permukaan, dan Tf

adalah suhu fluida rata-rata.

Tahanan perpindahan kalor pada suatu film setebal y yang berdekatan dengan

permukaan digambarkan oleh gambar 1.1.



3

Gambar 1.1 Tahanan perpindahan kalor

Dalam gambar 1.1 dapat diasumsikan bahwa proses perpindahan kalor melalui film

terjadi karena konduksi, sehingga persamaan (1.1) menjadi:

(1.2)

dimana ΔT = Tw – Tf dank adalah konduktivitas panas fluida.

Jika persamaan (1.1) dan (1.2) dibandingkan makaakan diperoleh hubungan:

perbandingan di atas menunjukkan bahwa jika nilai y diketahui, maka perpindahan

kalordapat dianggap proses konduksi.

Koefisien perpindahan kalor didapatkan dengan mengintegralkan persamaan (1.1)

untuk suatu luas permukaan, yaitu:

(1.3)

dimanah adalah koefisien perpindahan kalor rata-rata dan ΔTlm adalah driving force rata-

rata yang didefinisikan sebagai:

(1.4)

dimanaΔT1danΔT2adalah perbedaan suhu pada posisi ekstrem dari permukaan yang

ditinjau.

Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh

Koefisien perpindahan kalor menyeluruh merupakan aliran kalor menyeluruh

sebagai hasil gabungan dari proses konduksi dan konveksi. Koefisien perpindahan kalor

menyeluruh dinyatakan dengan U yang memiliki satuan atau .

y

Ts

Tf Film temperature gradient

Actual temperature gradient



4 Perpindahan kalor menyeluruh dinyatakan dengan membagi beda suhu menyeluruh

dengan jumlah tahanan termal.

Gambar 1.2 Sistem yang mengalami beberapa aliran perpindahan kalor

Misalkan terdapat sebuah sistem seperti pada gambar 1.2. Perpindahan kalor

menyeluruh sistem adalah:

(1.5)

Dimana A adalah luas bidang aliran panas dan adalah tahanan konveksi.

Aliran kalor menyeluruh yang merupakan hasil gabungan proses konduksi dan

konveksi dapat dinyatakan dengan koefisien perpindahan kalor menyeluruh U, yaitu:

(1.6)

Dengan memodifikan persamaan (1.5) dan (1.6), maka akan diperoleh persamaan untuk

mencari U, yaitu:

(1.7)

Jika kalor mengalir melalui tahanan konveksi zat alir dengan koefisien h1, tahanan

konduksi bahan A, B, dan C pada suatu bidang datar yang disusun seri dengan tebal

masing-masing xA, xB, dan xC, serta tahanan konveksi zat alir dengan koefisien konveksi

h2, maka U menjadi:

(1.8)

Misalkan terdapat sistem silinder bolong yang terkena konveksi di permukaan

bagian dalam dan luarnya. Pada sistem ini, luas bidang konveksi tidak sama untuk kedua



5 fluida, dimana luas bidang ini tergantung dari diameter tabung dan tebal dinding.Maka,

perpindahan kalor menyeluruh dinyatakan dengan persamaan:

(1.9)

Koefisien perpindahan kalor menyeluruh dari sistem tersebut dapat didasarkan

atas bidang dalam atau luar tabung, sehingga persamaannya menjadi:

(1.10)

1.2.3 Jenis-jenis Aliran pada Peristiwa Konveksi

1.2.3.1 Aliran Viskos

Gambar 1.3 menunjukkan fluida yang mengalir di atas plat rata. Gaya

viskos ditunjukkan dengan shear stress(τ) antara lapisan-lapisan fluida yang

sebanding dengan gradien kecepatan normal. Persamaan dasar untuk viskositas

dinamik (μ) adalah:

(1.11)

Gambar 1.3 Bagan daerah boundary layer di atas plat rata

Viskositas akan mempengaruhi pembentukan daerah aliran dari tepi depan

plat rata, dimana daerah itu disebut sebagai boundary layer. Pada awalnya,

boundary layer yang terbentuk adalah laminar. Pada suatu jarak kritis dari tepi

depan, tergantung pada medan aliran dan sifat fluida, gangguan-gangguan kecil

pada aliran laminar tersebut akan membesar, sehingga terjadi aliran transisi

hingga akhirnya menjadi aliran menjadi turbulen.



6 Pada pipa, transisi dari aliran laminar menjadi turbulen terjadi apabila nilai

bilangan Reynolds adalah . Nilai Re suatu aliran akan

berbeda-beda tergantung pada kekasaran pipa dan kehalusan pipa.

1.2.3.2 Aliran Invisid

Untuk suatu aliran fluida di atas plat rata, pada jarak yang cukup jauh dari

plat akan terjadi aliran yang bersifat non-viskos.Shear stress viskos akan kecil

karena gradien kecepatan yang tegak lurus terhadap arah aliran sangat kecil.

Sebenarnya tidak ada fluida yang tidak mempunyai sifat invisid, tapi untuk

memudahkan analisis seringkali fluida dianggap viskos.

Jika dibuat neraca gaya pada suatu fluida invisid, persamaan Bernoulli

untuk aliran sepanjang garis arus adalah:

atau

(1.12)

Persamaan energi untuk fluida invisid harus memperhitungkan perubahan energi

termal dalam sistem dan selisih suhu yang berkaitan, yaitu:

(1.13)

dimanaiadalah entalpi ( ), dengan e adalah energi dalam, Qadalah kalor

yang ditambahkan, Wkadalah kerja luar yang dilakukan dalam proses, dan V

adalah volume spesifik fluida.

Untuk menghitung penurunan tekanan pada aliran mampu mampat,

persamaan keadaan fluida itu harus ditentukan, yaitu untuk gas ideal:

(1.14)

1.2.4 Bilangan Tak Berdimensi

Proses perhitungan untuk konveksi melibatkan bilangan tak berdimensi.

Kegunaan bilangan tak berdimensi adalah:

Penentuan jenis aliran fluida (laminar, transisi, atau turbulen) pada film (perbatasan

antara benda padat dengan fluida). Jenis aliran fluida akan menentukan model analisis

yang digunakan dalam proses konveksi itu.

Penyelesaian proses perpindahan kalor secara konveksi pada model geometri tertentu,

atau pada keterlibatan viskositas, densitas, dan karakteristik termal bidang. Bilangan

tak berdimensi akan menunjukkan perbedaan perpindahan kalor pada koordinat



7 tertentu dalam bidang tersebut, sehingga dapat diketahui nilai kalor yang diterima atau

dilepas, serta suhu yang terdapat pada koordinat tersebut.

Pemberian batasan perhitungan untuk dicocokkan dengan nilai yang harus

dimasukkan ke dalam perhitungan.

Bilangan-bilangan tak berdimensi yang terdapat dalam perpindahan kalor

konveksi ada lima, yaitu:

1. Bilangan Reynolds (Re)

Bilangan Reynold digunakan untuk menentukan jenis aliran fluida dalam pipa

atau tabung.Berdasarkan rangenya, aliran dapat dikatanlaminar ( ),

transisi ( ), atau turbulen ( ). Bilangan Reynold

dinyatakan dalam:

(1.15)

2. Bilangan Nusselt (Nux)

Bilangan Nusselt merupakan nilai perbandingan antara kalor konveksi dengan

konduksi, yang dapat dirumuskan sebagai:

(1.16)

Dimana L adalah dimensi karakteristik benda, yaitu panjang untuk plat; diameter luar

untuk silinder; jari-jari luar untuk bola.

Nilai bilangan Nusselt akan mendekati satu jika besar konveksi dan konduksi

relatif sama. Kondisi ini merupakan karakteristik dari aliran laminar. Bilangan Nusselt

yang lebih besar menunjukkan adanya konveksi yang aktif (aliran turbulen).

3. Bilangan Prandtl (Pr)

Bilangan Prandtl merupakan parameter yang menghubungkan ketebalan relatif

antara lapisan batas hidrodinamik dan lapisan batas termal, serta penghubung antara

medan kecepatan dengan medan suhu. Bilangan Prandtl dinyatakan sebagai:

(1.17)



8 4. Bilangan Grashof (Gr)

Bilangan Grashof merupak+an parameter yang menghubungkan data konveksi

alamiah, dimana dinyatakan sebagai:

(1.18)

dimanagadalah percepatan gravitasi, βadalah koefisien ekspansi volume, T

adalahsuhu fluida yang jauh dari permukaan, Twadalah suhu permukaan, Lc adalah

panjang karakteristik, dan v adalahviskositas kinematik.

5. Bilangan Rayleigh (Ra)

Bilangan Rayleigh merupakan parameter yang digunakan untuk menentukan

transisi aliran laminar ke turbulen dari suatu aliran lapisan batas konveksi

alamiah.Bilangan Rayleigh dinyatakan sebagai:

(1.19)

1.2.5 Aliran Dalam Pipa Pada Konveksi Bebas

Kecepatan pada perpindahan panas fluida pada konveksi bebas lebih banyak

ditentukan oleh kesetimbangan antara gaya apung dan gaya viskos karena laju

perpindahan panasnya terutama ditentukan oleh gerakan natural fluida.

Gambar 1.4 Ilustrasi aliran dalam pipa pada konveksi alami

Jumlah gaya tekan berdasarkan kesetimbangan momentum elemen fluida pada shell

adalah



9 rzx

Pr

2

Sedangkan jumlah gaya viskos adalah :

zrr

ur

gr c

2

Untuk aliran laminar dan gravitasi (body force) diberikan oleh

zrg

gr

c

2

Dengan mengaplikasikan hukum kedua Newton (laju perubahan momentum sebanding

dengan gaya yang ada), maka

),,(1

2

2

x

uufg

r

u

rr

uc

dimana pada sisi kanan persamaan diatas menunjukkan gaya inersia secara fungsional,

dan gradien tekanan dan gaya gravitasi dikombinasikan sebagai efek apung.

Memperkenalkan koefisien ekspansi termal, B, dan mengasumsikan bahwa = (t)

(valid untuk fluida incompressible), maka

),,(1

2

2

x

uufTTg

r

u

rr

uc

Untuk aliran laminar kita asumsikan profil kecepatan parabola, )/1( 22

1 Rrucu ,

dimana 2'

1 / Rrucr

u

dan 2'

12

2

/ Rucr

u

subsitusikan ke persamaan diatas maka

),(2

'

1 uftg

R

uc

Dengan menggabungkan propertis fluida dan kesetimbangan

energi yang berhubungan, dan mengatur hasilnya dalam bentuk fungsional tak

berdimensi, maka

D

L

k

CpTRghD ,,

2

32

atau

D

LGrNu Pr,,

dimana, Gr (Grashoff Number) adalah rasio gaya apung terhadap gaya viskos,dirumuskan

2

32

TRgGr

(1.20)

(1.21)

(1.22)

(1.23)



10 Untuk perpindahan panas konveksi bebas laminer pada pipa vertikal ditunjukkan oleh ,

4/3

Pr16exp1

32

Pr

DGr

L

L

DGrNu

properti fluida dievaluasi pada Tw , suhu dinding rata-rata , = 1/Tf , dimana Tf adalah

suhu bulk rata-rata fluida , dan T pada modulus Grashof dengan hubungan Tw – Tf.

Karena persamaan ini cukup sulit maka ditampilkan dalam bentuk grafik sebagai Nu vs

(Gr.Pr)(r/L).

1.2.6 Aliran Dalam Pipa Pada Konveksi Paksa

Pada konveksi paksa suatu fluida masuk ke dalam pipa/tabung yang dindingnya

juga mempunyai suhu tertentu yang dijaga konstan (wall temperature) dengan kecepatan

tertentu dan suhu tertentu (bulk temperature). Fluida dapat melaju dengan aliran laminar

maupun turbulen baik terkembang penuh atau tidak terkembang penuh. Suhu fluida akan

berubah seiring mengalir dalam pipa karena ada proses pertukaran kalor. Sehingga pada

saat keluar dari pipa/tabung suhu fluida akan berbeda dengan suhu awal.

Gambar 1.5 Ilustrasi aliran dalam pipa pada konveksi paksa dalam keadaan steady

Energi yang dibawa masuk oleh fluida melalui adalah :

TRCpuQx

2

Fluida yang keluar pada x + ∆x memindahkan energi sebesar :

2RxCpTudx

dCpTuQ

xx

Total kalor yang mengalir kedalam elemen dari dinding tube adalah :

y

TkxRThxRQ xw

22

Berdasarkan energi balance didapat hubungan

(1.23)

(1.24)

(1.25)

(1.26)



11 dT

TL

CpuRh T

2

dimana h adalah koefisien rata-rata dan integrasi sepanjang L, dari pipa. Dan analisis dari

persamaan diatas dengan memakai popertis fluida viskositas dan konduktivitas termal,

menjadi bentuk tak berdimensi adalah

T

dT

L

R

k

CpuR

k

RhT

4

222

Jadi dengan memakai analisis dimensi maka bentuk fungsi untuk konveksi paksa adalah:

D

L

k

CpuDf

k

hD,,

atau Nu = f ( Re,Pr,L/D), dimana Nu = hD/k , Nu adalah rasio panas konduksi dengan

panas konveksi atau gradien suhu, Re (Reynold number) adalah rasio antara gaya inersia

dan gaya viskos fluida, sedangkan Pr (Prandtl number) adalah rasio antara momentum

dan difusi termal.

Jadi berdasarkan formulasi diatas maka akan didapat ringkasan korelasi yang

mengevaluasi koefisien heat transfer pada fluida yang mengalir dalam tube pada setiap

jenis aliran:

Laminer

14.0

3/1]/Pr[Re86.1

w

LDNu

Properti fluida dievaluasi pada suhu bulk rata-rata; µw menunjukkan viskositas

fluida yang dievaluasi pada suhu dinding rata-rata

Transisi

14.0

3/18.0 PrRe023.0

w

Nu

Properti fluida dievaluasi pada suhu bulk rata-rata

Turbulen

14.0

3/18.0 PrRe026.0

w

Nu

Properti fluida dievaluasi pada kondisi yang sama seperti aliran Laminer

(1.27)

(1.28)

(1.29)

Re < 2100

Re.Pr.D/L > 10

Re > 2000

0.7 <Pr< 120

Re > 20000

0.6 <Pr< 100

L/D >10

:



12

Tabel 1.1 Hubungan empirispadaaliran di dalampipa

No Jenis Aliran Persamaan Empiris

1. Aliran turbulen yang sudah jadi atau

berkembang penuh dalam tabung licin

[Dittus dan Boelter] atau aliran turbulen

yang tidak berkembang sepenuhnya di

dalam tabung licin (Pr: 0.6-100) dan beda-

suhu moderat antara dinding dan fluida.

n

ddNu PrRe023.0 8.0

2. Aliran dengan berbagai variasi sifat (mis:

viskositas, suhu) [Sieder dan Tate]

14.0

3/18.0 PrRe027.0

w

ddNu

3. Aliran pada bagian pintu-masuk, di mana

aliran belum berkembang [Nusselt]

055.0

3/18.0 PrRe036.0

L

dNu dd

untuk 10 < d/L < 400

4. Aliran yang sepenuhnya turbulen dalam

tabung licin [Petukhov]

n

w

d

df

fNu

)1(Pr)8/(7.1207.1

PrRe)8/(3/22/1

n = 0.11 (Tw>Tb) dan n = 0.25 (Tw<Tb)

n = 0 untuk fluks-kalor tetap dan untuk

gas 2

10 )64.1Relog82.1( df

dengan rentang :

400105Re10

2000Pr200200Pr5.0

64

wbd

5. Aliran laminar yang berkembang penuh,

dalam tabung, pada T tetap [Hausen] 3/2PrRe)/(04.01

PrRe)/(0668.066.3

d

d

dLd

LdNu

6. Untuk perpindahan kalor aliran laminar

dalam tabung [Sieder dan Tate]

14.03/1

3/1Pr)(Re86.1

w

ddL

dNu



13 BAB II

PERCOBAAN

2.1 DESKRIPSI ALAT

Percobaan mengenai konveksi ini dilakukan dengan menggunakan alat perpindahan

kalor konveksi model 9054 yang dirancang oleh Scott.Gambar model alat perpindahan kalor

konveksi serta skematisasi perpipaan dan valve ditunjukkan oleh gambar 2.1 dan 2.2.

Gambar 2.1 Alat perpindahan kalor konveksi

model 9054

Gambar 2.2 Skematisasi perpipaan dan valve alat

perpindahan kalor konveksi model 9054

Alat perpindahan kalor konveksi model 9054 memiliki beberapa bagian penting yang

dideskripsikan sebagai berikut:

a. Constant head level tank

Bagian ini berupa tabung gelas (6’’OD x 55/8’’tinggi) yang terpasang pada plat

kuningan atas dan bawah. Pada plat bawah terhubung pipa-pipa water feed, weir over

flow drain, dan water inlet. Weir overflow drain dapat diatur secara vertikal pada range 3



14 3/16’’ yang diatur secara vertikal melalui packing gland yang terletak pada bagian tengah

pipa. Penunjuk nol pada skala kalibrasi menunjukkan syarat minimum untuk memulai

pengaliran air secara gravitasi melalui alat.

b. Test chamber-steam chest

Bagian ini berupa pipa gelas (5’’OD x 36’’ tinggi yang melingkupi kondensor

tembaga tipe L, 1/2’’ nominal (0,625’’OD x 0,04’’ tebal). Bagian pengujian terletak pada

pipa kondensor tembaga yang panjangnya 24’’, dikelilingi oleh silinder logam yang

berfungsi untuk mengeliminasi panas radiasi antara dinding pipa gelas dan pipa tembaga.

c. Condensate receiver

Bagian ini berupa beaker glass yang terletak di atas penyangga kayu. Kondensat

yang terbentuk akan bergerak ke bagian bawah pipa kondensor dan terkumpul pada dasar

pipa kondensor. Kondensat kemudian mengalir ke dalam condensate receiver.

d. Uap air/Steam

Steamdiumpankan ke steam chest pada kecepatan konstan dengan caramengatur

steam inlet valve, uap air dihasilkan dari Scott Phase Heat Boiler, Model 9058. Uap air

yang masuk dari bagian bawah dikeluarkan ke dalam steam chest melalui pipa U dan

potongan stainless steel. Packing material ini mendistribusikan uap yang naik dan

bertindak sebagai demister dengan memindahkan kondensat dari uap yang masuk.

Termometer dan penunjuk tekanan terpasang pada pipa steam inlet. Stopcock vent (pipa

pembebas tekanan) dan liquid seal terletak pada bagian atas steam chest. Hal ini

memungkinkan steam chest untuk dioperasikan pada batas jelajah dari tekanan atmosfer

(stopcock vent terbuka) sampai sekitar 10’’ tekanan air.

e. Perpipaan, valve, dan drain

Sistem ini secara detail ditunjukkan oleh gambar 2.1. Pipa-pipa water inlet dan

steam inletmempunyaimetering valveyang berfungsi untuk mengontrol aliran-aliran fluida

tersebut. Seluruh pipa-pipa mempunyai hubungan dengan drain pada lokasi-lokasi yang

memudahkan operasi. Di samping itu, pipa-pipa water feed dan water discharge

mempunyai drain yang sama untuk memudahkan recycle air ke pipa water feed. Dasar

dari steam chest juga mempunyai condensate drain.



15 2.2 PETUNJUK PENGOPERASIAN ALAT

2.2.1 Hubungan-Hubungan Proses

1. Menghubungkan pipa steam inletke peralatan melalui suatu tee seperti

ditunjukkan pada gambar 2.3.

Gambar 2.3

Kondensat terkumpul dalam pipa drain di bawah tee dan bisa dipindahkan

secara periodik dari sistem melalui discharge valve. Bila pipa sumber uap air

dihubungkan langsung ke sistem melalui kopling yang ada, kondensat akan

mengumpul dalam pipa yang akan menyebabkan fluktuasi tekanan dan

pengaliran sebagian kondensat ke dalam steam chest, yang merupakan

keadaan yang tidak diinginkan.

2. Menghubungkan pipa sumber air ke pipa water feed melalui selang air yang

lemas.

3. Menghubungkan pipa-pipa water overflow discharge dan condensate

discharge ke got pembuangan di lantai laboratorium. Selang yang lemas

diperlukan untuk memadai tujuan ini.

2.2.2 Aliran Air (Water)

1. Valve

- Menutup water matering valve W-1 dan water discharge bypass valve W-

4.

- Membuka penuh weir overflow valve W-2 dan water discharge valve W-3.

- Menutup stopcock S-1 dan S-2.



16 2. Mengatur ketinggian weir overflowcup di constant head feed tank dengan

menggerakkan pointer ke titik setting pada skala kalibrasi.

3. Membuka W-1 dan membiarkan constant head feed tank terisi dengan cepat.

Mengatur metering valve ketika ketinggian air naik mendekati titik overflow

sedemikian sehingga terdapat cukup input untuk mempertahankan suatu head

yang konstan.

2.2.3 Aliran Uap Air (Steam)

1. Mengisi sealpot pada steam chest dengan air melalui pipa kapiler plastik

sehingga air terlihat overflow ke dalam chest.

2. Valve-valve (steam metering valve V-1 tertutup)

- Membuka stopcock vent S-4

- Menetapkan three-way stopcock S-3 dalam posisi terbuka A-C (B tertutup)

untuk mengeluarkan kondensat dari steam chest yang terbentuk selama

pemanasan.

- Menutup drain valve V-2.

3. Memulai pengaliran uap air dari sumbernya dan ketika pressure gauge P-1

menunjukkan suatu tekanan, V-1 dibuka perlahan-lahan untuk mengalirkan

uap air ke dalam steam chest. Mengatur V-1 dan valve sumber uap air

sedemikian sehingga P-2 tidak melebihi sekitar 20-30 psig. Dengan S-3 dan S-

4 dalam keadaan terbuka, steam chest seharusnya tetap pada tekanan atmosfer.

4. Selama periode pemanasan ini, kondensat yang terbentuk pada dinding gelas

steam chestakan mengganggu penglihatan ke bagian dalam test chamber.

Setelah sekitar 10-15 menit pemanasan, setelah sistem mendekati keadaan

mantap (steady state), dinding gelas mulai terlihat terang dan test chamber

mulai terlihat kembali.

5. Selama periode ini kalau uap air muncul pada pipa discharge dari S-3, maka

valve ini diatur sampai B-C terbuka (A tertutup). Valve V-2 dibuka sebentar-

sebentar dan kondensat yang terkumpul di sana dibuang.

2.2.4 Pengaturan Tekanan pada Steam Chest

1. Menutupstopcock vent S-4, posisi A pada S-3 seharusnya tertutup.

2. Menambah aliran uap air ke sistem dengan membuka V-1 perlahan-lahan.



17 3. Mengamati kenaikan ketinggian cairan pada pipa kapiler yang memanjang

dari seal pot. Mengatur V-1 sampai ketinggian cairan yang diinginkan

tercapai.

4. Jika ketinggian cairan berisolasi sampai lebih kurang ½ inch, kondensat yang

terakumulasi dari V-2 dan kondensat discharge valve dibuang. Memonitor

temperatur sisi uap air hingga tidak berubah dengan waktu (steady state).

2.2.5 Pengumpulan Kondensat

1. Membuka hati-hati vent S-4 pada steam chest.

2. Menutup valve pada sumber uap air dan membiarkan tekanan pada pipa steam

feed berkurang hingga 0.

3. Membuka drain valve S-3 (A-B-C terbuka) dan V-2.

4. Menutup water feed valve pada sumber air dan matering valve W-1.

5. Membuka stopcock S-1 dan S-2 untuk membuang air dari sistem.

6. Membuka W-4 untuk membuang air dari pipa bypass. W-3 terbuka selama

operasi.

7. Membuka V-1 dan condensate discharge valve (lihat gambar).

8. Sistem sekarang seharusnya dalam keadaan terbuka dan air dari sistem

terbuang semuanya.

2.2.6 Safety

Dalam mengoperasikan alat-alat Scott, segi keamanan yang harus diperhatikan

adalah:

1. Tidak diperbolehkan bekerja sendiri dalam menangani alat.

2. Menghubungkan steam inlet dan water inlet ke utilitas bertekanan rendah. Alat

Scott telah diuji secara hidrostatik pada 60 psig dan 300oF, dan tekanan kerja

yang diperbolehkan tidak boleh melebihi 35 psig baik pada uap air maupun

air.

3. Sebelum mengoperasikan alat, mengenali alat dulu: telusuri seluruh pipa-pipa,

ujilah seluruh valve, tetapkan drain valve dalam keadaan terbuka dan proses

input valve dalam keadaan tertutup.

4. Ketika pertama mengeluarkan uap air ke sistem, membuka metering valve

hati-hati dan memeriksa apakah terdapat kebocoran.



18 5. Memastikan bahwa steam chest terventilasi (stopcock vent terbuka) dan

memeriksa seal pot untuk meyakinkan bahwa bagian itu tidak buntu sebelum

menutup stopcock vent setelah uap air terdapat di dalam steam chest.

6. Harus disadari bahwa steam mengalir dalam pipa cepat sekali dan memanasi

pipa dengan cepat pula. Ketika mengatur aliran uap air sebaiknya meletakkan

kain di atas valve wheel sebelum tangan menyentuhnya.

7. Terakhir, menjaga kebersihan laboratorium.

2.3 PROSEDUR PERCOBAAN

2.3.1 Kalibrasi Sistem Water Feed

1. Mengatur bukaan valveW-1 pada 0.125 putaran.

2. Menghitung volume air yang keluar melalui pipa keluaran konveksi selama 5

detik.

3. Melakukan langkah (2) untuk keluaran air dari pipa keluaran konveksi selama

10 dan 15 detik.

4. Mengulangi langkah (1) sampai (3) untuk variasi bukaan valve sebesar 0.25,

0.5, dan 1 putaran.

2.3.2 Konveksi Alamiah

1. Membuka valve W-1 sebanyak 0.25 putaran supayafeed tank dipenuhi air dan

level ketinggian air berada di atas weir.

2. Mengatur posisi weir setting pada level 1.

3. Mengalirkan steam dengancara membuka valve V-1.

4. Mengatur bukaan valve W-2 sampai aliran air tepat akan keluar dari saluran

konveksi menuju ke corong.

5. Menjalankan proses konveksi alamiah selama 3 menit.

6. Setelah 3 menit, mengukursuhu air masukan, suhu steam masukan, suhu

kondensat, suhuair keluaran selang, suhu air keluaran tube, danvolume

kondensat.

7. Mengulang langkah (2) sampai (6) untuk variasi posisi weir settingpada level

0.75, 0.5, dan 0.



19 2.3.3 Konveksi Paksa

1. Menutup valve W-2 supaya air keluaran pipa konveksi mengalir menuju ke

corong.

2. Mengatur bukaan valve W-1 pada 0.125 putaran.

3. Mengalirkan steam dengan cara membuka valve V-1.

4. Menjalankan proses konveksi paksa selama 3 menit.

5. Setelah 3 menit, mengukursuhu air masukan, suhu steam masukan, suhu

kondensat, suhuair keluaran selang, suhu air keluaran tube, danvolume

kondensat.

6. Mengulang langkah (2) sampai (6) untuk variasi bukaan valve W-1sebesar

0.25, 0.5, dan 0.75 putaran.

2.4 DATA HASIL PERCOBAAN


Bukaan

valve Waktu (s)

Volume

(mL)

0.125

5 73

10 156

15 330

0.25

5 340

10 590

15 745

0.5

5 520

10 720

15 1120

1

5 710

10 1440

15 2000


Bukaan

valve Weir

Masukan Keluaran

Tair (oC)

(T1)

Tsteam (oC)

(T2)

Tselang (oC)

(T3)

Tkondensat

(oC)

(T4)

Ttube (oC)

(T5)

Volume

kondensat

(mL)

0.50

0.25 31 86 33 42 54 2

0.5 31 82 35 84 51 56

0.75 31 79 33 39 44 24



20 1 31 76 33 36 53 32

Keterangan: Percobaan dilakukan dengan waktu pemanasan steam selama 3 menit

2.4.3 Konveksi Paksa

Weir Bukaan

valve

Masukan Keluaran

Tair (oC)

(T1)

Tsteam (oC)

(T2)

Tselang (oC)

(T3)

Tkondensat

(oC)

(T4)

Ttube (oC)

(T5)

Volume

kondensat

(mL)

0

0.125 31 81 46 59 43 52

0.250 31 86 39 66 39 128

0.500 31 81 33 59 39 99

0.750 31 70 38 45 35 30

Keterangan: Percobaan dilakukan dengan waktu pemanasan steam selama 3 menit



21 BAB III

PENGOLAHAN DATA

3.1 KALIBRASI SISTEM WATER FEED

Dari data yang diperoleh, pada setiap bukaan valve dilakukan perata-rataan untuk

mendapatkan volume rata-rata dan waktu rata-rata. Maka, debit dari setiap bukaan valve

didapatkan dengan menggunakan persamaan berikut:

Bukaan

valve

Volume

(m3)

Waktu

(s)

Vavg

(m3)

tavg (s) Q (m3/s)

0.125

0.000073 5

0.000186 10 0.0000186 0.000156 10

0.00033 15

0.25

0.00034 5

0.000558 10 0.0000558 0.00059 10

0.000745 15

0.5

0.00052 5

0.000787 10 0.0000787 0.00072 10

0.00112 15

1

0.00071 5

0.001383 10 0.0001383 0.00144 10

0.002 15

Dari perhitungan, didapatkan debit pada setiap bukaan valve. Debit tersebut

kemudiaan dirata-rata untuk mendapatkan debit dari sistem water feed. Debit rata-rata

adalah:

Berikut ini menunjukkan grafik yang menghubungkan antara volume air dan debit

air yang mengalir untuk tiap bukaan valve tertentu.



22

Grafik 3.1 Hubungan antara volume dengan bukaan valve

Grafik 2.Hubungan antara debit dengan bukaan valve

3.2 KONVEKSI ALAMIAH

Pada percobaan ini digunakan bilangan Nusselt untuk mengamati koefisien

perpindahan panas konveksi.Bilangan Nusslet dinyatakan oleh rumus berikut.

k

hDNu

R² = 0.9689

0

0.0002

0.0004

0.0006

0.0008

0.001

0.0012

0.0014

0.0016

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

volu

me

(m

3)

Bukaan Valve

Volume vs Bukaan Valve

R² = 0.9689

0

0.00002

0.00004

0.00006

0.00008

0.0001

0.00012

0.00014

0.00016

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

de

bit

(m

3/s

)

Bukaan Valve

Debit vs Bukaan Valve



23

dimana:

Q : debit sistem (hasil perhitungan pada percobaan pertama)

k : konduktivitas termal pada temperatur limbak

cp : kapasitas kalor pada temperatur limbak

L : panjang pipa (berdasarkan literatur 36 inch)

Untuk menghitung bilangan Nusselt, dibutuhkan beberapa tahapan, yaitu:

1. Menentukan temperatur film (Tf)

2

fifo

f

TTT

dimana:

Tf0 : temperatur masukan air (T1)

Tft : temperatur keluaran selang (T3)

2. Menentukan Tw

2

wiwow

TTT

dimana:

Tw0 : temperatur masukan steam (T2)

Twt : temperatur masukan kondensat (T4)

3. Menentukan temperatur limbak

2

fw

bulk

TTT

4. Menentukan nilai k, ρ, μ, dan cp pada temperatur limbak dengan cara membaca

Appendix A-9 di buku “Heat Transfer, 10th

Edition” karangan J.P. Holman.

Berikut ini merupakan tabel yang menunjukkan hasil perhitungan tahap 1 sampai

3 dari langkah-langkah di atas:

Valve Weir Tf Tw Tbulk Q

0.5 0.25 32 64 48 7.28667E-05



24 0.5 33 83 58 7.28667E-05

0.75 32 59 45.5 7.28667E-05

1 32 56 44 7.28667E-05

Dari hasil perhitungan, didapatkan hasil interpolasi data data untuk properties air

pada suhu bulk dari Appendix A-9 sebagai berikut:

Tbulk

(oC)

μ (kg/m s) k (W/m

oC)

cp (J/kg oC)

ρ (kg/m3)

48 0.000571 0.643 4174 989.1

58 0.000571 0.652 4179 984.2

45.5 0.000571 0.640 4174 989.9

44 0.000571 0.638 4174 990.4

Mengikuti langkah 1 sampai 3 yang telah dijabarkan di atas pun diperoleh nilai

bilangan Nusselt untuk setiap variasi ketinggian weir, yaitu:

Valve Weir Nu

0.5

0.25 0.010346164

0.5 0.013075931

0.75 0.012319599

1 0.013902996

Berikut ini menunjukkan grafik yang menghubungkan antara besaran bilangan

Nusselt untuk tiap ketinggian weir tertentu.



25

Grafik 3.3Hubungan antara bilangan Nusselt dengan Weir pada konveksi bebas

Secara literatur, bilangan nusselt untuk konveksi bebas merupakan fungsi dari

bilangan Rayleigh dan bilangan Prandlt. Pemilihan persamaan bilangan Nusselt

bergantung pada nilai bilangan Rayleigh.

dimana:

∆T = (Tw - Tf)

Pada kondisi konveksi alamiah pada silinder vertikal dapat disederhanakan

menjadi plat vertikal apabila memenuhi syarat berikut.

41

35

GrL

D

dimana: L = 36 inch (berdasarkan literatur)

D = 5 inch (berdasarkan literatur)

Dari perhitungan, didapatkan bahwa kondisi tersebut tidak terpenuhi oleh sistem.

Maka, perhitungan tidak dapat disederhanakan. Pada percobaan ini, 10-1

< Ra < 1012

sehingga dapat digunakan persamaan konveksi bebas pada silinder vertikal:

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Nu

Weir

Nu vs Weir



26 = 0,825 + 27/816/9

6/1

]Pr)/492,0(1[

387,0

Ra

Kesalahan literatur adalah sebagai berikut.

3.3 KONVEKSI PAKSA

Perhitungan bilangan Nusselt untuk data percobaan konveksi paksa memiliki cara

yang sama dengan perhitungan pada percobaan konveksi bebas. Berikut ini merupakan

tabel yang menunjukkan hasil perhitungan tahap 1 sampai 3 dari langkah-langkah di atas:

Weir Valve Tf (oC) Tw (

oC) Tbulk (

oC) Q (m

3/s) Tbulk (K)

0

0.125 39 70 54.25 0.000072

9 327.25

0.25 35 76 55.5 0.000072

9 328.5

0.5 32 70 51 0.000072

9 324

0.75 35 58 46 0.000072

9 319

Dari hasil perhitungan, didapatkan hasil interpolasi data untuk properties air pada

suhu bulk dari Appendix A-9 sebagai berikut:

Tbulk (oC) ρ (kg/m

3) μ (kg/m s) k (W/m

oC)

cp

(kJ/kg.oC)

54.25 985.8 0.000515 0.649 4179

55.5 985.2 0.000505 0.65 4179

51 987.6 0.000543 0.646 4176

Valve Weir Gr Pr Ra Nulit

0.5

0.25 64604730603 3.707 2.39E+11 28.90619533

0.5 96918504017 3.660 3.55E+11 30.79102291

0.75 54598454627 3.724 2.03E+11 28.15600658

1 48580999184 3.736 1.81E+11 27.64660606



27 46 989.7 0.00059 0.64 4174

Mengikuti langkah 1 sampai 3 yang telah dijabarkan di atas pun diperoleh nilai

bilangan Nusselt untuk setiap variasi ketinggian weir, yaitu:

Weir Valve Nu

0

0.125 0.078192706

0.25 0.031990646

0.5 0.008676254

0.75 0.050617482

Berikut ini menunjukkan grafik yang menghubungkan antara besaran bilangan

Nusselt untuk tiap ketinggian weir tertentu.

Grafik3.4Hubungan antara bilangan Nusselt dengan bukaan valve pada konveksi paksa

Pada konveksi paksa, rataan bilangan Nusselt merupakan fungsi dari bilangan

Reynolds dan bilangan Prandlt.Pemilihan persamaan untuk data literatur ditinjau dari

nilai bilangan Reynolds (aliran laminar atau aliran turbulen).

dimana:

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Nu

Weir

Nu vs Bukaan Valve



28 V : kecepatan fluida (

L : panjang karakteristik (diameter pipa)

v : kinematik viskositas pada temperatur limbak

Dari hasil perhitungan Re, diperoleh bahwa aliran pada sistem tersebut merupakan

aliran laminar dengan 40 < Re < 40.000.Maka, untuk kondisi tersebut dapat digunakan

persamaan berikut.

Weir Valve Tbulk(K) Re Pr Nulit

0

0.125 327.25 251.5549572 3.316155624 13.38630123

0.25 328.5 249.7948848 3.246761538 13.2488474

0.5 324 256.1362561 3.510167183 8.049211234

0.75 319 263.4045948 3.84790625 8.158720765

Kesalahan literatur sebagai berikut.

Selain bilangan Nusselt, pada percobaan ini juga akan dibandingkan nilai dari

konstanta persamaan pada konveksi paksa. Pada konveksi paksa aliran laminar, berlaku

persamaan umum sebagai berikut.

Kemudian persamaan tersebut dapat diubah menjadi persamaan logaritma.

Weir Valve Nu Re Pr log Nu log Re log Pr

0

0.125 0.078192706 0.385812563 3.31615562 -1.10683387 -0.41362 0.520635

0.25 0.031990646 0.943017169 3.24676154 -1.49497698 -0.02548 0.51145

0.5 0.008676254 3.477045498 3.51016718 -2.65911317 0.501834 -0.15304

0.75 0.050617482 0.59599425 3.84790625 -1.89119715 -0.26608 -0.15243



29 Dengan mensubstitusikan nilai-nilai ke dalam persamaan logaritma, maka

didapatkan 4 buah persamaan.Keempat persamaan tersebut kemudian dilakukan eliminasi

dan substitusi untuk mendapatkan nilai dari a,b, dan c.

Kesalahan relatif dari nilai-nilai konstanta pada persamaan konveksi paksa aliran

laminar dengan 40 < Re < 40.000 ialah.



30 BAB IV

ANALISIS

4.1 ANALISIS PERCOBAAN

4.1.1 Kalibrasi SistemWater Feed

Percobaan pertama, yaitu kalibrasi water feed, bertujuan untuk melakukan

kalibrasi terhadap laju alir air masuk pada bukaan valve tertentu. Laju aliran air

divariasikan dengan cara mengatur besar bukaan valveW-1. Variasi bukaan valve W-1

adalah sebesar 0.125, 0.25, 0.5, dan 1 putaran. Air yang keluar melalui valveW-1 pada

setiap variasi bukaan itu kemudian ditampung dan diukur volumenya setiap 5, 10, dan 15

detik.

Untuk setiap variasi bukaan valveW-1 akan diperoleh tiga pasangan data volume

air yang keluar terhadap lama waktu pengukuran. Dari data-data itu dapat dicari laju alir

air yang keluar dari valve untuk tiap variasi waktu pada bukaan valveW-1 tertentu.Ketiga

nilai laju alir air untuk suatu bukaan valveW-1 kemudian dirata-rata, sehingga praktikan

mendapatkan laju alir air rata-rata yang keluar untuk suatu bukaan valve W-1 tertentu.

Percobaan pertama ini penting untuk dilakukan mengingat laju alir air dari sumber

air dapat berubah. Laju alir air hasil kalibrasi sistem water feed kemudian akan digunakan

untuk menghitung laju konveksi alamiah dan konveksi paksa pada kedua percobaan

selanjutnya.


Percobaan kedua, yaitu konveksi alamiah, bertujuan untuk mengumpulkan dan

menganalisa data perpindahan kalor konveksi alamiah.Dalam percobaan ini variasi

bukaan dilakukan pada posisi weir, dimana weir diatur untuk ketinggian 0.25, 0.5, 0.75,

dan 1.Aliran air yang masuk ke dalam sistem dibuat tetap, yaitu dengan membuka

valveW-1 sebesar 0.5 putaran. Proses pemanasan air oleh steam dilakukan selama tiga

menit. Setelah tiga menit, aliran steam dimatikan dan praktikan mencatat data yang

dibutuhkan.Data-data itu adalah volume dan suhu kondensat (T4), suhu air dan steam

masukan (T1 dan T2), serta suhu air yang keluar dari selang dan tube (T3 dan T5).

Pertama-tama valve W-1 dibuka sebanyak 0.25 putaran, sehingga air akan masuk

ke dalam feed tank dan ketinggian air berada di atas ketinggian weir. Jika ketinggian air



31 berada di bawah weir, maka air tidak akan bisa mengalir ke dalam pipa dimana konveksi

terjadi. Kemudian valveW-1 dibuka sebesar 0.5 putaran.

Valve W-2 kemudian harus diatur supaya aliran air yang menuju corong akan

tepat keluar dari saluran pipa konveksi. Besarnya bukaan untuk valve W-2 akan berbeda-

beda tergantung pada variasi ketinggian weir. Dengan mengatur bukaan valve W-2 agar

air pada pipa konveksi yang menuju corong bisa tepat akan keluar menyebabkan

ketinggian air pada pipa 3 sama dengan ketinggian air pada feedtankuntuk setiap

ketinggian weir yang telah ditetapkan. Oleh karena itu, saat bukaanvalve W-2 dimana air

di pipa konveksi akan tepat keluarmerupakan kondisi steady-state.

Indikator terjadinya kondisi steady-state adalah bertambah panasnya air masukan,

sehingga tekanan pada pipa konveksi keluaran chamber testakan bertambah dan

tekanannya sama dengan tekanan di feed tank. Karena tekanan di pipa keluaran chamber

testsama dengan tekanan di feed tank maka air tidak dapat keluar dari pipa konveksi. Air

yang masuk melalui pipa 3 ke chamber testakan masuk ke bagian tubedan suhunya

merupakan T1.Steam yang masuk ke chamber testakan masuk ke bagian shelldan

suhunyamerupakan T2.

Peristiwa konveksi alamiah akan terjadi di dalam chamber test. Air yang dibuat

tidak mengalir melalui pengaturan bukaan valve W-2 menyebabkan terjadinya konveksi

alamiah, bukan konveksi karena adanya aliran fluida yang sengaja dibuat.Di dalam

chamber test terjadi proses pertularan kalor antara steam pada shelldengan air pada tube.

Kalor berpindah dari steam ke air karena adanya pergerakan fluida antara steam dan

air.Walaupun secara makroskopik air dibuat tidak mengalir, sebenarnya tetap ada

pergerakan molekul air yang terjadi secara mikroskopik. Karena ada pertukaran kalor

tersebut, maka akan terjadi perubahan suhu pada kedua fluida. Steam yang mengalami

penurunan suhu karena melepaskan kalor akan mengalami kenaikan densitas, sedangkan

air yang mengalami kenaikan suhu karena menerima kalor akan mengalami penurunan

densitas. Penurunan densitas air ini akan menyebabkan gaya apung, sehingga terjadi

pergerakan molekul air secara mikroskopis dari bawah ke atas. Gaya apung terjadi karena

adanya gravitasi yang dialami oleh fluida.

Proses pemanasan air oleh steamakan menyebabkan peningkatan suhu air,

sehingga air keluaran chamber test akan diukur sebagai T3. Proses penurunan suhu steam

akan menyebabkan terjadinya kondensasi pada steam, sehingga kondensat keluaran

chamber test akan diukur sebagai T4 dan volume konedensat yang keluar akan diukur

sebagai V.



32 Dalam variasi ketinggian weir setting, variabel bebasnya adalah weir.Semakin

rendah posisiweirdi dalam feed tank,maka laju alir air masukanakan semakin besar. Hal

ini dikarenakan pengaruh tekanan pada feed tank, dimana semakin rendah posisiweirakan

meningkatkan tekanan pada pipa 3, sehingga laju alir air akan semakin besar pula. Laju

alir air ini akan mempengaruhi proses perpindahan kalor antara steam dengan air.

Semakin tinggi laju alir air, maka gradien suhu antara steam dan air juga akan semakin

besar.


Percobaan ketiga, yaitu konveksi paksa, bertujuan untuk mengumpulkan dan

menganalisa data perpindahan kalor konveksi paksa.Dalam percobaan ini variasi

dilakukan pada laju alir air masukan dengan cara mengatur bukaan valve W-1, dimana

valve diatur untuk bukaan sebesar 0.125, 0.25, 0.5, dan 0.75 putaran. Posisi weir di dalam

feed tank dibuat tetap, yaitu ketinggian weir pada 0. Proses pemanasan air oleh steam

dilakukan selama tiga menit. Setelah tiga menit, aliran steam dimatikan dan praktikan

mencatat data yang dibutuhkan.Data-data itu adalah volume dan suhu kondensat (T4),

suhu air dan steam masukan (T1 dan T2), serta suhu air yang keluar dari selang dan tube

(T3 dan T5).

Dalam percobaan ini, valve W-2 ditutup, sehingga air masukan akan mengalir

melalui pipa 3 menuju ke chamber test dan kemudian keluar menuju corong. Adanya

aliran pada pipa 3 yang menuju chamber test inilah yang membedakan percobaan

konveksi paksa dengan konveksi alamiah. Laju alir air masukan divariasikan dengan cara

mengatur bukaan valve W-1.

Steam yang digunakan dalam percobaan akan masuk melalui valve V-1 menuju ke

shell. Air akan dialirkan secara paksa menuju chamber test dan masuk ke dalam tube.

Dengan demikian, air dipaksa untuk menerima kalor yang dilepaskan oleh aliran steam.

Karena ada pertukaran kalor tersebut, maka akan terjadi perubahan suhu pada

kedua fluida. Steam yang mengalami penurunan suhu karena melepaskan kalor akan

mengalami kenaikan densitas, sedangkan air yang mengalami kenaikan suhu karena

menerima kalor akan mengalami penurunan densitas. Gerakan molekul air di dalam tube

juga memaksa terjadinya perpindahan kalor.

Jika bukaan valve W-1 diperbesar, maka laju alir air masukan juga akan

bertambah besar, sehingga gradien suhu antara steam dan air semakin besar. Kondensat

yang terbentuk pun akan bertambah. Selain itu, semakin besarnya laju alir air akan



33 meningkatkan bilangan Reynolds, dimana dalam kondisi turbulen perpindahan kalor akan

menjadi lebih cepat.

4.2 ANALISIS DATA DAN PERHITUNGAN


Pada kalibrasi sistem pengumpanan air, dilakukan pengukuran volume masing-

masing bukaan 0.125, 0.25, 0.5, dan 1 dengan waktu 3 variasi waktu yaitu 5, 10, dan 15

sekon. Dengan 3 variasi waktu tersebut akan diperoleh volume rata-rata untukmasing-

masing bukaan. Volume rata-rata yang didapat untuk masing-masing bukaan 0.125, 0.25,

0.5, dan 1 adalah 0.000186 m3, 0.000558 m3, 0.000787 m

3, dan 0.001383 m

3.

Dapat ditarik kesimpulan bahwa dari data yang ada diperoleh, semakin besar

bukaan valve maka semakin besar pula volume yang dihasilkan. Selanjutnya dari volume

rata-rata tersebut ditentukan debitnya dengan menggunakan persamaan :

t

VQ

Debit rata-rata yang didapat untuk masing-masing bukaan adalah sebagai berikut :

Bukaan Valve Debit (m3/s)

0.125 0.00186

0.250 0.00558

0.500 0.00787

1.000 0.01383

Hasil di atas menunjukkan bahwa semakin besar bukaan valve maka volume yang

dihasilkan juga semakin besar. Dari persamaan laju alir (debit), yaitu Q = V/t, dapat

ditarik kesimpulan data yang praktikan peroleh sejalan dengan teori yang berlaku.

.


Dalam percobaan konveksi bebas ini dilakukan dua perhitungan yaitu mencari

Bilangan Nusslet dengan menggunakan data-data dari hasil percobaan dan mencari

Bilangan Nusslet literatur. Nusselt (Nu) yang merupakan intepretasi dari nilai koefisien

konveksi (h). Nilai Nu percobaan yang dipengaruhi oleh jumlah air, suhu fluida, suhu

steam, dan kondisi-kondisi percobaan, akan dibandingkan dengan Nu literatur yang

menggunakan persamaan teoritis dimana propertis dihitung pada T bulk, sehingga dapat

diketahui berapa besar kesalahan yang telah dilakukan dalam percobaan.



34 Bilangan Nusslet diperoleh dengan menggunakan persamaan :

Sedangkan Bilangan Nusslet literatur diperoleh dengan menggunakan persamaan :

= 0,825 + 27/816/9

6/1

]Pr)/492,0(1[

387,0

Ra

Laju alir fluida pembawa kalor mempengaruhi perpidnahan kalor. Laju yang

tinggi akan menyebabkan gradien suhu yang besar pula. Jadi gradien suhu pada dinding

bergantung pada medan aliran. Perpindahan konveksi bergantung pada viskositas fluida

disamping ketergantungannya terhadap sifat-sifat termal fluida lainnya seperti

konduktifitas termal, kalor spesifik, dll.

Pada data percobaan konveksi bebas didapatkan nilai suhu aliran steam dan suhu

aliran air, dimana Tw > Tf. Adanya perbedaan suhu menyebabkan terjadinya perpindahan

panas, dari suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah dengan tujuan mencapai

kesetimbangan. Selain suhu aliran steam dan suhu aliran air,padapercobaan ini digunakan

pula suhu limbak. Suhu limbak atau suhu ruah (bulk temperature atau Tb) dapat

didefinisikan sebagai suhu fluida yang dirata-ratakan energinya di seluruh penampang

tabung. Suhu ruah secara matematis dinyatakan dengan:

Suhu ruah akan menunjukkan keseluruhan energi yang mengalir pada suatu posisi

tertentu. Oleh sebab itu, suhu ruah sering disebut suhu “mangkuk pencampur” (mixing

cup temperature) karena suhu yang akan dicapai fluida itu kalau ditempatkan di dalam

ruang pencampur dan dibiarkan akan mencapai keseimbangan. Perlu menjadi catatan

bahwa jika mengatakan suatu fluida memasuki tabung pada suatu suhu, maka suhu ruah-

lah yang dimaksud. Suhu ruah ini digunakan dalam neraca energi menyeluruh sistem.

Besaran-besaran lain seperti koefisien perpindahan kalor (k), densitas (ρ),

kapasitas kalor (cp), viskositas (μ) dan sebagainya dapat ditentukan dengan cara membaca


Edition” karangan J.P. Holman. Dengan

diketahuinya nilai suhu aliran steam, suhu aliran air, suhu limbak, koefisien perpindahan

2

fw

bulk

TTT



35 kalor (k), densitas (ρ), kapasitas kalor (cp), serta viskositas (μ) dapat diperoleh nilai dari

Bilangan Nusslet. Nilai Bilangan Nusslet rata-rata yang diperoleh adalah 0.012

Selanjutnya dilakukan perhitungan Bilangan Nusslet literature. Perhitungan ini

membutuhkan nilai untuk bilangan-bilangan tak berdimensi Prandlt dan Grashoft.

Bilangan Grashoft, merupakan perbandingan antara gaya apung dengan gaya

viscous dalam aliran fluida konveksi bebas, yang mempunyai peranan yang sama seperti

bilangan Reynolds (Re) pada konveksi paksa.

dimana, g = gaya gravitasi (m/s2), β = koefisien volume ekspansi (1/K), D = diameter (m),

v = viskositas fluida (m2/s).

Bilangan Prandtl, adalah perbandingan antara viskositas kinematik dengan

difusivitas panas.

dimana, μ = viskositas fluida (Ns/m2), k = konduktivitas panas fluida (W/mK).

Dengan diperolehnya nilai Bilangan Grashoft Bilangan Prandtl maka dapat

diperoleh nilai Bilangan Nusslet Literatur yaitu sebesar 28.875. Selanjutnya kedua nilai

Bilangan Nusslet dibandingkan sehingga dapat diketahui berapa besar kesalahan yang

telah dilakukan dalam percobaan.


Dalam percobaan konveksi paksa ini selain dilakukan perhitungan mencari

Bilangan Nusslet dengan menggunakan data-data dari hasil percobaan dan mencari

Bilangan Nusslet literatur, dilakukan pula perhitungan mencari nilai dari konstanta

persamaan pada konveksi paksa. perhitungan mencari Bilangan Nusslet dengan

menggunakan data-data dari hasil percobaan pada konveksi paksa sama dengan pada

konveksi bebas, yaitu dengan menggunakan persamaan :



36 Bilangan Nusslet literatur untuk konveksi paksa ditinjau dari nilai bilangan

Reynolds (aliran laminar atau aliran turbulen). Bilangan Reynold ini dipengaruhi oleh

nilai massa jenis dan viskositas fluida yang dipengaruhi suhu bulk. Dari hasil perhitungan

Re, diperoleh bahwa aliran pada sistem tersebut merupakan aliran laminar dengan 40 <

Re < 40.000.Maka, untuk kondisi tersebut dapat digunakan persamaan :

Bilangan Prandtl yang merupakan nilai perpindahan kalor dari pipa ke fluida

dipengaruhi nilai kapasitas kalor jenis zat alir (Cp), viskositas zat alir (μ), serta

konduktivitas termal (k). Demikian juga dengan bilangan Nusselt yang nilainya

dipengaruhi nilai h.

Berdasarkan data yang diperoleh, Tw selalu lebih tinggi daripada Tf. Karena pada

aliran fluida dalam pipa akan terbentuk thermal boundary yang menyebabkan terjadinya

gradien temperatur, kita membutuhkan temperatur rata-rata yang disebut dengan bulk

temperature atau suhu limbak. Suhu limbak merupakan suhu yang menggambarkan total

energi dari aliran pada posisi tertentu. Nilaisuhu ini diperoleh dengan menggunakan

persamaan :

Besaran-besaran lain seperti koefisien perpindahan kalor (k), densitas (ρ),

kapasitas kalor (cp), viskositas (μ) dan sebagainya dapat ditentukan dengan cara membaca


Edition” karangan J.P. Holman. Dengan

diketahuinya nilai suhu aliran steam, suhu aliran air, suhu limbak, koefisien perpindahan

kalor (k), densitas (ρ), kapasitas kalor (cp), serta viskositas (μ) dapat diperoleh nilai dari

Bilangan Nusslet yaitu 0,043

Karena temperatur bulk yang kita peroleh berbeda-beda, maka nilai properti dari

air juga akan berbeda-beda juga. Bilangan Re dapat diekspresikan dengan:

dimana:

V : kecepatan fluida (V=Q/A)

L : panjang karakteristik (diameter pipa)

v : kinematik viskositas pada temperatur limbak

2

fw

bulk

TTT



37 Sedangkan Bilangan Prandtl dapat dihitung dengan persamaan

Sehingga diperoleh nilai Bilangan Nusslet literatur yaitu sebesar 10,71.

Selanjutnya dilakukan perhitungan nilai dari konstanta persamaan pada konveksi paksa.

Pada konveksi paksa aliran laminar, berlaku persamaan umum sebagai berikut.

Kemudian persamaan tersebut dapat diubah menjadi persamaan logaritma.

Dengan mensubstitusikan nilai BilanganNusselt, Bilangan Renault dan Bilangan

Prandtl yang telah diperoleh, maka nilai-nilai konstanta persamaan pada konveksi paksa

dapat diperoleh yaitu :

4.3 ANALISIS GRAFIK


Untuk percobaan kalibrasi sistem water feed diperoleh 2 grafik yaitu :

R² = 0.9689

0

0.0002

0.0004

0.0006

0.0008

0.001

0.0012

0.0014

0.0016

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

volu

me

(m

3)

Bukaan Valve

Volume vs Bukaan Valve



38

Dari grafik diatas dapat diketahui bahwa demakin besar nilai bukaan valve maka

semakin besar pula volume yang dihasilkan. Selain itu semakin besar nilai bukaan valve

maka semakin besar pula debit yang dihasilkan. Analisis ini sejalan dengan perbandingan

antara debit dan volume dimana semakin besar volume maka semakin besar pula debit

yang dihasilkan. Dengan nilai kelinieran R2 pada masing-masing grafik yang diperoleh

mendekati nilai satu, maka dapat disimpulkan bahwa data yang diperoleh praktikan adalah

akurat sehingga praktikan tidak perlu lagi melakukan perhitungan laju alir setiap kali kita

melakukan perubahan valve atau posisi weir pada percobaan konveksi bebas dan paksa.


Pada konveksi alami diperoleh grafik Bilangan Nusselt vs variasi weir yang

digunakan.

R² = 0.9689

0

0.00002

0.00004

0.00006

0.00008

0.0001

0.00012

0.00014

0.00016

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

de

bit

(m

3/s

)

Bukaan Valve

Debit vs Bukaan Valve

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Nu

Weir

Nu vs Weir



39 Dari grafik ini diketahui bahwa semakin tinggi weir maka semakin besar nilai

Bilangan Nusselt. Hal ini menandakan semakin besar pula nilai koefisien perpindahan

panas konveksi (berdasarkan persamaan

). Hal ini dapat disebabkan oleh

semakin besarnya tekanan yang dihasilkan pada feed tank sehingga laju alir volume

meningkat. Akibatnya suhu air meningkat dan peristiwa konveksi yang terjadi juga

semakin meningkat.


Pada konveksi alami diperoleh grafik Bilangan Nusselt vs variasi weir yang

digunakan.

Data Tf yang diperoleh tidak memiliki pola cenderung naik atau cenderung turun,

tetapi memiliki nilai yang bervariasi naik dan turun, hal ini mempengaruhi gambar grafik

dimana Bilangan Nusselt yang dihasilkan memiliki nilai yang bervariasi naik dan turun

untuk setiap variasi bukaan valve. Hal ini terjadi dikarenakan adanya faktor kesalahan

yang terjadi dalam melakukan percobaan. Hal ini akan dibahas pada analisa kesalahan.

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Nu

Weir

Nu vs Bukaan Valve



40 4.4 ANALISIS KESALAHAN

Kesalahan literatur pada konveksi alami adalah sebagai berikut.

Kesalahan literatur pada konveksi paksa sebagai berikut.

Kesalahan relatif dari nilai-nilai konstanta pada persamaan konveksi paksa aliran laminar

dengan 40 < Re < 40.000 ialah.

Beberapa kesalahan yang mungkin menyebabkan kurang akuratnya data adalah:

1. Ada kemungkinan terdapatnya faktor pengotor dalam fluida menyebabkan deposit

material yang mengurangi besarnya perpindahan panas dan laju alir dan adanya

pengabaian peristiwa perpindahan panas konduksi yang terjadi antara fluida dengan

dinding pipa.

2. Peristiwa perpindahan panas konduksi yang terjadi antara fluida dengan dinding pipa

diabaikan sehingga mengurangi keakuratan penghitungan.

3. Terhambatnya aliran keluar kondensat dari chamber test sehingga jumlah kondensat

yang keluar dan terukur menjadi lebih sedikit. Selain itu, kondensat yang masih

terdapat dan terakumulasi di dalam chamber test tersebut mengakibatkan perpindahan

kalor secara konveksi selanjutnya menjadi tidak optimal serta menghasilkan suhu Tf

memiliki nilai yang bervariasi naik dan turun

4. Adanya kesalahan dalam pengukuran temperatur kondensat yang keluar. Hal ini

dikarenakan kondensat yang keluar berinteraksi dengan lingkungan mengakibatkan

suhu yang terukur oleh termometer tidak menggambarkan suhu kondensat yang

sebenarnya.



41 5. Pengukuran suhu yang dilakukan dengan menggunakan termometer menyebabkan

ketidaktelitian dalam pencatatan suhu. Hal ini dikarenakan termometer membutuhkan

waktu beberapa detik untuk menghitung suhu secara stabil, sedangkan benda yang

akan diukur suhunya dalam percobaan tersebut adalah air keluaran yang mengalir

dengan cukup cepat. Karena membutuhkan waktu menghitung suhu secara stabil

maka suhu yang tercata bukan suhu yang sebenarnya karena air keluaran telah

berinteraksi dengan lingkungan keluar



42 BAB V

PENUTUP

5.1 KESIMPULAN

1. Perpindahan kalor konveksi dapat dibagi menjadi dua jenis yang bergantung pada

sifat aliran yaitu perpindahan panas konveksi alamiah/ bebas dan perpindahan

konveksi paksa.

2. Konveksi alamiah/ bebas terjadi ketika gerakan fluida dibentuk karena adanya gradien

densitas di dalam fluida

3. Konveksi paksa terjadi ketika gerakan fluida dibentuk secara mekanis.

4. Pengkalibrasi sistem pengumpanan air bertujuan untuk dapat mengetahui seberapa

besar laju alir air yang digunakan pada sistem pengumpan.

5. Pada konveksi bebas laju akan sebanding dengan gradien suhu.

6. Weir berfungsi untuk mengatur ketinggian air pada feed tank yang berbanding lurus

dengan tekanan. Pada konveksi bebas maka semakin besar pula nilai koefisien

perpindahan panas konveksi

7. Pada percobaan konveksi paksa, Semakin besar bukaan, maka laju alir baik air

maupun kondensat akan semakin besar pula karena kecepatan akan bertambah ketika

bukaan diperbesar. Penambahan kecepatan pada fluida akan memengaruhi bilangan

Reynold ( Re ). Semakin besar bukaan W1, maka laju alir ke feed tank semakin besar.

8. Nilai rata-rata koefisien perpindahan panas konveksi (h) (berbanding lurus dengan

Bilangan Nusselt) paksa lebih besar dari konveksi bebas sehingga dapat dibenarkan

bahwa penambahan gaya mekanis dapat menambah laju perpindahan panas dalam

fluida.

5.2 SARAN

1. Memperbaiki prosedur yang dilakukan dengan mengukur berapa laju alir air yang

diperlukan dalam setiap pengambilan data konveksi bebas

2. Sebaiknya mengganti termokopel dengan yang baru

3. Menggunakan termometer digital untuk pengukuran setiap suhu

4. Memasang flowmeter di setiap masukkan



43 DAFTAR PUSTAKA

Holman, Jack P. 2010. Heat Transfer, Tenth Edition. New York: The McGraw-Hill

Companies, Inc.

Long, Chris dan Naser Sayma. 2009. Heat Transfer. AS: Ventus Publishing ApS.

P. incopera, david P. Dewitt. Fundamentals of Heat Transfer. John Willey & Sonc Inc, 1981

Modul Praktikum POT 1. Depok : Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan POT

Documents

Transcript of Laporan POT