4. HEAT PLATE EXCHANGER TEST

4.1 Tujuan Instruksional Umum

Mahasiswa mampu mendiagnosa sistem Heat Plate Exchanger

4.2 Tujuan Instruksional Khusus

Memahami prinsip kerja Heat Plate Exchanger serta penempatanya dalam suatu sistem pendingin Mampu mengalisa pengaruh perubahan beban heat oil terhadap oil cooler

Mampu mengalisa pengaruh perubahan kapasitas media pendingin dan menentukan daerah operasional yang optimum

4.3 Perpindahan Panas

Heat exchanger adalah alat bantu permesinan yang berfungsi untuk menukarkan panas. Panas dapat mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah. Perpindahan panas dapat terjadi melalui media padat maupun fluida diam (konduksi), melalui fluida yang bergerak (konveksi) maupun tanpa melalui media perantara (radiasi). Radiasi itu terjadi jika ada dua benda dengan beda temperatur tinggi.

Tiga proses perpindahan tersebut diilustrasikan dan dirumuskan sebagai berikut:

Kondusi

Jika suatu plat dengan tebal t memiliki beda temperatur permukaanya TS1 > TS2 dengan luas penampang frontal A = p x l maka jumlah kalor yang mengalir dari 1 ke 2 adalah :

Q kond = k.A.(TS1.TS2)/t.(4.1)

Dimana konduktifitas termal (k) tergantung bebab plat tersebut. Gambar 4.1 perpindahan panas konduksi

Konveksi

Jika suatu plat dengan luas permukaan A=p x l dengan temperatur permukaan Ts dilewati fluida dengan kecepatan u dan temperatur T maka terjadi perpindahan panas dari permukaan plat ke udara jika Ts > T yang besarnya :

Q konv = h.A(Ts - T)..(4.2)

Perpindahan panas dapat terjadi dari fluida ke permukaan plat. Koefisien konveksi h tergantung pada kecepatan fluida u dan properties fluida.

Gambar 4.2 perpindahan panas konveksi

Konveksi dibedakan menenurut aliran fluidanya, jika fluida bergerak secara natural akibat perbedaan temperatur antara fluida yang kontak dengan permukaan plat dengan fluida yang relatif jauh dari plat (fluida relatif diam) maka disebut Natural Conveksion tetapi jika fluida mengalir dengan kecepatan tertentu u maka disebut Force Conveksion.

Radiasi

Sebuah batang dengan tingkat emisifitas dengan temperatur Ts berada dlam lingkungan yang bertemperatur Tsur, dimana Ts >> Tsur maka terjadi pindahan panas radiasi :

Q rad = ..A(Ts Tsur ) .(4.3)

A:luas permukaan yang terexpose

:konstanta Stevan Boltzman

Dimana

Gambar 4.2 perpindahan panas radiasi

4.4 Tahanan Termal

Dari ketiga rumusan tersebut terlihat bahwa laju aliran perpindahan panas persatuan luas tergantung dari beda temperatur dan media yang dilaluinya. Hal tersebut analog dengan arus listrik (laju aliran muatan listrik per satuan luas penghantar) tergantung dengan beda potensial antara ujung penghantar dan bahan hantaran.

qkond = Qkond/A = k.(TS1-TS2)/t (4.4)

qkonv = Qkonv/A = h. (Ts T) .(4.5)

i = q/A = V/R ..(4.6)

Dari keanalokan tersebut dapat d turunkan persamaan tahanan termal suatu bahan Rkond = t/k dan Rkonv = l/h. Dengan pendekatan tersebut, jika panas mengalir melalui dinding yang berlapis dengan berbagai konvigurasi maka besarnya laju perpindahan panasnya dapat ditentukan. Contoh : suatu dinding kapal dengan konvigurasi sebagai berikut,

Dinding luar tercelup air laut dengan koefisien konveksi h sehingga R=l/h, dinding luat tersebut dari plat baja dengan tebal t dan konduktifitas termal k sehingga R=t/k, lapisan kedua merupakan rongga udara dengan tebal t dan konduktifitas termal k sehingga R=t/k, lapisan ketiga isolasi gelas wol dengan tebal t dan konduktifitas termal k sehingga R=t/k, lapisan keempat hard flex dengan tebal t sehingga R=t/k, dinding dalam ruangan menghadap ke udara luar dengan koefisien konveksi h. Tahanan total dinding tersebut adalah :

Rt= R+R+R+R+R+R = l/h+t/k+t/k+t/k+t/k+l/h .(4.7)

Dari perumusan tersebut dapat digunakan untuk menghitung jumlah kalor yang mengalir persatuan luas dinding jika temperatur air dan temperature udara ruangan diketahui

q=(Ta-Tu)/Rt ..(4.8)

dimana Ta adalah temperatur air dan Tu adalah temperatur udara ruangan

Jika rumus tersebut dikembalikan ke rumus dasar q=h(T-T) maka didapatkan koefisien perpindahan panas menyeluruh (baik konveksi maupun kondisi tiap lapisdinding) sehingga U =l/Rt

U = l/(l/h+t/k+t/k+t/k+t/k+l/h) ..(4.9)

Q = U.A(Ta-Tu) .(4.10)

Nilai U sangat penting didalam menentukan beberapa jumlah panas dari luar yang masuk ke dalam ruangan.

4.5 Penukar Panas ( Heat Exchanger)

Alat penukar panas adalah suatu alat bantu permesinan yang berfungsi memindahkan panas dari suatu media yang lain. Contoh oil cooler; panas dari engine dipindahkan ke minyak pelumas (oil) kemudian panas dari oil dipindahkan dari oil ke air. Cara kerja alat penukar panas (Heat Exchanger) adalah sebagai berikut:

Dua buah fluida oil dan air mengalir parallel dan dipisahkan oleh dinding dengan tebal tp dimana temperature oil masuk T > temperature air masuk Ta, sehingga pada posisis 2 T-Ta, sedangkan T turun menjadi sedangkan Ta,2 naik temperaturnya menjadi Ta,2. Jika di asumsikan tidak ada panas yang hilang ke lingkungan maka besarnya panas yang di lepas oil Q = panas yang diterima air Qa.

Q=Qa .(4.11)

Mo.cp.o.(To,2-To,1) = Ma.cp.a.(Ta,2-Ta,1).(4.12)

Dimana cp adalah panas spesifik, dari penelitian terlihat bahwa perpindahan panas pada setiap titik berubah-ubah. Sehingga rumus 4.10 tidak mungkin diaplikasikan karena To-Ta pada setiap posisi tidak sama, untuk itu selisih temperaturnya didekati dengan selisih dengan temperature rata logaritmis (LMTD=Log Mean Temperature Difference) sehingga rumus 1.10 menjadi :

Q = U.A.LMTD .............(4.13)

dimana:

LMDT=[(To,1-Ta,1)-(To,2-Ta,2)]/[In{(To,1-Ta,1)/(To,2Ta,2)}]......(4.14)

Rumus diatas digunakan untuk merancang alat penukar panas dimana jika kapasitas perpindahan panas diketahui maka dapat ditentukan besarnya luas permukaan perpindahan panas total : A

Dua buah fluida oil dan air mengalir berlawanan dan dipisahkan oleh dinding dengan tebal tp dimana temperatur oil masuk To,1 > temperature air masuk Ta,2 sehingga terjadi perpindahan panas dari oil ke air sehingga pada posisis 2 To,2 >Ta,1, sedangkan To,1 turun menjadi To,2 sedangkan Ta,1 naik temperaturnya menjadi Ta,2.

Pada aliran berlawanan temperature air yang keluar bias lebih tinggi dari temperature oil keluar, sehingga alat penukar panas ini digunakan bila temperatur media pendingin yang tersedia tidak terlalu rendah, dengan konsekwensi pada kapasitas yang sama dimensinya sedikit lebih besar dibanding dengan aliran parallel.4.6 Peralatan Uji dan Langkah Percabaan

Peralatan Uji yang digunakan adalah seperangkat heat plate oil cooler dengan skema sebagai berikut:

Langkah Percobaan :

1. Buka katub k dan perhatikan F2 jika aliran pertahankan pada posisi debit maksimal.

2. Aktifkan alat uji dengan memutar switch power dan menekan tombol on.

3. Periksa switch selector untuk melihat apakah indicator temperatur berjalan normal atau tidak.

4. Jika tidak normal laporkan ke laboran.

5. Pertahankan posisi F2 pada debit 200 1/jam atau sesuai perhitungan atau dengan mengatur katup k.

6. Lakukan pemvariasian F1 dari (1,2,3,4,.10) 1/jam catat seluruh temperatur pada setiap debitnya.

7. Ulangi pengujian 1 s.d 6 dengan F1 konstan 8 1/min dan lakukan pemvariasian debit air F2 (270 s.d 150) 1/hr atau sesuai petunjuk dosen.

Data Hasil Percobaan

Pada saat F2 Tetap (Pada Posisi 200 L/Hour)

No.F2

(L/Hour)F1

(L/Min)T1

(C)T2

(C)T3

(C)T4

(C)T5

(C)

1200

55249423336

264947423334

374846423435

484644413435

594543413435

Pada saat F1 Tetap (Pada Posisi 8 L/Min)

No.F1

(L/Min) F2

(L/Hour)T1

(C)T2

(C)T3

(C)T4

(C)T5

(C)

18

2004644413435

22204644413436

32404744413436

42604745413437

5270-maks4644413437

Pengolahan Data

A. Pada saat F2 Tetap (Pada Posisi 200 L/Hour)

1. Menghitung Laju Aliran Masa Oli

Mo1 = = = 0,0718 Kg/s

Mo2 = = = 0,0861 Kg/s

Mo3 = = = 0,1005 Kg/s

Mo4 = = = 0,1149 Kg/s

Mo5 = = = 0,1292 Kg/s

Menghitung Laju Aliran Masa Air

Ma = = = 0,0552 Kg/s

2. Menghitung Panas Yang Dibebaskan Di Oli (Qh)

Qh1 = Mo1 x Cpo (T5-T4) = 0,0718 x 2,0636 (36-33) = 0,444 KJ/s

Qh2 = Mo2 x Cpo (T5-T4) = 0,0861 x 2,0636 (34-33) = 0,177 KJ/s

Qh3 = Mo3 x Cpo (T5-T4) = 0,1005 x 2,0636 (35-34) = 0,207 KJ/s

Qh4 = Mo4 x Cpo (T5-T4) = 0,1149 x 2,0636 (35-34) = 0,237 KJ/s

Qh5 = Mo5 x Cpo (T5-T4) = 0,1292 x 2,0636 (35-34) = 0,267 KJ/s

Menghitung Panas Yang Diterima Air (Qc)

Qc1 = Ma x Cpa (T3-T2) = 0,0552 x 4,174 (42-49) = -1,612 KJ/s

Qc2 = Ma x Cpa (T3-T2) = 0,0552 x 4,174 (42-47) = -1,152 KJ/s

Qc1 = Ma x Cpa (T3-T2) = 0,0552 x 4,174 (42-46) = -0,921 KJ/s

Qc1 = Ma x Cpa (T3-T2) = 0,0552 x 4,174 (41-44) = -0,691 KJ/s

Qc1 = Ma x Cpa (T3-T2) = 0,0552 x 4,174 (41-43) = -0,462KJ/s

3. Menghitung Efisiensi

C1 = x 100% = 27,54%

C2 = x 100% = 15,36%

C3 = x 100% = 22,47%

C4 = x 100% = 34,30%

C5 = x 100% = 57,79%

B. Pada saat F1 Tetap (Pada Posisi 8 L/Min)1. Menghitung Laju Aliran Masa Oli

Mo = = = 0,115 Kg/s

Menghitung Laju Aliran Masa Air

Ma1 = = = 0,0552 Kg/s

Ma2 = = = 0,0608 Kg/s

Ma1 = = = 0,0663 Kg/s

Ma1 = = = 0,0718 Kg/s

Ma1 = = = 0,0746 Kg/s2. Menghitung Panas Yang Dibebaskan Di Oli (Qh)

Qh1 = Mo x Cpo (T5-T4) = 0,115 x 2,0636 (35-34) = 0,237 KJ/s

Qh2 = Mo x Cpo (T5-T4) = 0,115 x 2,0636 (36-34) = 0,475 KJ/s

Qh3 = Mo x Cpo (T5-T4) = 0,115 x 2,0636 (36-34) = 0,475 KJ/s

Qh4 = Mo x Cpo (T5-T4) = 0,115 x 2,0636 (37-34) = 0,712 KJ/s

Qh5 = Mo x Cpo (T5-T4) = 0,115 x 2,0636 (37-34) = 0,712 KJ/s

Menghitung Panas Yang Diterima Air (Qc)

Qc1 = Ma1 x Cpa (T3-T2) = 0,0552 x 4,174 (41-44) = -0,691 KJ/s

Qc2 = Ma2 x Cpa (T3-T2) = 0,0608 x 4,174 (41-44) = -0,761 KJ/s

Qc1 = Ma3 x Cpa (T3-T2) = 0,0663 x 4,174 (41-44) = -0,830 KJ/s

Qc1 = Ma4 x Cpa (T3-T2) = 0,0718 x 4,174 (41-45) = -1,199 KJ/s

Qc1 = Ma5 x Cpa (T3-T2) = 0,0746 x 4,174 (41-44) = -0,934 KJ/s

3. Menghitung Efisiensi

C1 = x 100% = 34,30 %

C2 = x 100% = 62,42 %

C3 = x 100% = 57,23 %

C4 = x 100% = 59,39 %

C5 = x 100% = 76,23 %

KESIMPULAN

1. Praktikum Heat Plate Exchanger adalah untuk mengetahui sistem transfer panas (heat transfer) dengan cara konduksi dan konveksi. Panas dari engine dipindahkan ke minyak pelumas (oil) kemudian panas dari oil dipindahkan ke air.

2. Pada praktikum ini yang menjadi variable adal F1 (flow rate oil) dan F2 (flow rate air), jika F1 bernilai konstan maka F2 yang dinaikkan, dan sebaliknya jika F2 konstan maka F1 yang dinaikkan, hal ini untuk mengetahui nilai LMTD (log mean temperature different).

3. Dari data praktikum nilai LMTD yang paling bagus dengan nilai efisiensi paling besar adalah saat nilai F1 konstan pada 8 L/min dan nilai F2 270 (pada posisi maksimal) , hal ini karena perpindahan panasnya bagus, di sini oli mentransfer panas ke air yang volumenya lebih banyak sehingga oli cepat dingin dan beda temperaturnya tinggi.