Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi
BAB I
1
PENDAHULUAN 1.1T 1.1 TUJUAN PERCOBAAN 1. Mempelajari proses perpindahan kalor secara konveksi bebas dan konveksi paksa. a. Mengetahui pengaruh ketinggian weir terhadap terhadap koefisien perpindahan kalor pada konveksi bebas. b. Mengetahui pengaruh bukaan valve 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.
1.2T 1.2 TEORI 1.2.1
Pengertian Konveksi
Konveksi adalah proses perpindahan kalorkarena adanya gerakan makroskopik dari fluida, seperti gerakan liquid atau 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 (buoyancy force) force) yang disebabkan oleh perubahan densitas fluida. Proses pemanasan suatu fluida akan menyebabkan penurunan densitas fluida itu, i tu, sehingga fluida akan mengalami gaya apung. Gaya apung yang menyebabkan arus konveksi tersebut disebut sebagai gaya badan Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi (body force). force). Gaya badan hanya terjadi jika fluida mengalami gaya dari luar, gaya
2
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 t ipis yang bersinggungan bers inggungan 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. Halhal yang membedakan konvekasi paksa dari konveksi alamiah adalah:
Konveksi paksa mengalamigaya dari luar yang mempengaruhi sistem.
Nilai koefisien perpindahan kalor konveksi konveksi alamiah (h ( 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)
dimanah dimanah x adalah koefisien perpindahan panas lokal, T w adalah suhu permukaan, dan T f adalah suhu fluida rata-rata. Tahanan perpindahan kalor pada suatu film setebal y y yang berdekatan dengan permukaan digambarkan oleh gambar gambar 1.1.
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi (body force). force). Gaya badan hanya terjadi jika fluida mengalami gaya dari luar, gaya
2
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 t ipis yang bersinggungan bers inggungan 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. Halhal yang membedakan konvekasi paksa dari konveksi alamiah adalah:
Konveksi paksa mengalamigaya dari luar yang mempengaruhi sistem.
Nilai koefisien perpindahan kalor konveksi konveksi alamiah (h ( 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)
dimanah dimanah x adalah koefisien perpindahan panas lokal, T w adalah suhu permukaan, dan T f adalah suhu fluida rata-rata. Tahanan perpindahan kalor pada suatu film setebal y y yang berdekatan dengan permukaan digambarkan oleh gambar gambar 1.1.
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi
3 Ts Actual temperature gradient
Tf
Film temperature gradient
y 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 = T w – T T f dank dank adalah adalah konduktivitas panas fluida. Jika persamaan (1.1) dan (1.2) dibandingkan makaakan diperoleh hubungan:
perbandingan di atas menunjukkan bahwa jika nilai y 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 dimanah adalah koefisien perpindahan kalor rata-rata rata- rata dan ΔT ΔT lm force ratalm adalah driving force ratarata yang didefinisikan sebagai:
(1.4)
dimana ΔT ΔT 1dan ΔT 2adalah 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
.
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi Perpindahan kalor menyeluruh dinyatakan dengan membagi beda suhu menyeluruh
4
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:
Dimana A adalah luas bidang aliran panas dan
(1.5)
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 h 1, tahanan konduksi bahan A, B, dan C pada suatu bidang datar yang disusun seri dengan tebal masing-masing xA, x B, dan xC, serta tahanan konveksi zat alir dengan koefisien konveksi h2, maka U menjadi: 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
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi fluida, dimana luas bidang ini tergantung dari diameter tabung dan tebal dinding.Maka,
5
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:
1.2.3
(1.10)
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. Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi 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:
dimanaiadalah entalpi ( yang ditambahkan,
(1.13)
), dengan e adalah energi dalam, Qadalah kalor
W k adalah 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:
1.2.4
(1.14)
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 Departemen Teknik Kimia || 2012
6
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi tertentu dalam bidang tersebut, sehingga dapat diketahui nilai kalor yang diterima atau
7
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)
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi 4. Bilangan Grashof (Gr)
Bilangan Grashof merupak+an parameter yang menghubungkan data konveksi alamiah, dimana dinyatakan sebagai:
(1.18)
dimana g adalah percepatan gravitasi, β adalah koefisien ekspansi volume,
T
adalahsuhu fluida yang jauh dari permukaan, T wadalah 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:
1.2.5
(1.19)
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
Departemen Teknik Kimia || 2012
8
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi
2 r
P z r x
9
Sedangkan jumlah gaya viskos adalah :
2
u r r z r g c r
Untuk aliran laminar dan gravitasi (body force) diberikan oleh
2 r
g
g c
r z
Dengan mengaplikasikan hukum kedua Newton (laju perubahan momentum sebanding dengan gaya yang ada), maka
2 u 1 u u c g f ( , u, ) 2 x r r r
(1.20)
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
2 u 1 u u g T T c f ( , u, ) 2 x r r r
(1.21)
Untuk aliran laminar kita asumsikan profil kecepatan parabola, u c1u (1 r 2 / R 2 ) ,
u 2u ' 2 c1u r / R dan dimana c1' u / R 2 subsitusikan ke persamaan diatas maka 2 r r c1'
u R 2
g t
f ( , u ) Dengan menggabungkan propertis fluida dan kesetimbangan
energi yang berhubungan, dan mengatur hasilnya dalam bentuk fungsional tak berdimensi, maka
2 g TR3 Cp L , hD , 2 k D
(1.22)
atau
Nu Gr , Pr,
L
D
(1.23)
dimana, Gr (Grashoff Number ) adalah rasio gaya apung terhadap gaya viskos,dirumuskan Gr
2 g TR 3 2 Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi Untuk perpindahan panas konveksi bebas laminer pada pipa vertikal ditunjukkan oleh ,
Nu
Gr Pr D 32
L 1 exp 16 L DGr Pr
3/ 4
(1.23)
properti fluida dievaluasi pada Tw , suhu dinding rata-rata , = 1/Tf , dimana T f adalah suhu bulk rata-rata fluida , dan T pada modulus Grashof dengan hubungan T w – 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 : (1.24)
Q x u Cp R 2T Fluida yang keluar pada x + ∆x memindahkan energi sebesar : d u CpT x R 2 Q x x u CpT dx
(1.25)
Total kalor yang mengalir kedalam elemen dari dinding tube adalah : Qw 2 R x h x T 2 R x k
T
(1.26)
y
Berdasarkan energi balance didapat hubungan Departemen Teknik Kimia || 2012
10
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi
h
R u Cp T
2 L T
(1.27)
dT
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
2 R u Cp 2 R dT 2 Rh T k k L 4T
(1.28)
Jadi dengan memakai analisis dimensi maka bentuk fungsi untuk konveksi paksa adalah:
D u Cp L hD , f , k D k
(1.29)
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
Nu 1.86[Re Pr D / L] w
0.14
1/ 3
Re < 2100 Re.Pr.D/L > 10
Properti fluida dievaluasi pada suhu bulk rata-rata; µ w menunjukkan viskositas fluida yang dievaluasi pada suhu dinding rata-rata
Transisi
Nu 0.023 Re Pr w 0.8
0.14
Re > 2000
1/ 3
0.7
Properti fluida dievaluasi pada suhu bulk rata-rata
Turbulen
Nu 0.026 Re Pr w 0.8
1/ 3
0.14
Re > 20000 0.6
10
Properti fluida dievaluasi pada kondisi yang sama seperti aliran Laminer
Departemen Teknik Kimia || 2012
11
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi
12
Tabel 1.1 Hubungan empirispadaaliran di dalampipa No 1.
2.
3.
Jenis Aliran 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 bedasuhu moderat antara dinding dan fluida. Aliran dengan berbagai variasi sifat (mis: viskositas, suhu) [Sieder dan Tate]
Aliran pada bagian pintu-masuk, di mana aliran belum berkembang [ Nusselt ]
Persamaan Empiris
Nu d 0.023 Re 0d .8 Pr n
Nu d 0.027 Re 0d .8 Pr 1 / 3
w
Nu d 0.036 Re
d L
0.8 d
1/ 3
Pr
0.14
0.05 5
untuk 10 < d/L < 400 4.
Aliran yang sepenuhnya turbulen dalam tabung licin [ Petukhov]
n
Nu d 1/ 2 2/3 1.07 12.7 ( f / 8) (Pr 1) w n = 0.11 (T w>T b ) dan n = 0.25 (T w
dengan rentang : 0.5 Pr 200 10
5. 6.
4
200 Pr 2000
Re d 5 10
6
Aliran laminar yang berkembang penuh, dalam tabung, pada T tetap [ Hausen]
Nu d 3.66
Untuk perpindahan kalor aliran laminar dalam tabung [Sieder dan Tate]
Nu d 1.86 (Re d Pr)
0
b
w
40
0.0668 (d / L) Re d Pr 1 0.04 (d / L) Re d Pr
2/3
1/ 3
d L
1/ 3
w
0.14
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi
BAB II
13
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
Gambar 2.2 Skematisasi perpipaan dan valve alat
model 9054
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 5 5/8’’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 Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi 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 terle tak 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. Con densate r eceiver 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 inlet mempunyaimetering 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.
Departemen Teknik Kimia || 2012
14
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi
2.2PETUNJUK PENGOPERASIAN ALAT 2.2.1
15
Hubungan-Hubungan Proses
1. Menghubungkan pipa steam inlet ke 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 W4.
-
Membuka penuh weir overflow valve W-2 dan water discharge valve W-3.
-
Menutup stopcock S-1 dan S-2.
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi 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 S4 dalam keadaan terbuka, steam chest seharusnya tetap pada tekanan atmosfer. 4. Selama periode pemanasan ini, kondensat yang terbentuk pada dinding gelas steam chest akan 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 sebentarsebentar dan kondensat yang terkumpul di sana dibuang.
2.2.4
Pengaturan Tekanan pada Steam Chest
1. Menutup stopcock vent S-4, posisi A pada S-3 seharusnya tertutup. 2. Menambah aliran uap air ke sistem dengan membuka V-1 perlahan-lahan.
Departemen Teknik Kimia || 2012
16
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi 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 300 oF, 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.
Departemen Teknik Kimia || 2012
17
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi 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.
2.3PROSEDUR PERCOBAAN 2.3.1
Kalibrasi Sistem Water F eed
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 supaya feed 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 setting pada level 0.75, 0.5, dan 0.
Departemen Teknik Kimia || 2012
18
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi 2.3.3
Konveksi Paksa
1. Menutup valve W-2 supaya air keluaran pipa konveksi mengalir menuju ke
19
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.
2.4DATA HASIL PERCOBAAN 2.4.1
Kalibrasi Sistem Water F eed
Bukaan valve
Waktu (s)
Volume (mL)
5
73
10
156
15
330
5
340
10
590
15
745
5
520
10
720
15
1120
5
710
10
1440
15
2000
0.125
0.25
0.5
1
2.4.2
Konveksi Alamiah
Masukan Bukaan valve
0.50
Keluaran
Weir
Tair ( C) (T1)
Tsteam ( C) (T2)
Tselang ( C) (T3)
Tkondensat o ( C) (T4)
Ttube ( C) (T5)
Volume kondensat (mL)
0.25
31
86
33
42
54
2
0.5
31
82
35
84
51
56
0.75
31
79
33
39
44
24
o
o
o
o
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi 1
31
76
33
36
53
32
Keterangan: Percobaan dilakukan dengan waktu pemanasan steam selama 3 menit
2.4.3
Konveksi Paksa
Masukan Weir
0
20
Bukaan valve
Keluaran
Tair ( C) (T1)
Tsteam ( C) (T2)
Tselang ( C) (T3)
Tkondensat o ( C) (T4)
Ttube ( C) (T5)
Volume kondensat (mL)
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
o
o
o
o
Keterangan: Percobaan dilakukan dengan waktu pemanasan steam selama 3 menit
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi
BAB III
21
PENGOLAHAN DATA A TER F EED 3.1K ALIBRASI SISTEM W
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 0.125
0.25
0.5
1
Volume 3 (m )
Waktu (s)
0.000073 0.000156 0.00033 0.00034 0.00059 0.000745 0.00052 0.00072 0.00112 0.00071 0.00144 0.002
5 10 15 5 10 15 5 10 15 5 10 15
Vavg 3 (m )
tavg (s)
Q (m /s)
0.000186
10
0.0000186
0.000558
10
0.0000558
0.000787
10
0.0000787
0.001383
10
0.0001383
3
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.
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi
Volume vs Bukaan Valve
22
0.0016 0.0014
R² = 0.9689
0.0012
) 3 m 0.001 ( e 0.0008 m u l o 0.0006 v
0.0004 0.0002
0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Bukaan Valve
Grafik 3.1 Hubungan antara volume dengan bukaan valve
Debit vs Bukaan Valve 0.00016 0.00014
R² = 0.9689
0.00012
) s / 0.0001 3 m ( 0.00008 t i b 0.00006 e d
0.00004 0.00002
0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Bukaan Valve
Grafik 2.Hubungan antara debit dengan bukaan valve
3.2K ONVEKSI ALAMIAH Pada percobaan ini digunakan bilangan Nusselt untuk mengamati koefisien perpindahan panas konveksi.Bilangan Nusslet dinyatakan oleh rumus berikut. Nu
hD k
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi
dimana:
23
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 (T f ) T f
T fo T fi
2
dimana: T f0 : temperatur masukan air (T 1) T ft : temperatur keluaran selang (T 3)
2. Menentukan T w T w
T wo T wi
2
dimana: T w0 : temperatur masukan steam (T 2) T wt : temperatur masukan kondensat (T 4)
3. Menentukan temperatur limbak T bulk
T w T f 2
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 Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi 0.5 0.75 1
33 32 32
83 59 56
58 45.5 44
7.28667E-05 7.28667E-05 7.28667E-05
Dari hasil perhitungan, didapatkan hasil interpolasi data data untuk properties air pada suhu bulk dari Appendix A-9 sebagai berikut: Tbulk o ( C)
μ (kg/m s)
k (W/m o C)
cp (J/kg o C)
ρ (kg/m )
48 58 45.5 44
0.000571 0.000571 0.000571 0.000571
0.643 0.652 0.640 0.638
4174 4179 4174 4174
989.1 984.2 989.9 990.4
3
Mengikuti langkah 1 sampai 3 yang telah dijabarkan di atas pun diperoleh nilai bilangan Nusselt untuk setiap variasi ketinggian weir , yaitu: Valve Weir
0.5
0.25 0.5 0.75 1
Nu
0.010346164 0.013075931 0.012319599 0.013902996
Berikut ini menunjukkan grafik yang menghubungkan antara besaran bilangan Nusselt untuk tiap ketinggian weir tertentu.
Departemen Teknik Kimia || 2012
24
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi
Nu vs Weir
25
0.016 0.014 0.012 0.01 u 0.008 N
0.006 0.004 0.002 0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Weir
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. D L
35 1
Gr
4
dimana: L = 36 inch (berdasarkan literatur) D = 5 inch (berdasarkan literatur)
Dari perhitungan, didapatkan bahwa kondisi tersebut tidak terpenuhi oleh sistem. -1
Maka, perhitungan tidak dapat disederhanakan. Pada percobaan ini, 10 < Ra < 10
12
sehingga dapat digunakan persamaan konveksi bebas pada silinder vertikal: Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi
0,387 Ra1/ 6
= 0,825 +
26
[1 (0,492 / Pr)9 /16 ]8 / 27
Valve
Weir
Gr
Pr
Ra
Nulit
0.5
0.25 0.5 0.75 1
64604730603 96918504017 54598454627 48580999184
3.707 3.660 3.724 3.736
2.39E+11 3.55E+11 2.03E+11 1.81E+11
28.90619533 30.79102291 28.15600658 27.64660606
Kesalahan literatur adalah sebagai berikut.
3.3 K ONVEKSI 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
o
o
o
Valve
Tf ( C)
Tw ( C)
Tbulk ( C)
0.125
39
70
54.25
0.25
35
76
55.5
0.5
32
70
51
0.75
35
58
46
0
Q (m /s) 0.000072 9 0.000072 9 0.000072 9 0.000072 9
Tbulk (K)
327.25 328.5 324 319
Dari hasil perhitungan, didapatkan hasil interpolasi data untuk properties air pada suhu bulk dari Appendix A-9 sebagai berikut:
Tbulk ( C)
ρ (kg/m )
μ (kg/m s)
k (W/m C)
cp o (kJ/kg. C)
54.25 55.5 51
985.8 985.2 987.6
0.000515 0.000505 0.000543
0.649 0.65 0.646
4179 4179 4176
o
3
o
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi 989.7
46
0.00059
0.64
4174
27
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 0.25 0.5 0.75
0.078192706 0.031990646 0.008676254 0.050617482
Berikut ini menunjukkan grafik yang menghubungkan antara besaran bilangan Nusselt untuk tiap ketinggian weir tertentu.
Nu vs Bukaan Valve 0.09 0.08 0.07 0.06 u 0.05 N0.04 0.03 0.02 0.01 0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Weir
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:
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi
V
: kecepatan fluida (
L
: panjang karakteristik (diameter pipa)
v
: kinematik viskositas pada temperatur limbak
28
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 0.25 0.5 0.75
327.25 328.5 324 319
251.5549572 249.7948848 256.1362561 263.4045948
3.316155624 3.246761538 3.510167183 3.84790625
13.38630123 13.2488474 8.049211234 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
0
0.125 0.25 0.5 0.75
Nu
Re
Pr
log Nu
log Re
log Pr
0.078192706 0.031990646 0.008676254 0.050617482
0.385812563 0.943017169 3.477045498 0.59599425
3.31615562 3.24676154 3.51016718 3.84790625
-1.10683387 -1.49497698 -2.65911317 -1.89119715
-0.41362 -0.02548 0.501834 -0.26608
0.520635 0.51145 -0.15304 -0.15243
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi 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.
Departemen Teknik Kimia || 2012
29
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi
BAB IV
30
ANALISIS 4.1ANALISIS PERCOBAAN 4.1.1
Kalibrasi SistemWater F eed
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.
4.1.2
Konveksi Alamiah
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 (T 4), 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
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi berada di bawah weir , maka air tidak akan bisa mengalir ke dalam pipa dimana konveksi
31
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 feedtank untuk 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 test akan bertambah dan tekanannya sama dengan tekanan di feed tank . Karena tekanan di pipa keluaran chamber test sama dengan tekanan di feed tank maka air tidak dapat keluar dari pipa konveksi. Air yang masuk melalui pipa 3 ke chamber test akan masuk ke bagian tubedan suhunya merupakan T1.Steam yang masuk ke chamber test akan masuk ke bagian shell dan 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 shell dengan 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 T 3. 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. Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi Dalam variasi ketinggian weir setting , variabel bebasnya adalah weir .Semakin rendah posisiweir di dalam feed tank ,maka laju alir air masukanakan semakin besar. Hal ini dikarenakan pengaruh tekanan pada feed tank , dimana semakin rendah posisiweir akan 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.
4.1.3
Konveksi Paksa
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 (T 4), 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 Departemen Teknik Kimia || 2012
32
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi meningkatkan bilangan Reynolds, dimana dalam kondisi turbulen perpindahan kalor akan
33
menjadi lebih cepat.
4.2ANALISIS DATA DAN PERHITUNGAN 4.2.1
Kalibrasi Sistem Water F eed
Pada kalibrasi sistem pengumpanan air, dilakukan pengukuran volume masingmasing 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 untukmasingmasing bukaan. Volume rata-rata yang didapat untuk masing-masing bukaan 0.125, 0.25, 0.5, dan 1 adalah 0.000186 m3, 0.000558 m 3, 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 : Q
V t
Debit rata-rata yang didapat untuk masing-masing bukaan adalah sebagai berikut : Bukaan Valve 0.125 0.250 0.500 1.000
3
Debit (m /s) 0.00186 0.00558 0.00787 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. . 4.2.2
Konveksi Alamiah
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.
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi Bilangan Nusslet diperoleh dengan menggunakan persamaan :
34
Sedangkan Bilangan Nusslet literatur diperoleh dengan menggunakan persamaan :
= 0,825 +
0,387 Ra1/ 6 [1 (0,492 / Pr)9 /16 ]8 / 27
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 T w > T f . 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 T b) dapat didefinisikan sebagai suhu fluida yang dirata-ratakan energinya di seluruh penampang tabung. Suhu ruah secara matematis dinyatakan dengan:
T bulk
T w T f 2
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 ruahlah 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 Appendix A-9 di buku “ Heat Transfer, 10th Edition” karangan J.P. Holman. Dengan diketahuinya nilai suhu aliran steam, suhu aliran air, suhu limbak, koefisien perpindahan
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi kalor (k ), densitas ( ρ), kapasitas kalor (cp) , serta viskositas ( μ) dapat diperoleh nilai dari
35
Bilangan Nusslet. Nilai Bilangan Nusslet rata-rat a 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/s 2), β = koefisien volume ekspansi (1/K), D = diameter (m), v = viskositas fluida (m 2/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.
4.2.3
Konveksi Paksa
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 :
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi 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, T w selalu lebih tinggi daripada T f . 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 :
T bulk
T w T f 2
Besaran-besaran lain seperti koefisien perpindahan kalor (k ), densitas
( ρ),
kapasitas kalor (cp) , viskositas ( μ) dan sebagainya dapat ditentukan dengan cara membaca Appendix A-9 di buku “ Heat Transfer, 10th 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
Departemen Teknik Kimia || 2012
36
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi Sedangkan
Bilangan
Prandtl
dapat
dihitung
dengan
persamaan
37
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 :
4.3ANALISIS GRAFIK 4.3.1
Kalibrasi Sistem Water F eed
Untuk percobaan kalibrasi sistem water feed diperoleh 2 grafik yaitu :
Volume vs Bukaan Valve 0.0016 0.0014
R² = 0.9689
0.0012
) 3 m 0.001 ( e 0.0008 m u l o 0.0006 v
0.0004 0.0002
0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Bukaan Valve
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi
Debit vs Bukaan Valve
38
0.00016 0.00014
R² = 0.9689
0.00012
) s / 0.0001 3 m ( 0.00008 t i b 0.00006 e d
0.00004 0.00002
0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Bukaan Valve
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 R 2 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. 4.3.2
Konveksi Alamiah
Pada konveksi alami diperoleh grafik Bilangan Nusselt vs variasi weir yang digunakan.
Nu vs Weir 0.016 0.014 0.012 0.01 u 0.008 N
0.006 0.004 0.002 0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Weir
Departemen Teknik Kimia || 2012
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi 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.
4.3.3
Konveksi Paksa
Pada konveksi alami diperoleh grafik Bilangan Nusselt vs variasi weir yang digunakan.
Nu vs Bukaan Valve 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05
u N
0.04 0.03 0.02 0.01 0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Weir
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.
Departemen Teknik Kimia || 2012
39
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi
4.4 ANALISIS K ESALAHAN 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 adala h: 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 T f 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.
Departemen Teknik Kimia || 2012
40
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi 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
Departemen Teknik Kimia || 2012
41
Laporan Praktikum Unit Operation Lab 1 : Konveksi
BAB V
42
PENUTUP 5.1K ESIMPULAN 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
Departemen Teknik Kimia || 2012