Pemodelan Peralatan Termal

Pemodelan Peralatan Termal

Modeling Thermal Equipment

Dalam mempelajari sistem termal, pemahaman mengenai perpindahan kalor (heat transfer) mutlak diperlukan terutama istilah/penamaan yang digunakan dan memperkirakan unjuk kerja suatu alat penukar kalor (heat exchanger). Dengan mampu menghitung kondisi rancangan tersebut maka pemilihan APK (alat penukar kalor) akan mudah dilakukan dalam kondisi operasi yang t­elah ditentukan untuk keperluan optimasi berikutnya. Penentuan efektivitas (effectiveness) dari alat penukar kalor (APK) akan lebih ditekankan dalam pembahasan kali ini.

Tugas utama engineering adalah memilih (select), merancang (design), dan menentukan APK yang akan digunakan secara detail dan tepat guna. Dari berbagai macam APK, ada tiga peralatan yang umum digunakan seperti terlihat pada gambar berikut:

Gambar (a) adalah APK jenis shell-and-tube, umumnya perpindahan kalor terjadi antara dua fluida cair. Flida pertama mengalir melalui sisi pipa (tube) sehingga disebut tube-side-fluid, sedangkan fluida kedua mengalir di luar pipa/tube sehingga disebut shell-side-fluid. Baffle dipasang di bagian shell sehingga seluruh fluida dari shell-side dimungkinkan menyentuh pipa/tube berkali-kali sebelum keluar dari alat penukar kalor. Gambar (b) adalah APK jenis finned-coil, umumnya perpindahan kalor terjadi antara fluida cair dengan fluida gas. Kegunaan sirip (fin) yang menempel di pipa (coil) di sini adalah untuk memperluas area perpindahan kalor pada sisi gas dikarenakan hambatan (resistance) perpindahan kalor dari gas sangat tinggi akibat kecilnya nilai koefisien perpindahan kalornya. Gambar (c) adalah APK jenis compact, biasanya terdiri dari susunan plat metal yang dibengkokan seperti ombak dengan tujuan untuk memastikan kedua fluida mengalir pada ruang di antara plat tersebut secara bergantian/bolak-balik.

Counterflow Heat Exchanger

APK dengan jenis aliran berlawanan (counterflow) umumnya dijadikan sebagai standar pembanding dengan APK jenis lainnya. Gambar di bawah adalah simbol dari APK counterflow yang akan digunakan dalam mengembangkan berbagai persamaan.

Tiga persamaan yang digunakan dalam menentukan laju perpindahan kalor adalah,

Persamaan di atas dapat disederhanakan dengan mengeliminasi q sehingga,

Evaporator dan Condenser

Persamaan khusus sangat dibutuhkan bilamana salah satu sisi fluida yang mengalir dalam APK mengalami perubahan fasa. Dalam suatu evaporator atau pun kondensor, terlihat pada gambar di bawah ini, diasumsikan tidak ada superheat atau pun subcool dari fluida saat terjadi perubahan fasa di mana fluida bertemperatur tetap dan tidak terjadi perubahan tekanan.

Beda temperatur log rata-rata (LMTD = log-mean temperature difference) tetap digunakan dan bila dikombinasikan dengan balans energi akan menjadi,

Heat Exchanger Effectiveness

Efektivitas (ϵ) suatu APK didefinisikan sebagai,

Besarnya q_max adalah laju perpindahan kalor untuk luas APK yang tidak terbatas (infinite). Besarnya laju perpindahan kalor yang maksimum ini adalah sebesar perkalian minimum antara laju aliran (flow-rate) dan kalor spesifik dikalikan perubahan temperatur antara kedua sisi masuknya, atau dapat ditulis sebagai:

Di mana (w . c_p)_min adalah w . c_p yang paling kecil di antara kedua fluida.

Untuk suatu APK counterflow, persamaan efektivitas APK dapat dikembangkan menjadi,

Sebagai catatan bahwa fluida 1 adalah fluida di mana besarnya w . c_p atau pun W yang terendah. Dengan demikian, efektivitas APK counterflow dapat dinyatakan sebagai fungsi grup tanpa dimensi (dimensionless) antara UA/W_min dan W_min/W₂.

Beberapa penyelesaian atau pun solution manual design of thermal system dari buku referensi w. f. stoecker untuk pembahasan kali ini dapat dilihat dan dipelajari pada link di bawah ini.

01 Stoecker solution manual design of thermal system chapter 5 modeling thermal equipment.
02 Stoecker solution manual design of thermal system chapter 5 modeling thermal equipment.
03 Stoecker solution manual design of thermal system chapter 5 modeling thermal equipment.
04 Stoecker solution manual design of thermal system chapter 5 modeling thermal equipment.