BAB IV DESAIN TERMAL Rumus-rumus yang digunakan dalam desain ternal di bawah ini di ambil dari buku J.P Holman, Perpindahan Kalor, Penerbit Erlangga, 1994. Rumus yang di ambil dari buku acuan lain akan diber keterangan sendiri. 4.1 Desain Kondensor
Gambar 4.1. Desain kondensor 4.1.1 Desain Kondensor Stanless Steel
Bahan Tube
: Stainle Steel ( Cr 16-26,in 8-36)
r₀
Jari-jari luas pipa Jari-jari dalam pipa
: 11.1 mm = 0.0111 m
r₁
: 12.7 m
Tekanan zat cair
P₁
: 8000 Pa
Kalor spesifik zat cair penuh
C₁ : 502,10 J/kgoC
Densitas uap jenuh
Pv : 958.16 kg/m3
Densitas zat cair jenuh
P₁ : 0.6 kg/m3
Enthalpy penguapan
hfg : 2.26 x 106 J/kg
Kecepatan gravitasi
g : 9.8 m/s2
Vikositas zat cair
µ ₁ : 2.27 x 10-4 kg/m.
Beda suhu rata loga litmik
∆m : (96-35) oC
Konstanta untuk penukaran isothermal
C,m : 4217 J/kg. oC
•
Persamaan Koefisien Perpindahan kalor Kondensasi :
Hfg hfg 1 0.68 106 1 0.68
•
"#$%&'()%kondensat*
./01$23)45* /./3 063
+,-
= 2457729.j/kg
Persamaan Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi di Luat Tube :
Hfg 2.26
h = 0.555 7
#$#)#8 *-9³+:; 1/4 > µ<$%;)%=
h = 0.555 7
8 *2.? @ 6.3?³ @/./3 @06⁶ 1/4 /.05 @06⁴ 25?.03$25?.03)6.3 > = $23 /%₁* /.12 @06C @6.6000$23 /%₁*
Data spesifikasi pipa dan tangki : Jari-jari luas pipa
r₀
= 12.7 mm = 0.0127 m
Panjang pipa
L
= 350 mm =0.35 m
Suhu dingin
Tw = 004 ℃
Luasan permukaan bagian luar
A₀
= 3.14 x (0.35/2)2 = 0.02 m2
Suhu penukaran solid
Ts
= 30oC
Suhu diefaluasi pada kondisi arus bebas T∞
= 30℃
Densitas zat cair penuh
P₁
= 995.26kg/m3
Viskositas zat cair
µ₁
= 8.03 x 10-4 kg/m.s
Angka prandtl
Pr₁
= 5.41 Pa
Koefisien perpindahan kalor menyeluruh U₀ = 0.62 w/m.0C
Percepatan grafitasi g =
Jaringan luar pipa
6.6.
225./
[email protected]/
= 0.004 m/s2
r₀ = m
Jaringan dalam pipa r₁ =
6.660/1·6.666.·225./3 ?.64·06).
= 6.3 m
Bilangan Nossel(Pada kondisi suhu film) Nu = ( 0.43 + 0.50 R
0.5
) Pr
0.38
7
HIJ
HIK
>ntuk
1
7
HIJ
HIK
HIJ
HIK
> asumsi
> = 1. Sehinga
Bilangan Nossel(Pada kondisi suhu film)Nu = ( 0.43 + 0.50·6.30.36) 5.410.38 (1)0.25 = 3.2 m
Kovisiensi perpindahan kalor konveksi h0 = Nu
9
L 6.3/
6.60/1
Kovisiensi perpindahan kalor konveksi h0 = 3.2·
Tahanan termal di bagian luar per satuan panjang pipa :
•
Panjang pipa L M
0
+@N
M
0
+@/@O@I
M
Kofiensi kondensasi pipa rata-rata
0
+@O@I
h=
0
[email protected][email protected]/1
= 0.158 W/m². 0C
Tahanan termal pipa untuk setiap satuan panjang pipa :
• PQ M
= 58.8 W/m2C
RS $I6TI0*
•
/@O·9
M
RS $L6TL0* /@O·9
M
RS $6.60/1T6.6000* /@O·0..3.
M 0.001465 W/m.0C
Mencari suhu bagian dalam dinding pipa,T1 dan bagian luar pipa T0 :
$%&'()%0* W0
$23)%0*
$23)%0*¼
M
M
$%0)%6* WX
$%0)%6*
6.660.35
M M
$%6)%∞* W6
$%6)46* 6.05?
1.098 = $%0)%6*
6.660.35
$%0)%6*
$23)%0 *¾
M
$%6)46* 6.05?
$%0)%6*
;
749.36·(100-T1)3/4 = 6.660.35
;
107.85 =
$%0)%6* $%6)%0
……………………..( i)
…………………………………..(i i)
T1 dan T0 dicari dengan iterasi persamaan (i) dan (ii) : T1 = 90.5 0C Maka :
Koefiensi perpindahan kalor h₁ =
/0566
$23)26.5*¼
= W/m² · ℃
• Perpindahan Kalor Menyeluruh :
Perpindahan kalor menyeluruh U0 = Y₀
Z Y₁ [₁
U0 = e₀
0
Y] ^_$`₀/`₁* Z \ abcd \ [₀
0
e₀ ^_$e₀/e₁* Z \ \ [₀ e₁ ac
U0 = ].]Zaf
Z ].]ZZZ agghf.igj
0
].]Zaf @ ^_$].]Zaf/].]ZZZ* Z \ \ Zgk.k a @ZC.hC
= 53.14 W/m2 .℃
Mencari Luasan Perpindahan Kalor Kondensor dengan LMDT metode : Data Percobaan : Uap masuk
T1 =980C
Uap Keluar
T2 = 350C
Air Pendingin masuk
t1 = 270C
Air Pendingin keluar
t2 = 430C
Aliran masa uap
m = 5x 10-4 kg/s
Panjang pipa
L = 2.94 m
Panas Spesifik
CP = 4217J/kg.0C =4.217 kJ/kg.0C
Koefisien perpindahan kalor menyeluruh U = 53.14 W/m2. 0C Faktor koreksi
F
Gravitasi
g = 9.8 m/s2
Jumlah pipa per baris
m =9
Viskositas zat cair
l₁ = 2.27 x 10 kg/s.m
Densitas zat cair jenuh
p₁ = 8000 kg/m3
q
-4
= m.Cp T = (0.005).(4.217).(96-35) = 0.12 kW
Tm =
$%0)m/*)$%/)m0*
Tm =
$23).4*)$45)/1*
nS
7o^pq > a roap o^s
$ihpCj* RS$jgpaf*
karena q M UAF. ∆T m, maka :
= 1.0 (Table Faktor Koreksi )
= 61.770C
Luas permukaan bagian kuar A₀ =
z
{.|. ∆} ~.
=
0/66 =1394.8m2 $54.0.*$0.6*$30.11*.
Tabel 4.1 Data Percobaan dan Hasil Perhitung Kondensor No.
Stainless Steel
Data
1
Uap masuk (oC)
96
2
Uap Keluar (oC)
33
3
Suhu Air Pendingin masuk
(oC)
27
4
Suhu Air pendingin keluar
(oC)
43
5
Koefiensi perpindahan kalor menyeluruh (W/m2.°C*
0.12
6
Koefiensi perpindahan kalor konveksi (W/m2.℃ )
61.77
7
Tekanan uap didalam gelembung (Pa)
1261.6
4.2 Desain Ketel
Gambar 4.2. Desain Ketel
Konstruksi Ketel Ketel Uap Bahan
: Stainless Steel (184.0.0 Cast Tempered)
Diameter
: 350 mm
Tinggi
: 400 mm
Kapasitas tanki bahan
: 2.45 kg (nilam kering)
Kepadatan bahan dalam tangki
: 0.08 kg/liter
Uap air yang dibutuhkan
: 8.6 liter
Uap air per jam
: 1.84 liter = 1.84 Kg
4.2.1 Penentuan Lusas Area Perpindahan Kalor Ketel a.Koefisien heat transfer proses didih To = T permukaan panas –T didih air = 10oC (asumsi) •
Rumus Perpindahan Kalor Didih : Karakteristik Air dan Uap Jenuh pada 100 Kalor spesifikzat cair jenuh C1 = 4216 J/kg.0C
Beda suhu rata-rata logaritmik ∆m = lebih suhu = Tw- Tjenuh = 100C Enthalpy penguapan
Hfg
= 2256900 J/kg
Angka prandtl
Pr1
= 1.9 Pa
Vikositas zat
1
= 0.000267 kg/m.s
Konduksi fluida jenuh
K
= 0.0588 W/m².℃
Percepatan grafitasi
g
= 9.8 m/s2
Z ·∆}
Densitas zat cair jenuh
1
= 955.1 kg/m3
Densitas uap jenuh
v
= 0.5863 kg/m3
Konstanta gabungan fluida-permukaan C xf
= 0.013 J/kg.℃
Tahanan pengotoran
= 1.0 untuk air
+ ·HIZ
MCQ
z/N
Rƒ
Z .+ $ρ )ρ
6.44
q/AM
Z ·+
Z·∆o [ •` σ
rρ p ρ s
CaZh·Z]
6.666/31·//53266 ³ ].]Zj·aaghi]]·Z.iZ 10s3971.2= Z i.k$igg.Zp].gkhj*
10391.2W/ m² = 102 Kw / m2 16
q/A, Btu/ h·ft2< 5000 q/A,kW/m2< 16
h, Btu/h·ft2·0F = 0.168 T035000
q/A,Kw/m2<240
h = 5.56(10)3 = 5560 W/m3·0C = 5560 J/s. m2·0C
b.Koefisien perpindahan kalor menyeliruh ketel (U₀) Bahan
: Stainless Steel
Tebel Ketel
: 1 mm
k (Konduksi fluida jenuh)
: 83.68 W/m2.0C
I/U = ( x/k) + (1/h) =(1.10-3/83.68) +(1/5560) =1.92e-4 U₀ = 1/1.92e-4 =5208 W/m2.0C c.Mencari Kalor yang Dibutuhkan untuk Menguapkan Air Destilasi Asumsi Laju Aliran Uap Air = 1.84 kg/jam =5.le-4 kg/s = 0.5 g/s Kalor yang di butuhkan = mspesifikasi uap air x (kalor sensible +kalor laten) = 5.le-4 kg/s x [(4.184 jJ/kg0C (100-26)0C)+ 2257kJ/kg] =5.le-4 kg/s x 2566.616 kJ/kg = 1.3 kJ/kg = 1.3 kW d. Mencari Luasan Perpindahan Kalor Ketel. Q = U.A.∆T 1.3 kW = 3.185 kW/m².0C x A x 10 0C A = 1.3 kW / (5.28 kW / m².0C x 10 0C) = 0.025 m² Luasan dasar ketel dengan diameter 0.35 m = (3.14 x 0.35²) 4 = 0.096 m² Jadi luasan dasar ketel yang ada sudah dianggap mencukupi untuk jumlah perpindahan kalor yang diperlukan untuk menguapkan air destilasi. Jumlah Perppindahan
kalor yang terjadi juga tergantung oleh luasan efektif dasar ketel yang terkena oleh sumber kalor. 4. 3 Tebal isolasi
Gambar 4.3. Tebal Isolasi a. Rugi-Rugi kalor Konveksi Bebas Pada Dinding Ketel parameter-parameter : Suhu dingding
Tw
= 1000℃
Suhu udara lingkungan
T
= 300C
Percepatan grafitasi
g
= 9.8 m/s2
Suhu dingin
Tw
= 1/338 = 0.0031oC
Suhu uap jenuh
ts
Suhu air pendidihan masuk
= 1.041 ℃
= 1.008 kJ/kg. oC = 1008 J/kg. oC
Kalor spesifik zat cair jenuh Cp Vikositas zat cair
1
= 2.02 x 105 kg/m.s
Konduksi fluida jenuh
K
= 0.03 W/m. oC
Kalor spesifik zat cair jenuh C1
Grƒ•Prƒ=
Grƒ•Prƒ=
2 ¡
= 350 mm = 0.35m
(Tw- T ) d3
2.?6.6640·0.6.0a 066? /.6/ ¢ 06pg ·6.64
(100-30)•(0.35)³ =4.7428 x 10⁸
Laminar, 10⁴
h = 1.42
¼
h = 1.42
¼
= 4.8 W/m². ̊C
b. Tebal Isolasi Dinding Ketel Bahan isolasi : Jika menggunakan karet talang dan kaca serat L=0.53 m Karet talang (karet dengan karbon hitam), k = 0.24 W/m. ̊C Tebal = 0.8 mm = 0.08 cm = 0.0008 m Selubung kaca-serat, k = 86 mW/m. ̊C = 0.086 W/m. ²C Tebal = 1.45 cm = 0.0145 m
Kondisi isolasi = dinding ketel Rk = RA + RB + RC
RA
RB
RC
karet
kaca-serat
karet
9
£6 = £6 = + =
6./. ..?
0.05m = 5cm (isolasi kristis)
Karena ro aktual > dari ro kritis, maka penambahan tebal isolasi akan mengurangi perpindahan kalor dari dinding ketel ke lingkungan. P¤ M
P¤ =
ln$d/ /d0 * ln$d4 /d/ * ln$d. /d4 * 2 · l · ¡N ¥ 2 · l · ¡¦ ¥ 2 · l · ¡" ¥ §¨$6.4503/6.45* /·O·6.54
§¨$6.4?63/6.4503* /·O·6.6?3·6.54
§¨$6.64?///6.4?63* /·O·6./.·6.54
M 0.3°/ª
Rh = 1/(2 x π x ro x L x h) = 1/(2 x 3.14 x (0.3822/2) x 0.53 x 4.8) = 0.33 ̊C/W Rth = Rk + Rh = 0.3 + 0.33 = 0.63 ̊C/W q
= (Tw - T∞)/Rth = (100-30) . ̊C / 0.63 ̊C/W = 111W
Kerugian kalor konveksi bebas tanpa isolasi (dari dinding ketel) : q = h x π x d x L x (Tw - T∞) = 4.8 x 3.14 x 0.35 x 0.53 x (100-30) = 195.7 W Penurunan rugi-rugi kalor konveksi bebas dari dinding ketel = (195.7-111)/195.7 = 43.3 % c. Rugi-rugi Kalor Konveksi Bebas pada Dinding Pipa Uap Parameter-parameter Suhu dinding
Tw = 100 ℃
Suhu dievaluasi pada kondisi arus bebas T∞ = 30 ̊C «¬¬ ¬® ¯°±¬
²Q
Percepatan grafitasi
g = 9.8 m/s2
³
066\46 ³35] /
Suhu permukaran solid
Ts = 1/338 = 0.0031 ̊C
Densitas zat cair jenuh
P1 = 1.041 kg/m3
Kalor spesifik zat cair jenuh
C1 = 1.008 kJ/kg. ̊C = 1008J/kg. ̊C
Viskositas zat cair
µ1 = 2.02 x 105 kg/m.s
Konduksi fluida jenuh
K = 0.03 W/m. ̊C
Panjang pipa
L = 350 mm = 0.35 m
gβρ/ c· $= ¸ ∞ *¹4 ´I,· µ£, M ¡
´I,· µ£, M
2.?6.6640·0.6.0a066? /.6/ º06pg· 6.64
<109 h=1.32
Laminar, Z
h = 1.32
$100 ¸ 30* · $0.035*3 = 4.7428º 10?
066)46 C 7 6.54 > =
¼
(Silinder horizontal)
10.3 W/m2 • ̊C d. Tebal Isolasi Dinding Uap
Bahan Isolasi : Jika menggunakan selubung kaca-serat L = 1.4 m Selubung kaca-serat, k = 86 m W/m.2C Tebal = 1.45 cm = 0.0145 m Kondisi isolasi : dinding pipa uap 9
£6³ = +
6.6?3 06.4
selubung kaca-serat
= 0.00835m = 0.0835 cm (isolasi kritis)
Karena ro aktual > dari ro kritis, maka penambahan tebal isolasi akan mengurangi perpindahan kalor dari dinding pipa uap ke lingkungan. P9 =
§¨$»a /»Z * /·O·9¼
+
§¨$6.6.?/6.602* /·O·6.6?3·
= 1.23 ºC
Rh = 1/(2 x lx ro x L x h) = 1/(2 x 3.14 x (0.048/2) x 1.4 x 10.3) = 0.46 ºC Rth = Rk + Rh = 1.23 + 0.46 = 1.69 ºC q
= (Tw - T∞)/Rth = (100-30) ºC / 1.69 ºC = 41.42 W/m².℃
Kerugian kalor konveksi bebas tanpa isolasi (dari dinding ketel) : Fluks kalor per satuan luas q/A= h x l x d x L x (Tw - T∞) = 10.3 x 3.14 x 0.019 x 1.4 x (10030) = 60.22 W/m2 Penurunan rugi-rugi kalor konveksi bebas dari dinding pipa uap = (60.22-41.42)/60.22 = 31.2 % 4. 4 Karakteristik Bahan Tabel 4.2 Karakteristik Bahan Sumber Balai Penelitian Tanaman Obat dan Aromatika (Balittro) Karakteristik
Keterangan
Spesifikasi Grafitasi 25ºC/25ºC
0,9625
Massa jenis pada 25ºC.p
Kalor spesifikasi bahan
0,9625 x 1000 = 9625,5 kg/m³ Spesifik Grafitasi. Pš = 0,9625 = p/pH2O ( acuan massa jenis air ) 0,5 Btu/1b/ºF = 2093,4 J/kg.ºC
Kalor laten minyak kayu putih
846 kj/kg
Kadar air
10 % (v/b) (ml/g)
Rendemen
1,6 % (v/b) (ml/g)
Titik didih
275ºC
Pacthhouly alcohol
32.8-40.55%
Bahan yang didestilasi menggunakan daun nilam kering (Pogostemon Pacthouly) yang akan menghasilkan Pacthouly Oil. Karakteristik dari bahan yang akan didestilasi yaitu: 4. 4.1 Keseimbangan Massa Asumsi jumlah daun kayu putih kering per kg : Table 4.3 keseimbangan massa dalam (kg) Zat/komposisi (awal) Daun kayu putih kering Air Proses Daun kayu putih kering Air Produk Daun kayu putih kering air destilasi
Solids
Air
rendemen
Uap
Total
0.8846
0.1
0.0154
-
1
0.8846
3 -
-
-
3
0.1154
1
0.8846
1.16 -
0.8846
-
1.84 -
-
1.16 -
-
-
1.16 1.9554
Sumber Balai Penelitian Obat dan Aromatika (Balittro) 4. 4. 2 Keseimbangan Kalor Kalor yang dilepaskan uap dan air Karakteristik air destilasi Densitas uap jenuh
Pv
: 1000 kg/m³
Kalor spesifikasi zat cair jenuh
C1
: 2275 J/kg.℃
0.8846
KOnstanta gabungan fluida-permukaan
Csƒ
: 4184 kj/kg ºC
Suhu uap jenuh
Ts
: 26ºC
Suhu air pendingin masuk
ti
: 100ºC
Jumlah kalor / kg uap air = kalor laten x massa uap air =2275 kj/kg x 0,1 ( asumsi kalor laten diserap bahan per kg uap 10% ) = 225,7 kJ 4. 4.3 Kalor Yang Dibutuhkan Untuk Menguapkan Air Dan Rendemen Dalam Bahan a. Kalor untuk menguap air/kilogram bahan Jumlah air/kg bahan = 0,1 kg Kalor laten dari uap air pada 100ºC,1 atm ( water steam table ) = 2275 kJ Suhu awal 29ºC Jumlah kalor = kalor laten + kalor sensible (29ºC) = ( 2257 kJkg x 0,1 kg ) + ( 0,1 kg x 4,418 kJ/kgºC ) = 225.7 + 29.7 kJ = 255.4 kJ b. Kalor untuk menguapkan rendeman / kilogram Bahan Massa jenis pada 25ºC, p1 = 0.9625 x 1000 = 926.5 kg / m³ Kalor laten minyak kayu putih = 846 kJ/kg ( asumsi ) Tawal minyak = 30ºC Kalor spesifik daun kayu putih kering 0.5Btu/1b/ºF = 2093.4 J/kg.ºC
Jumlah kalor = kalor laten ( redemen ) + kalor sensible bahan (dari 30ºC ke 100º) = (0.0154 kg x 864 kJ/kg) + [ 1 kg x 2.0943 kJ/kg.ºC x (100-30℃) =13.0284 kJ + 146.538 kJ = 159.5664 kJ = 160 kJ Kalor total (a+b) = 255.kJ + 160kJ = 415.4 kJ Jumlah uap / kg bahan = 415.4 / 225.7 = 1.84 kg. Jika jumlah bahan 2 kg Uap air yang di butuhkan = 1.84 x 2 = 3.68 liter Setelah melakukan proses analisa dan desain termal pada proses destilasi maka dilakukan ujicoba alat destilator, berikut ini adalah data minyak Atsiri yang dihasilkan selama ± 4 jam, dapat dilihat pada table 4.4 Table 4.4 Minyak kayu putih yang dihasilkan selama percobaan.
menit ke 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
Untuk bahan 2 kg daun kayu putih,minyak yg dihasilkan pada 106 ℃
0 0 0 0 0 0 5 12 18.1 23.5 28.2 32.4 37.5
Gambar 4.1. Grafik hasil minyak kayu putih.
240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
240 220 200 180 160 140
Waktu
120 100
Minyak Atsiri Yang di hasilkan
80 60 40 20 00
0
0
0
0
0
5
32.437.5 23.528.2 18.1 12
Setelah mengalami proses destilasi selama ± 4 jam. Pada menit ke 75 hasil minyak turun ke kran penampung minyak tetapi hasil minyak masih bercampur air kondensat dengan suhu mencapai 106°. Suhu tersebut adalah suhu tertinggi selama proses destilasi, Dan hasil minyak setelah proses destilasi ± 4 jam adalah 37.5 ml (Setelah diukur gelas penampung)
