13

BAB IPENDAHULUAN

A. Perpindahan KalorTiga model perpindahan kalor : 1. Konduksi 2. Konveksi 3. Radiasi.

1. Perpindahan Kalor Konduksi Jika ada perbedaan temperatur pada suatu benda, maka akan ada perpindahan energi dari suhu tinggi ke suhu rendah, perpindahan energi ini disebut konduksi. Laju perpindahan kalor konduksi:

Dimana:q = laju perpindahan kalor, watt = gradien suhu pada arah aliran kalor k = konduktivitas termal bahan, watt/m.0C

Tanda negatif pada persamaan diatas diberikan supaya memenuhi hukum termodinamika yaitu kalor mesti mengalir ke suhu yang lebih rendah seperti ditunjukkan gambar 1.

Gambar 1. Sketsa yang menunjukkan arah aliran kalor.

Perhatikan gambar 2, jika sistem berada dalam kondisi stedi (tunak) yaitu temperatur tidak berubah terhadap waktu, kita hanya perlu mengintegrasi persamaan (1.1). Jika terjadi perubahan suhu terhadap waktu maka penyelesaian persamaan diatas akan lebih kompleks. Untuk elemen dengan ketebalan dx , keseimbangan energinya adalah:Energi konduksi masuk dari kiri + kalor yang dibangkitkan dari elemen =Perubahan energi dalam + energi konduksi keluar di sebelah kanan

Gambar 2. Volume satuan untuk analisis konduksi kalor satu dimensi.

Dengan menggabungkan persamaan-persamaan diatas diperoleh:

Ini merupakan persamaan konduksi kalor satu dimensi. Untuk kondisi lebih dari satu dimensi, keseimbangan energi adalah:

Dan jumlah energi diberikan oleh:

Sehingga secara umum persamaan kalor konduksi tiga dimensi adalah:

Untuk konduktivitas termal konstan, persamaan (1.3) bisa ditulis:

Dimana: a = k/rc disebut difusitas termal bahan. Makain besar harga a makin cepat kalor berdifusi ke bahan. Difusivitas termal mempunyai satuan meter kwadrat per detik. Persamaan 1-3a bisa dirobah ke dalam koordinat silinder atau bola menjadi:A. Koordinat silinder:

a. Konduksi Padat Konduksi padat pada sistem insulasi terjadi pada partikel penyusun isolator yang saling bersentuhan satu sama lain. Perpindahan kalor konduksi padat ini dapat diminimalisir dengan cara memutuskan aliran panas dalam sistem insulasi. Pemutusan aliran panas ini dapat dilakukan dengan menggunakan partikel halus atau serat halus (fiber) sehingga resistansi terhadap aliran panas terbentuk pada setiap permukaan partikel penyusun isolator. Selain itu, daerah kontak antarpartikel juga berkurang menjadi titik kontak yang resistansinya tergantung pada deformasi yang disebabkan oleh beban tekan pada sistem insulasi. Konduktivitas termal dari sistem insulasi tidak dapat dihitung secara langsung (tidak seperti suhu, densitas, dan sifat fisika lainnya) sehingga hanya dapat dihitung melalui percobaan menggunakan persamaan Fourier sebagai berikut :

Dimana Q merupakan laju perpindahan kalor yang melalui material, k merupakan konduktivitas termal, A merupakan luas daerah kontak, T merupakan suhu, dan L merupakan ketebalan sistem insulasi.b. Konduksi GasGas merupakan kontributor dominan aliran panas pada sistem insulasi karena menghasilkan kontak termal yang bagus antarkomponen penyusun sistem insulasi. Perpindahan kalor konduksi gas ini dapat diminimalisir dengan cara menghilangkan gas dari void dalam sistem insulasi (divakumkan) sehingga menghasilkan konduktivitas termal yang kecil.Sesuai dengan teori kinetik gas, konduktivitas termal dari suatu gas proposional dengan jalan bebas rata-rata dari molekul-molekul dan densitas gas. Pada daerah tekanan atmosfer sampai sekitar 1 mmHg, konduksi gas tidak tergantung pada tekanan. Sedangkan pada daerah di bawah beberapa mmHg, konduksi gas tergantung pada tekanan. Penurunan tekanan gas menghasilkan kenaikan jalan bebas rata-rata, namun jika diturunkan lebih lanjut maka jalan bebas rata-rata ini tidak lagi dipengaruhi oleh tekanan.Densitas gas secara langsung proporsional terhadap tekanan dan akan terus menurun sebagai molekul gas, dimana proses perpindahan panas secara langsung antarkomponen yang berdekatan tanpa menyebabkan tabrakan dihilangkan. Semakin besar void antarkomponen insulasi, maka semakin rendah tekanan yang dibutuhkan untuk mencapai daerah dimana tekanan mempengaruhi konduksi gas. Ketika derajat kevakuman sulit dicapai, maka void antarkomponen harus dibuat sekecil mungkin sehingga konduksi gas berkurang secara bagus.

2. KonveksiSebuah pelat logam panas akan cepat menjadi dingin apabila ditempatkan didepan sebuah kipas angin dibandingkan jika hanya dibiarkan di udara diam.Kita sebut bahwa kalor di konveksi keluar dan kita sebut prosesnya perpindahan kalor konveksi. Misalkan sebuah pelat dipanaskan seperti gambar 4. Suhu pelat adalah Tw dan suhu fluida T, kecepatan aliran terlihat pada gambar. Kecepatan aliran berkurang sampai nol pada pelat karena efek gaya viskos. Karena kecepatan lapisan fluida pada dinding nol, kalor hanya ditransfer dengan cara konduksi pada titik ini. Karena itu kita bisa menggunakan persamaan (1.1) dengan konduktivitas termal fluida dan gradien temperatur fluida pada dinding. Namun kita tetap menyebutnya konveksi karena gradien temperatur bergantung atas laju fluida dalam mengambil kalor.

Gambar 4. Perpindahan kalor konveksi dari sebuah pelatEfek keseluruhan konveksi, dirumuskan dengan Hukum Newton tentang pendinginan:

Pada persamaan ini, laju perpindahan kalor dikaitkan dengan perbedaan temperatur menyeluruh antara dinding dan fluida dan luas permukaan. Besaran h disebut koefisien perpindahan kalor konveksi. Untuk kondisi kompleks, harga h ditentukan secara eksperimen. Koefisien perpindahan kalor kadang-kadang disebut juga konduktansi film. Satuan h adalah watt per meter kwadrat per derajat Celsius, jika aliran kalor dalam watt.

Gambar 5. Tabel koefisien Perpindahan panas konveksi

3. RadiasiBerbeda dengan perpindahan kalor konduksi dan konveksi dimana perpindahan energi terjadi melalui media, maka kalor juga bisa dipindahkan melalui ruang vakum. Mekanisme ini disebut radiasi elektromagnetik. Radiasi elektromagnetik yang dihasilkan oleh perbedaan temperatur disebut radiasi termal.Dalam termodinamika, pembangkit panas ideal atau benda hitam akan memancarkan energi sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak benda dan berbanding lurus dengan luas permukaan.Radiasi pada sistem insulasi terjadi melalui void dalam sistem insulasi dan melalui komponen insulasi. Laju perpindahan kalor dimana suatu permukaan mengemisikan radiasi termal diberikan oleh persamaan Stefan-Boltzman sebagai berikut :

Dimana e merupakan total emisivitas pada suhu T, A merupakan luas daerah kontak, dan merupakan konstanta Boltzman (5.67 x 10-12 W/cm2K4). Sedangkan total energi radiasi antarpermukaan adalah sebagai berikut :

Dimana subskrip 1 dan 2 merupakan suhu permukaan dingin dan panas, dan E merupakan faktor yang mencakup dua emisivitas. Pada suhu kriogenik, melalui eksperimen diperoleh sifat emisivitas sebagai berikut :a. Reflektor yang bagus merupakan konduktor listrik yang bagus (misal tembaga, perak, emas, dan aluminium);b. Penurunan emisivitas disertai penurunan suhu;c. Emisivitas dari reflektor yang bagus meningkat dengan adanya pengotor permukaan;d. Memadukan logam (alloy) dengan refletivitas yang bagus akan meningkatkan emisivitas;e. Emisivitas dapat ditingkatkan melalui perlakuan mekanik seperti hardening lapisan permukaan logam;f. Penampilan visual (kecerahan) tidak tergantung pada kekuatan refleksi pada panjang gelombang yang panjang.Berikut merupakan emisivitas dari beberapa logam pada suhu kriogenik :

Gambar 6. Tabel emisivitas logamPerpindahan panas total melalui radiasi antarpermukaan tergantung pada dua kuantitas, yaitu emisivitas dari permukaan hangat dan absorptivitas dari permukaan dingin yang memliki karakteristik distribusi energi-panjang gelombang. Dua kuantitas tersebut sering didesain menjadi emisivitas. Energi radiasi menurun secara drastis seiring dengan penurunan suhu, dimana panjang gelombang untuk energi maksimal menjadi lebih besar dengan penurunan suhu. Panjang gelombang ini direpreentasikan oleh persamaan Wien displacement sebagai berikut : = Dimana konstantanya merupakan 2898 m K.

B. Insulasi UretanaPada umumnya, insulasi kriogenik dibedakan menjadi 4 macam, yaitu vacuum insulation, fam insulation, powder insulation, dan multi layer insulation.a. Vacuum InsulationVacuum Insulation merupakan insulasi paling sederhana. Prinsip dari insulasi jenis ini adalah menghilangkan materi atau benda yang dapat menghantarkan panas dari media bersuhu tinggi ke rendah.Dengan prinsip ini, transfer panas melalui konduksi maupun konveksi dapat ditekan sekecil mungkin. Ruang vacuum sendiri, dibuat dengan cara membuat media penyimpan cairan kriogenik (tangki) terdiri dua lapisan/layer dimana udara yang terperangkap diantara dua layer di hisap semaksimal mungkin hingga tercipta ruang vakum. Faktor tekanan yang berasal dari dalam maupun dari atmosfer membuat sistem ini tidak layak di aplikasikan pada tanki skala besar. Insulasi ini biasanya digunakan untuk ukuran tangki skala laboratorium. Gambar dari media penyimpanan dengan vacuum insulation yang biasa digunakan dalam laboratorium.Secara teoritis, perpindahan panas melalui konduksi dan konveksi dapat diabaikan sehingga perpindahan panas melalui radiasi adalah yang paling dominan dalam insulasi jenis ini. Laju transfer panas secara radiasi antara dua permukaan dapat ditentukan dengan persamaan:

Dimana merupakan konstanta Stefan Boltzmann, Fe merupakan faktor emisitivitas, F1-2 merupakan faktor konfigurasi, A1 merupakan luas area permukaan 1, dan T merupakan suhu absolut.Untuk tangki penyimpanan fluida kriogenik, dimana tangki dalamnya ditutupi secara keseluruhan dengan tangki luar, maka F1-2 = 1, dimana subscript 1 menandakan permukaan yang ditutupi (tangki dalam) dan subscript 2 menandakan permukaan yang menutupi (tangki luar). Faktor emisivitas untuk radiasi difusi untuk silinder konsentrik atau spheres (bola) dapat dicari dengan :

Dimana e merupakan emisivitas dan adalah luas permukaan. Untuk N silinder konsentrik atau bola, maka laju transfer panasnya adalah:

Dimana TN merupakan suhu permukaan paling luar dan T1 adalah suhu permukaan paling dalam.b. Foam InsulationFoam insulation cryogenic seperti polistirena dan poliuretena diproduksi dengan ekspansi gas padatan organik dan anorganik. Gas ekspansi yang paling umum digunakan adalah CO2 dan freon. Campuran padat-gas ini membuat material densitas rendah (lebih rendah daripada powder insulation) dengan void yang banyak sehingga menghasilkan perpindahan kalor oleh konduksi padat yang lebih kecil. Tetapi, fam insulation menghasilkan jalur kontinu sehingga semakin besar panas yang dikonduksikan melalui material daripada powder insulation yang memiliki daerah kontak sangat kecil (titik kontak).Mekanisme perpindahan panas yang dominan adalah konduksi melalui gas intertisial, namun juga terdapat sejumlah kecil perpindahan panas secara radiasi. Sama dengan powder insulation, jika ukuran Cod dalam foam menurun sehingga hanya memungkinkan terjadinya konduksi gas molekular bebas, performa insulasi secara keseluruhan dapat ditingkatkan. Tetapi, peningkatan tersebut dapat memberikan hasil yang sebaliknya terhadap nilai konduktivitas termal karena nilai ini juga tergantung pada densitas dan suhu rata-rata insulasi. Berikut merupakan hubungan antara konduktivitas termal efektif rata-rata terhadap peningkatan ukuran molekul poliuretena:

Gambar 7. Grafik Hubungan Diameter Sel Rata-Rata terhadap Konduktivitas Termal pada Suhu uretanaKeuntungan utama dari foam insulation adalah kemudahan fabrikasi, harga yang relatif murah, dan struktur penyangga sendiri. Insulasi ini juga dapat difabrikasi menjadi lembaran fleksibel, foam pada lokasi tertentu, atau foam pada bagian insulasi yang kaku. Struktur kekerasan insulasi ini tergantung pada sifat mekanik dari material dasar penyusun foam serta ukuran dan konfigurasi jaringan seluler. Kemampuan ini dapat mengeliminasi kebutuhan penyangga dari konduktivitas termal yang lebih bagus untuk bagian dalam shell dari penyimpanan kriogenik.Kerugian dari foam insulation adalah konduktivitas termal dan ekspansi termal yang lebih tinggi dari isolator lainnya. Pada umumnya, koefisien ekspansi termal foam memiliki nilai dua sampai lima kali lebih besar daripada aluminium serta empat sampai sepuluh kali lebih besar daripada baja. Hal ini menyebabkan pada saat proses pendinginan dari suhu ruang sampai suhu kriogenik, foam akan lebih menciut daripada isolator logam dan retak sehingga menyebabkan terbentuknya celah. Celah-celah ini dapat dimasuki oleh udara dan uap air sehingga meningkatkan konduktivitas termal insulasi. Nilai dari koefisien ekspansi termal isolator foam memiliki nilai yang linear pada rentang suhu kriogenik. Berikut merupakan nilai ekspansi termal dari beberapa foam insulation :

Gambar 8. Grafik Ekspansi Termal pada Suhu uretanaApabila foam insulation sudah disimpan dalam waktu yang cukup lama, foaming gas (CO2 atau freon) akan digantikan oleh udara sehingga memperlambat difusi dan mereduksi konduktivitas termal melalui kondensasi gas. Hal ini dapat terjadi jika cairan yang ditampung adalah nitrogen. Tetapi, apabila fam insulation dibiarkan dalam ruangan terbuka (atmosfer), maka foaming gas akan digantikan oleh gas hidrogen dan helium sehingga meningkatkan konduktivitas termal insulasi. Oleh karena itu, pada penggunaannya, foam insulation membutuhkan barrier pada bagian luarnya. Berikut merupakan nilai konduktivtas termal dari beberapa foam insulation :

Tabel 1. Densitas, Suhu Batas Permukaan, Tekanan Ruang Uji, dan Konduktivitas Foam Insulation pada Suhu UretanaKerugian paling sering lainnya dari foam insulation adalah saat pengvakuman gas residual dari foam. Walaupun penghilangan gas ekspansi dari void dalam foam meningkatkan konduktivitas termal, hal ini sangat sulit dilakukan dan menghabiskan banyak waktu karena gas pengisi sel tertutup. Sebaliknya, sel yang bersifat semipermeabel ini dapat menyebabkan gas atmosferik masuk seiring dengan waktu secara difusi ke dalam sel sehingga menyebakan kenaikan konduktivitas termal.c. Powder InsulationKomponen utama pada powder insulation adalah konduktivitas termal yang kecil, densitas yang kecil, serta distribusi ukuran parikel untuk meminimalisir efek goncangan dan getaran. Powder dapat divakumkan (evacuated powder) dan tidak divakumkan (nonevacuated powder, diisi gas). Pada umumnya, ukuran partikel powder yang kecil membatasi perpindahan kalor konduksi gas dalam insulasi. Ketika ruang insulasi diisi dengan powder yang memiliki densitas kecil (rasio yang besar dari volume void gas pengisi terhadap volume material padat), diketahui bahwa konduktivitas termalnya mendekati konduktivitas termal gas dimana perpindahan kalor secara konduksi padat melalui powder kecil. Selain itu, keberadaan powder mencegah perpindahan kalor secara konveksi dan radiasi. Powder insulation dapat dibedakan menjadi evacuated powder dan nonevacuated powder. i. Nonevacuated InsulationInsulasi dengan gas-filled powder dapat dilakukan dengan cara mengurangi atau mengeleminasi perpindahan kalor konveksi akibat kehadiran gas pada void yang kecil dalam material. Kehadiran partikel padat juga mengurangi radiasi (biasanya sekitar 5% dari konduktivitas total) dan mencegah konduksi gas, dengan demikian dapat dikatakan konduksi padat dan konduksi gas melalui void menjadi mekanisme perpindahan kalor predominan.Insulasi gass-filled powder memiliki keterbatasan, yaitu gas pengisi harus tidak reaktif dan sesuai dengan material powder. Selain itu, dibutuhkan vapour barrier sekitar material packing untuk mencegah difusi dari udara dan air ke dalam insulasi. Vapor barrier ini dapat berupa peghalang berupa struktural, penghalang berupa membran, dan penghalang berupa lapisan.

ii. Evacuated InsulationSalah satu cara untuk mengurangi konduktivitas termal dari gas-filled powder atau nonevacuated adalah dengan mengurangi tekanan gas residualnya. Pada umunya, evacuated powder bekerja pada suhu antara suhu ruang dan suhu nitrogen cair dimana perpindahan kalor secara radiasi lebih besar daripada perpindahan kalor secara konduksi padat. Oleh karena itu, pada rentang suhu ini, evacuated powder dapat bekerja secara optimal karena membatasi perpindahan kalor secara radiasi. Sebaliknya, perpindahan kalor secara konduksi padat menjadi lebih besar daripada perpindahan kalor secara radiasi di bawah suhu nitrogen cair. Oleh karena itu, digunakan vacuum insulation untuk kondisi yang demikian.