MAKALAH MATA KULIAH PERPINDAHAN PANAS

(HEAT TRANSFER WITH PHASE TRANSFORMATION)

Disusun oleh :

M. Hilmy Fariqi (2710100002) M. Khabibie Albistomi (2710100022)

Paiman Jhony (2710100057)

Dosen Pembimbing :

Yuli Setiyorini, S.T., M.Phil.

JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN MTALURGIFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOVEMBERSURABAYA

2012

BAB IPENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Sering di jumpai di kehidupan sehari-hari proses perpindahan panas yang mungkin jarang kita sadari. Contohnya saja pada proses merebus air, ketika merabus air terjadi perpindahan panas dari api/pemanas ke penampang panci yang digunakan dalam merebus air. Dan secara otomatis ketika penampang bawah panci yang contact langsung dengan api akan menaikkan temperature dari air tersebut. Dan bagaimanakah itu bisa terjadi serta bagaimana penghitungannya secara matematis?

Selain proses tersebut di atas, ada juga proses kebalikan dari Boiling yaitu condensation. Sebagai contoh di kehidupan sehari-hari adalah proses terbentuknya embun pada permukaan gelas yang di isi es batu. Kesamaan di antara kedua proses tersebut ialah terdapat perubahan fase ketika terjadi proses perpindahan panas. Terjadi preubahan fase dari cair ke gas pada proses boiling dan dari gas ke cair pada proses condensation. Kebanyakan orang awam kurang atau bahkan tidak menyadari fenomena tersebut, dan bagi penulis perihal proses perpindahan panas sangat penting guna mempelajari mekanisme perindahan panas.

Makalah ini disusun untuk memenuhi tugas dari mata kuliah Heat and Mass Transfer yang secara khusus membahas tentang Bab Heat Tranfer With Phase Tranformation.

I.2 Rumusan Masalah

1. Bagaimana proses boiling berlangsung?2. Bagaimana penggunaan rumus matematis dalam proses boiling?3. Bagaimana proses condensation berlangsung?4. Bagaimana penerapan rumus matematis dalam proses condensation?

I.3 Tujuan

1. Memahami proses terjadinya perpindahan panas pada boiling.2. Memahami penggunaan rumus matematis pada proses boiling.3. Memahami proses transfer energy pada condensation.4. Memahami penerapan rumus matematis pada condensation.

BABIITINJAUAN PUSTAKA

II.1 Definisi

Heat Transfer/perpindahan panas adalah suatu proses transfer energy yang disebabkan karena adanya perbedaan temperature di antara dua material/tools yang saling bersentuhan secara langsung.

Phase/fase adalah suatu bahan atau material yang memiliki struktur/sifat kimia yang sama tetap dapat dibedakan baik secara fisik maupun dipisahkan secara mekanik.

II.2 Boiling Heat Transfer

Dalam kehidupan sehari-hari, hampir dari setiap orang pasti pernah melakukan kegiatan merabus air. Yang berarti dalam hal ini mereka telah melakukan proses transfer energy dari panci ke dalam air akibat dari perbedaan temperature dari panci dan air itu sendiri. Jadi boiling itu adalah proses perubahan fase dari liquid ke uap yang hamper sama dengan prose penguapan, tetapi antara boiling dan penguapan ini sangat jelas merupakan suatu proses yang sangat berbeda. Penguapan ini akan terjadi interface cair-uap ketika tekanan uap kurang dari/lebih kecil dari saturasi tekanan cairan pada temperature tertentu. Sebagai contoh air di danau pada 20 oC, menguap ke udara pada 20 oC dan 60 % kelembaban relative, tekanan saturasinya 2.3 kPa. Tekanan uap udara pada 20 oC dan 60 % kelembaban ralatif, tekanan saturasinya 1.4 kPa.

Di lain pihak Boiling terjadi pada interface antara solid-liquid ketika liquid yang contact langsung dengan permukaan dijaga pada temperature Ts tepat berada diatas temperature Tsat dari liquid. Contohnya pada tekanan 1 atm, air yang contact langsung dengan permukaan solid pemanas pada 110 oC.

II.3 Boiling Regimes dan Boiling Curve

Dalam hal ini boiling di bedakan berdasarkan excess temperature(Ts-Tsat), seperti yang terlihat pada gambar berikut ini:

Gambar II.1 Regimes Boiling

II.3.1 Natural Convection Boiling

Seperti yang kita ketahui dari thermodinamika bahwa zat murni pada tekanan tertentu mulai mendidih ketika mencapai temperature saturasi pada tekanan tersebut. Akan tetapi dalam kondisi realnya kita tidak melihat gelembung terbentuk pada permukaan alat pemanas sampai air dipanaskan beberapa derajat diatas temperature saturasinya( sekitar 2-6 oC untuk air). Meskipun demikian liquid sedikit superheated dalam kasus ini (sebuah kondisi yang metastabil) dan menguap ketika naik ke permukaan bebas.

II.3.2 Nucleate Boiling

Nucleate boiling merupakan salah satu macam dari proses boiling dengan excess temperature < 30 oC. Nucleate boiling ini adalah proses boiling yang paling banyak digunakan dalam praktek, karena tingkat perpindahan panasnya tinggi dengan excess temperature yang relative rendah. Berikut ini rumusan secara matematisnya :

Di mana :

µl = viscositas liquid, kg/m.s

hfg = enthalpy penguapan, J/kg

ρl = densitas liquid, kg/m3

ρv = densitas uap, kg/m3

σ = tagangan permukaan dari liquid-vapor interface, N/mg = percepatan gravitasi, m/s2

Cpl = spesifik panas liquid, J/kg.oCCsf = experimental constantTs = temperature permukaan, oCTsat = temperature saturasi, oCPrn

l = angka prandtl dari liquidn = experimental constant

II.3.3 Transition Boiling

Sebagai pemanas temperature dan excess temperature akan naik pada point C, terjadi peak heat flux. Setelah melewatinya akan terjadi penurunan heat flux. Hal ini seperti di tunjukkan dalam gambar II.1 diatas.

Hal ini disebabkan karena sebagian besar permukaan pemanas tertutup oleh film uap yang bertindak sebagai isolasi karena memiliki thermal conductivity yang relative rendah. Dalam regimes ini baik itu nucleate boiling maupun film boiling terjadi sebagian di sini. Nama lain dari transition boiling ini adalah unstable film boiling, dan proses ini sangat di hindari dalam praktek. Untuk air, transition boiling ini terjadi antara rentang temperature (excess temperature) 30-120 oC.

Pada proses ini terjadi dua hal penting yaitu Peak heat flux dan minimum heat flux. Berikut ini rumusan secara matematisnya :

II.3.4 Film Boiling

Hal ini terjadi disebabkan oleh permukaan pemanas yang benar-benar tertutup oleh lapisan uap kontinu yang stabil. Pada gambar II.1 diatas, di jelaskan bahwa di titik D dimana heat flux mencapai nilai minimum, disebut titik Leidenfrost, untuk menghormati JC Leidenfrost, yang mengamati proses ini pada tahun 1756 yang tetesan cairan pada permukaan yang sangat panas di percikkan dan perlahan-lahan mendidih. Kehadiran film uap antara permukaan pemanas dan cairan bertanggug jawab atas kecepatan heat transfer yang rendah di wilayah film boiling. Tingkat perpindahan panas meningkat dengan temperature berlebih, meningkat sebagai akibat dari perpindahan panas dari permukaan yang dipanaskan dengan cairan melalui film uap oleh radiasi yang menjadi signifikan pada suhu tinggi.

Sebuah proses perebusan yang khas tidak mengikuti kurva didih melebihi titik C, seorang Nukiyama telah mengamati selama percobaannya. Nukiyama melihat dengan terkejut, bahwa ketika energy yang dikenakan ke kawat nikrom direndam dalam air melebihi q max meskipun hanya sedikit, temperatur kawat meningkat secara tiba-tiba mendekati titik leleh kawat tersebut dan terjadi kebakaran yang di luar kendalinya. Ketika ia mengulangi percobaan dengan kawat platinum, yang memiliki titik leleh yang lebih tinggi, ia mampu menghindari kebakaran dan menjaga fluks panas tetap lebih tinggi dari q · maks. Dan ketika secara bertahap mengurangi energy, maka akan diperoleh kurva seprti pada gambar II.1

Cara penghitungan heat flux secara matematis seperti berikut ini:

Dimana :kv = konduktifitas thermal uap, W/m.oCCfilm = 0.62 untuk horizontal cylinders dan 0.67 untuk spheres.

II.4 Condensation Heat Transfer

Kondensasi terjadi ketika suhu uap berkurang bawahnya temperatur saturasi Tsat. Hal ini biasanya dilakukan dengan membawa uap ke dalam kontak dengan permukaan padat yang suhunya Ts berada di bawah saturasi temperature Tsat dari uap. Tetapi juga bisa terjadi kondensasi pada permukaan bebas dari cairan atau bahkan dalam gas ketika temperatur cairan atau gas dimana uap terkena bawah Tsat. Dalam kasus terakhir, tetesan cairan tersuspensi dalam gas membentuk kabut.

Ada dua macam kondensasi yang akan dibahas yaitu : film condensation dan droplets condensation. Dalam film condensation, kondensat membasahi perrmukaan dan membentuk lapisan cair di permukaan yang meluncur ke bawah di bawah pengaruh gravitasi. Ketebalan film cair meningkat dalam arah aliran uap yang terkondensasi melebihi dari pada lapisan tersebut. Ini adalah bagaimana kondensasi biasanya terjadi dalam praktek. Dalam droplets condensation, uap terkondensasi membentuk tetesan pada permukaan bukannya film terus menerus, dan permukaan ditutupi oleh tetesan yang tak terhitung jumlahnya dari diameter yang bervariasi.

Dalam Film condensation, permukaan diselimuti oleh lapisan liquid dengan ketebalan meningkat, dan ini "liquid wall" antara permukaan padat dan uap berfungsi sebagai resistensi terhadap perpindahan panas. Panas penguapan hfg

dirilis sebagai uap pengembun yang harus melewati resistansi ini sebelum dapat mencapai permukaan padat dan ditransfer ke media di sisi lain. Bagaimanapun juga dalam Droplets Condensation, tetesan bergeser ke bawah ketika mereka mencapai ukuran tertentu, membersihkan permukaan dan diekspos ke uap. Tidak ada lapisan liquid dalam hal ini untuk menolak perpindahan panas. Akibatnya, kecepatan transfer panas yang lebih dari 10 kali lebih besar dari pada yang terkait dengan film condensation dapat dicapai dengan droplets condensation. Oleh karena itu, droplets condensation adalah modus pilihan kondensasi dalam aplikasi transfer panas, dan orang-orang telah lama mencoba untuk mencapai droplets condensation berkelanjutan dengan menggunakan uap aditif berbagai lapisan

permukaan. Upaya-upaya ini masih belum begitu berhasil, namun karena droplets condensation dicapai tidak berlangsung lama dan dikonversi ke film condensation setelah beberapa waktu. Oleh karena itu, adalah praktek umum untuk menjadi konservatif dan menganggap kondensasi film di desain untuk peralatan pemindah panas.

Berikut ini adalah beberapa formula yang digunakan dalam penghitungan pada kasus kondensasi :

II.5 Contoh Soal dan Pembahasan

1. Air dipanaskan pada tekanan atmosfer dalam panci mechanically polished stainless steel yang ditaruh diatas alat pemanas, seperti terlihat pada gambar dibawah ini. Permukaan dalam bagian bawah panci dijaga agar temperaturnya 108oC. Jika diameter bagian bawah panci 30 cm, tentukan: Maka tentukan :a. The rate of heat transfer to the water?b. The rate of evaporation of water?

Solution :Asumsi: Steady State, Heat loss selama proses boiling di abaikan∆T=Ts-Tsat=108 C-100 C=8 C(<30 C)Maka yang terjadi disiini adalah prose nucleate Boiling, dimana dalam hal ini untuk mencari Heat Rate menggunakan Formula di bawah ini:

Dari tabel properties Di peroleh data-data beperti berikut:

= (0.282x10-3)(2257x103)

[9.81 (957.9−0.6)0.0589 ]

1 /2

[ 4217(108−100)0.0130 (2257 x103 ) 1.75 ]

3

= 7.21x10 4 W/m 2

= 3.14(0.3 m)2/4 = 0.07069 m 2

a. = (0.07069 m2)(7.21x104 W/m2) = 5097 Wb. = (5097 J/s)/(2257x103 J/Kg) = 2.26x10 -3 Kg/s

2. Uap jenuh pada tekanan atmosfer mengembun pada plate vertikal dengan ukuran lebar 2 m dan panjang 3 m dijaga temperaturenya pada 80 oC dengan cara mengaliri cairan pendingin di sisi yan lain. Tentukan :a. The rate of heat transfer oleh kondensasi pada plate tersebut?b. the rate at which the condensate drips off the plate at the bottom?

Solusi :

Asumsi: Steady state, wavy laminar flow, ρv << ρl, plate isothermal

Dari data table properties air di peroleh data-data sebagai berikut :

a)

b)

BAB IIIPENUTUP

III.1 Kesimpulan

Boiling adalah heat transfer yang mengubah fase air dari liquid ke gas. Condensation adalah heat transfer yang mengubah fase air dari gas ke

liquid. Untuk memperoleh manfaat yang maksimal dari boiling, maka dipilih

proses nucleate boiling. Dan ini banyak di gunakan hamper di semua industry.

III.2 Saran

Setalah membaca makalah ini, pembaca disarakan untuk mendalami tentang perpindahan panas yang sering di aplikasikan dalam kehidupan nyata.

Ada beberapa rekomendasi referensi untuk menambah pengetahuan tentang heat transfer yaitu : - Heat and Mass Transfer Sixth edition, by Incopera.- Transprot Phenomena Second edition, by Bird.

DAFTAR PUSTAKA

Bird, R. Bryon, and friends, 2002. Transport Phenomena 2nd edition. New York: John Wiley & Sons.Inc.

Incopera, Frank P., DeWitt, David P., 2006. Fundamental of Heat and Mass Transfer 6th edition. New York: John Wiley & Sons.Inc.

Annamalai, Kalyan, Puri, Iswar K., 2002. Advanced Thermodynamic Engineering. New York. CRC Press.