Perpindahan Panas

DAFTARPUSTAKA

KEGIATAN HIBAH KOMPETISIKONTEN MATAKULIAH E-LEARNINGUSU-INHERENT 2006

BUKU AJAR

PERPINDAHAN PANAS

Disusun Oleh:

ZUHRINA MASYITHAH, ST, MSc.BODE HARYANTO, ST, MT

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

file:///D|/E-Learning/Perpindahan%20Panas/Textbook/Judul%20dll.html (1 of 7)5/8/2007 3:24:04 PM

DAFTARPUSTAKA

FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN2006

DAFTAR PUSTAKA

Foust, A.S., et a1., Principles of Unit Operations, John Wiley & Sons, New York, 1980.Geankoplis, C.J., Transport Process and Unit Operations, A11yn and Bacon Inc., 1987.

Holman, J.P., Heat Transfer, Mc Graw Hill, New York, 1987.Incropera, F.P., dan Dewitt, D.P., Fundamental of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons, 2002.

Kern, D.Q., Process Heat Transfer, Mc Graw Hill, New York, 1950.McCabe, Smith dan Harriots, Unit Operations in Chemical Engineering, Mc Graw Hill,1985.


DAFTARPUSTAKA

LAMPIRAN


INFORMASI UMUM

Judul Mata Kuliah Perpindahan PanasNomor Kode/SKS TKK- 301/ 3 SKSDosen Pengampu Dr. Ir. Rosdanelli, MTAnggota Zuhrina Masyithah, ST, MSc. Bode Haryanto, ST, MT Erni Misran, ST, MTDeskripsi Singkat Mata kuliah ini berisi uraian mengenai Dasar-dasar

Perpindahan Panas Steady dan Unsteady; Perpindahaan Panas ke Fluida yang Tak Berubah Fasa; Perpindahan Panas ke Fluida yang Disertai dengan Perubah Fasa; Peralatan Penukar Panas; Operasi dan Peralatan Evaporasi; Kristalisasi

Tujuan Instruksional Umum Setelah mengikuti mata kuliah ini, mahasiswa diharapkan mampu memahami dasar-dasar perpindahan panas pada keadaan steady dan unsteady, dapat menyelesaikan masalah perpindahan panas ke fluida yang tak berubah fasa dan ke fluida yang disertai dengan perubahan fasa, rancangan proses dan evaluasi peralataan pertukaraan panas tanpa dan disertai dengan perubahan fasa; rancangan proses dan evaluasi peralataan evaporasi efek tunggal dan ganda; serta proses kristalisasi

DAFTARPUSTAKA

Bahan bacaan Geankoplis, C.J., Transport Processes and Separation Process Principles, Edisi ke-3, PTR, New Jersey, 1987. McCabe, W.L., Smith, J.C. dan Harriott, P., Unit Operations of Chemical Engineering, Edisi ke-4, McGraw-Hill, Singapore, 1985. Richardson, J.F., Harker, J.H. dan Backhurst, J.R., Coulson & Richardsons Chemical Engineering Vol. 1, Edisi ke-5, BH, Oxford, 1996.

LAMPIRAN


GBPP DAN SAP

DAFTARPUSTAKA

LAMPIRAN


BAHAN PRESENTASI

DAFTARPUSTAKA

LAMPIRAN


BUKU AJARPERPINDAHAN PANAS

DAFTARPUSTAKA

LAMPIRAN


UMPAN BALIK

DAFTARPUSTAKA

KATA PENGANTAR

Buku Ajar Perpindahan Panas ini merupakan salah satu keluaran dari kegiatan HIBAH KOMPETISI KONTEN MATAKULIAH E-LEARNING, USU-INHERENT 2006, untuk matakuliah PERPINDAHAN PANAS. Mata kuliah ini diajarkan pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik USU. Konten e-learning yang dikembangkan untuk mata kuliah ini bertujuan untuk memperoleh metode pembelajaran yang lebih baik untuk mata kuliah perpindahan panas yang mengkombinasikan kegiatan mengajar di kelas, aktivitas laboratorium dan penggunaan konten e-learning. Penyusun mengucapkan terima kasih kepada Direktorat Jenderal Perguruan Tinggi yang mendukung terlaksananya kegiatan ini. Semoga buku ajar yang dihasilkan ini dapat bermanfaat.

Medan, Desember 2006Penyusun, Zuhrina Masyithah, ST, MSc.Bode Haryanto, ST, MT

DAFTAR ISI

file:///D|/E-Learning/Perpindahan%20Panas/Textbook/Daftar%20Isi%20Buku%20Ajar.html (1 of 3)5/8/2007 3:24:05 PM

DAFTARPUSTAKA

KATA PENGANTAR iDAFTAR ISI iiBAB I Pendahuluan 1-1 1.1.Pancaran (Radiasi) 1-2 1.2.Hantaran (Konduksi) 1-4 1.3.Aliran (Konveksi) 1-6BAB II Perpindahan Panas Konduksi 2-1 2.1.Konduksi Keadaan Steady 2-2 2.1.1.Dinding Datar 2-4 2.1.2.Sistem Radial-Silinder 2-6BAB III Perpindahan Panas Konveksi 3-1 3.1. Konveksi Alamiah 3-4 3.2. Konveksi Paksa 3-7 3.3. Gabungan Konduksi dan Konveksi 3-14BAB IV Alat Penukar Kalor 4-1 4.1. Alat Penukar Kalor Pipa 4-2 4.2. Penukar Kalor Pelat 4-5 4.3. Penukar Kalor Pendingin Udara 4-5 4.4. Analisa Alat Penukar Kalor Pipa Ganda 4-8BAB V Perpindahan Kalor disertai Perubahan Fasa 5-1 5.1. Perpindahan Kalor dari Uap yang Mengembun 5-1 5.2. Perpindahan Kalor ke Zat Cair yang Mendidih 5-9BAB VI Proses Evaporasi 6-1 6.1. Pendahuluan 6-1 6.2. Jenis-Jenis Evaporator 6-5 6.3. Kapasitas Evaporator 6-21 6.4. Ekonomi Evaporator 6-25

BAB VII Evaporator Efek Ganda 7-1 7.1. Kapasitas dan Ekonomi Evaporator 7-5BAB VIII Kristalisasi 8-1


DAFTARPUSTAKA

8.1. Prinsip Kristalisasi 8-4Daftar Pustaka Lampiran : Umpan Balik Quiz Soal Ujian Tengah Semester Soal Ujian Akhir Semester Tugas dan Soal-soal Latihan


PERPINDAHAN PANAS

BAB I

PENDAHULUAN

file:///D|/E-Learning/Perpindahan%20Panas/Textbook/01%20Bab%201%20Pendahuluan.html (1 of 7)5/8/2007 3:24:05 PM

Perpindahan ka1or dari suatu zat ke zat lain seringkali terjadi dalam industri proses. Pada kebanyakan pengerjaan, diperlukan pemasukan atau pengeluaran ka1or, untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Kondisi pertama yaitu mencapai keadaan yang dibutuhkan untuk pengerjaan, terjadi umpamanya bila pengerjaan harus berlangsung pada suhu tertentu dan suhu ini harus dicapai dengan ja1an pemasukan atau pengeluaran ka1or. Kondisi kedua yaitu mempertahankan keadaan yang dibutuhkan untuk operasi proses, terdapat pada pengerjaan eksoterm dan endoterm. Disamping perubahan secara kimia, keadaan ini dapat juga merupakan pengerjaan secara a1ami. Dengan demikian. pada pengembunan dan penghabluran (krista1isasi) ka1or harus dikeluarkan. Pada penguapan dan pada umumnya juga pada pelarutan, ka1or harus dimasukkan. Ada1ah hukum a1am bahwa ka1or itu suatu bentuk energi. Sama seperti bentuk lain dari energi, jumlah ka1or juga dinyatakan da1am suatu gaya kali suatu jarak yaitu Newton ka1i meter atau Nm. 1 Nm dinamakan 1 Joule. Untuk memberikan sedikit gambaran mengenai besarnya energi 1 Joule tersebut, bisa diperhatikan dari ha1 berikut: Untuk penguapan 1 kg air, diperlukan cukup banyak energi yaitu perubahan zat cair ke dalam uap ini kira-kira membutuhkan energi 2.225.000 Joule = 2,25 MJ. Pada pembakaran 1 kg minyak akan terbebas kira-kira 45 MJ. Ka1or mengalir dengan sendirinya dari suhu yang tinggi ke suhu yang rendah. Akan tetapi, gaya dorong untuk a1iran ini ada1ah perbedaan suhu. Bila sesuatu benda ingin dipanaskan, maka harus dimi1iki sesuatu benda lain yang lebih panas, demikian pula ha1nya jika ingin mendinginkan sesuatu, diperlukan benda lain yang lebih dingin.

PERPINDAHAN PANAS

Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak musnah yaitu seperti hukum asas yang lain, contohnya hukum kekekalan masa dan momentum, ini artinya kalor tidak hilang. Energi hanya berubah bentuk dari bentuk yang pertama ke bentuk yang ke dua. Bila diperhatikan misalnya jumlah energi kalor api unggun kayu yang ditumpukkan, semua ini .menyimpan sejum1ah energi dalam yang ditandai dengan kuantitas yang lazim disebut muatan kalor bahan. Apabila api dinyalakan, energi terma yang tersimpan di dalam bahan tadi akan bertukar menjadi energi kalor yang dapat kita rasakan. Energi kalor ini mengalir jika terdapat suatu perbedaan suhu. Bila diperhatikan sebatang logam yang dicelupkan ke dalam suatu tangki yang berisi air kalor. Karena suhu awal logam ialah T1 dan suhu air ialah T2, dengan T2 >> T1, maka logam

dikatakan lebih dingin daripada air. Ha1 yang penting dalam sistem yang terdiri dari air dan logam ialah adanya suatu perbedaan suhu yang nyata yaitu (T2- T1).

Kalor dapat diangkut dengan tiga macam cara yaitu:

1. Pancaran, sering juga dinamakan radiasi.2. Hantaran, sering juga disebut konduksi.3. Aliran, sering juga disebut radiasi.

1.1. Pancaran (Radiasi) Yang dimaksud dengan pancaran (radiasi) ia1ah perpindahan ka1or mela1ui gelombang dari suatu zat ke zat yang lain. Semua benda memancarkan ka1or. Keadaan ini baru terbukti setelah suhu meningkat. Pada hakekatnya proses perpindahan ka1or radiasi terjadi dengan perantaraan foton dan juga gelombang elektromagnet. Terdapat dua teori yang berbeda untuk menerangkan bagaimana proses radiasi itu terjadi. Semua bahan pada suhu mutlak tertentu akan menyinari sejumlah energi ka1or tertentu. Semakin tinggi suhu bahan tadi maka semakin tinggi pula energi ka1or yang disinarkan. Proses radiasi adalah fenomena permukaan. Proses radiasi tidak terjadi pada bagian da1am bahan. Tetapi suatu bahan apabila menerima sinar, maka banyak ha1 yang boleh terjadi. Apabila sejumlah energi ka1or menimpa suatu permukaan, sebahagian akan dipantulkan, sebahagian akan diserap ke da1am bahan, dan sebagian akan menembusi bahan dan terus ke luar. Jadi da1am mempelajari perpindahan ka1or radiasi akan dilibatkan suatu fisik permukaan.


PERPINDAHAN PANAS

Bahan yang dianggap mempunyai ciri yang sempurna ada1ah jasad hitam. Disamping itu, sama seperti cahaya lampu, adaka1anya tidak semua sinar mengenai permukaan yang dituju. Jadi da1am masalah ini kita mengena1 satu faktor pandangan yang lazimnya dinamakan faktor bentuk. Maka jumlah ka1or yang diterima dari satu sumber akan berbanding langsung sebahagiannya terhadap faktor bentuk ini. Dalam pada itu, sifat terma permukaan bahan juga penting. Berbeda dengan proses konveksi, medan a1iran fluida disekeliling permukaan tidak penting, yang penting ialah sifat terma saja. Dengan demikian, untuk memahami proses radiasi dari satu permukaan kita perlu memahami juga keadaan fisik permukaan bahan yang terlibat dengan proses radiasi yang berlaku. Proses perpindahan kalor sering terjadi secara serentak. Misa1nya sekeping plat yang dicat hitam. La1u dikenakan dengan sinar matahari. Plat akan menyerap sebahagian energi matahari. Suhu plat akan naik ke satu tahap tertentu. Oleh karena suhu permukaan atas naik maka kalor akan berkonduksi dari permukaan atas ke permukaan bawah. Da1am pada itu, permukaan bagian atas kini mempunyai suhu yang lebih tinggi dari suhu udara sekeliling, maka jumlah kalor akan disebarkan secara konveksi. Tetapi energi kalor juga disebarkan secara radiasi. Dalam hal ini dua hal terjadi, ada kalor yang dipantulkan dan ada kalor yang dipindahkan ke sekeliling.

Gambar 1.1. Perpindahan panas radiasi(a) pada permukaan, (b) antara permukaan dan lingkungan

Berdasarkan kepada keadaan terma permukaan, bahan yang di pindahkan dan dipantulkan ini dapat berbeda. Proses radiasi tidak melibatkan perbedaan suhu. Keterlibatan suhu hanya terjadi jika terdapat dua permukaan yang mempunyai suhu yang berbeda. Dalam hal ini, setiap permukaan akan menyinarkan energi kalor secara radiasi jika permukaan itu bersuhu T dalam unit suhu mutlak. Lazimnya jika terdapat satu permukaan lain yang saling berhadapan, dan jika


PERPINDAHAN PANAS

permukaan pertama mempunyai suhu T1 mutlak sedangkan permukaan kedua mempunyai suhu

T2 mutlak, maka permukaan tadi akan saling memindahkan kalor .

Selanjutnya juga penting untuk diketahui bahwa :

1. Kalor radiasi merambat lurus.2. Untuk perambatan itu tidak diperlukan medium (misalnya zat cair atau gas)

1.2. Hantaran (Konduksi) Yang dimaksud dengan hantaran ialah pengangkutan kalor melalui satu jenis zat. Sehingga perpindahan kalor secara hantaran/konduksi merupakan satu proses pendalaman karena proses perpindahan kalor ini hanya terjadi di dalam bahan. Arah aliran energi kalor, adalah dari titik bersuhu tinggi ke titik bersuhu rendah.

Gambar 1.2. Perpindahan panas konduksi dan difusi energi akibat aktivitas molekul Sudah diketahui bahwa tidak semua bahan dapat menghantar kalor sama sempurnanya. Dengan demikian, umpamanya seorang tukang hembus kaca dapat memegang suatu barang kaca, yang beberapa cm lebih jauh dari tempat pegangan itu adalah demikian panasnya, sehingga bentuknya dapat berubah. Akan tetapi seorang pandai tempa harus memegang benda yang akan ditempa dengan sebuah tang. Bahan yang dapat menghantar ka1or dengan baik dinamakan konduktor. Penghantar yang buruk disebut isolator. Sifat bahan yang digunakan untuk menyatakan bahwa


PERPINDAHAN PANAS

bahan tersebut merupakan suatu isolator atau konduktor ialah koefisien konduksi terma. Apabila nilai koefisien ini tinggi, maka bahan mempunyai kemampuan mengalirkan kalor dengan cepat. Untuk bahan isolator, koefisien ini bernilai kecil. Pada umumnya, bahan yang dapat menghantar arus listrik dengan sempurna (logam) merupakan penghantar yang baik juga untuk kalor dan sebaliknya. Selanjutnya bila diandaikan sebatang besi atau sembarang jenis logam dan salah satu ujungnya diulurkan ke dalam nyala api. Dapat diperhatikan bagaimana kalor dipindahkan dari ujung yang panas ke ujung yang dingin. Apabila ujung batang logam tadi menerima energi kalor dari api, energi ini akan memindahkan sebahagian energi kepada molekul dan elektron yang membangun bahan tersebut. Moleku1 dan elektron merupakan alat pengangkut kalor di dalam bahan menurut proses perpindahan kalor konduksi. Dengan demikian dalam proses pengangkutan kalor di dalam bahan, aliran elektron akan memainkan peranan penting . Persoalan yang patut diajukan pada pengamatan ini ialah mengapa kadar alir energi kalor adalah berbeda. Hal ini disebabkan karena susunan molekul dan juga atom di dalam setiap bahan adalah berbeda. Untuk satu bahan berfasa padat molekulnya tersusun rapat, berbeda dengan satu bahan berfasa gas seperti udara. Molekul udara adalalah renggang seka1i. Tetapi dibandingkan dengan bahan padat seperti kayu, dan besi , maka molekul besi adalah lebih rapat susunannya daripada molekul kayu. Bahan kayu terdiri dari gabungan bahan kimia seperti karbon, uap air, dan udara yang terperangkat. Besi adalah besi. Kalaupun ada bahan asing, bahan kimia unsur besi adalah lebih banyak. 1.3. Aliran (Konveksi) Yang dimaksud dengan aliran ialah pengangkutan ka1or oleh gerak dari zat yang dipanaskan. Proses perpindahan ka1or secara aliran/konveksi merupakan satu fenomena permukaan. Proses konveksi hanya terjadi di permukaan bahan. Jadi dalam proses ini struktur bagian dalam bahan kurang penting. Keadaan permukaan dan keadaan sekelilingnya serta kedudukan permukaan itu adalah yang utama. Lazimnya, keadaan keseirnbangan termodinamik di dalam bahan akibat proses konduksi, suhu permukaan bahan akan berbeda dari suhu sekelilingnya. Dalam hal ini dikatakan suhu permukaan adalah T1 dan suhu udara sekeliling adalah T2 dengan Tl>T2. Kini


PERPINDAHAN PANAS

terdapat keadaan suhu tidak seimbang diantara bahan dengan sekelilingnya. Perpindahan kalor dengan jalan aliran dalam industri kimia merupakan cara pengangkutan kalor yang paling banyak dipakai. Oleh karena konveksi hanya dapat terjadi melalui zat yang mengalir, maka bentuk pengangkutan ka1or ini hanya terdapat pada zat cair dan gas. Pada pemanasan zat ini terjadi aliran, karena masa yang akan dipanaskan tidak sekaligus di bawa kesuhu yang sama tinggi. Oleh karena itu bagian yang paling banyak atau yang pertama dipanaskan memperoleh masa jenis yang lebih kecil daripada bagian masa yang lebih dingin. Sebagai akibatnya terjadi sirkulasi, sehingga kalor akhimya tersebar pada seluruh zat.

Gambar 1.3. Perpindahan panas konveksi. (a) konveksi paksa, (b) konveksi alamiah,(c) pendidihan, (d) kondensasi

Pada perpindahan kalor secara konveksi, energi kalor ini akan dipindahkan ke sekelilingnya dengan perantaraan aliran fluida. Oleh karena pengaliran fluida melibatkan pengangkutan masa, maka selama pengaliran fluida bersentuhan dengan permukaan bahan yang panas, suhu fluida akan naik. Gerakan fluida melibatkan kecepatan yang seterusnya akan menghasilkan aliran momentum. Jadi masa fluida yang mempunyai energi terma yang lebih tinggi akan mempunyai momentum yang juga tinggi. Peningkatan momentum ini bukan disebabkan masanya akan bertambah. Malahan masa fluida menjadi berkurang karena kini fluida menerima energi kalor.


PERPINDAHAN PANAS

Fluida yang panas karena menerima kalor dari permukaan bahan akan naik ke atas. Kekosongan tempat masa bendalir yang telah naik itu diisi pula oleh masa fluida yang bersuhu rendah. Setelah masa ini juga menerima energi kalor dari permukan bahan yang kalor dasi, masa ini juga akan naik ke atas permukaan meninggalkan tempat asalnya. Kekosongan ini diisi pula oleh masa fluida bersuhu renah yang lain. Proses ini akan berlangsung berulang-ulang. Dalam kedua proses konduksi dan konveksi, faktor yang paling penting yang menjadi penyebab dan pendorong proses tersebut adalah perbedaan suhu. Apabila perbedaan suhu .terjadi maka keadaan tidak stabil terma akan terjadi. Keadaan tidak stabil ini perlu diselesaikan melalui proses perpindahan kalor. Dalam pengamatan proses perpindahan kalor konveksi, masalah yang utama terletak pada cara mencari metode penentuan nilai h dengan tepat. Nilai koefisien ini tergantung kepada banyak faktor. Jumlah kalor yang dipindahkan, bergantung pada nilai h. Jika cepatan medan tetap, artinya tidak ada pengaruh luar yang mendoromg fluida bergerak, maka proses perpindahan ka1or berlaku. Sedangkan bila kecepatan medan dipengaruhi oleh unsur luar seperti kipas atau peniup, maka proses konveksi yang akan terjadi merupakan proses perpindahan kalor konveksi paksa. Yang membedakan kedua proses ini adalah dari nilai koefisien h-nya.


BAB II

BAB II

PERPINDAHAN PANAS KONDUKSI

file:///D|/E-Learning/Perpindahan%20Panas/Textbook/02%20Perpindahan%20panas%20konduksi.html (1 of 7)5/8/2007 3:24:06 PM

Pada perpindahan panas secara konduksi, kalor/panas mengalir tanpa disertai gerakan zat, tetapi melaui satu jenis zat. Arah aliran energi kalor dari titik bersuhu tinggi ke titik bersuh rendah. Tidak semua bahan dapat menghantar kalor sama sempurnanya. Konduktor: bahan yang dapat menghantar kalor dengan baik.Isolator: penghantar kalor yang buruk. Koefisien konduksi terma, k:

sifat bahan yang digunakan untuk menyatakan bahwa bahan tersebut merupakan suatu isolator atau konduktor menunjukkan berapa sepat kalor mengalir dalam suatu bahan

kkonduktor>kisolator

Konduksi panas mengikuti Hukum Fourier yang dapat dinyatakan dengan persamaan yang berikut:atau:

q = laju perpindahan panasdT/dx = gradien suhu ke arah perpindahan panas Dalam persamaan di atas Hukum Fourier telah dinyatakan dalam bentuk persamaan laju alir, yang bentuk umumnya adalah:

BAB II

Dengan demikian persamaan konduksi panas mendefinisikan tahanan terhadap konduksi panas k adalah konduktiviti panas suatu zat, yang besarnya tergantung pada temperatur zat itu. Biasanya perubahan k dapat diperkirakan cukup dengan fungsi liniar

2.1. Konduksi Keadaan Steady (Tunak) Persamaan neraca energi: Analisa satu dimensi arah sumbu x ditunjukkan sebagai berikut:

Kuantitas energi panas adalah sebagai berikut:Energi masuk : Energi yang dibangkitkan : Perubahan energi dalam Energi keluar = Pada keadaan steady, distribusi suhu konstan, suhu hanya merupakan fungsi posisi dan akumulasi = 0, sehingga:


BAB II

Untuk konduksi keadaan steady, hukum Fourier dapat diintegrasi:

2.1.1.Dinding Datar Sistem dengan lebih dari satu macam bahan, seperti dinding lapis rangkap, analisisnya akan menjadi seperti berikut:

Untuk gradien suhu seperti gambar di atas, laju perpindahan panas: Aliran panas pada setiap bagian adalah sama. Jika ketiga persamaan akan diselesaikan bersamaan, maka aliran kalor dapat dituliskan: Analogi listrik dapat digunakan untuk memecahkan persoalan yang lebih rumit.Digunakan R, tahanan termal/panas/kalor, untuk menyatakan :


BAB II

Sehingga:

= penurunan suhu total melintas keseluruhan tebing Aliran kalor melalui beberapa tahanan dalam susunan seri mempunyai analogi dengan arus listrik yang mengalir melalui beberapa tahanan listrik dalam rangkaian seri. Aliran kalor melalui beberapa tahanan dalam susunan paralel:

Jika suhu awal dan akhir kedua lapisan sama: 2.1.2. Sistem Radial-Silinder

Suatu silinder, dimana:r1= jari-jari dalam

r0=jari-jari luar


BAB II

L=panjangTi-To=beda suhu

Laju perpindahan panas dapat ditentukan dari Hukum Fourier dengan penyesuaian rumus luas menjadi:

Konsep tahanan termal dapat juga digunakan untuk dinding lapis rangkap seperti gambar di atas: Contoh 4.2-1 (Geankoplis, 1987). Panjang tabung untuk koil pendinginTabung silinder berdinding tipis dari karet dengan ID 5 mm dan OD 20 mm digunakan sebagai koil pendingin. Air pendingin dalam tabung mengalir pada suhu 274,9 K. Sebanyak 14,65 W panas harus dipindahkan dengan pendinginan ini. Hitung panjang tabung yang diperlukan, jika suhu permukaan luar tabung 297,1 K. Penyelesaian:Dari App. A-3 Geankoplis, 1987:Khardbutter= 0,151 W/m.K


BAB II

r1 = 5/100 = 0,005 m; r2 = 20/1000 = 0,02 m

Ambil L= 1 m. Tanda negatif menunjukkan bahwa arah aliran panas adalah dari r2, dinding luar ke r1, dinding

dalam. Panjang tabung yang diperlukan: Contoh 4.3-1 (Geankoplis, 1987). Aliran panas melalui dinding isolasi ruang pendinginRuang pendingin dilapisi dengan 12,7 mm kayu pine; 101,6 mm cork board dan lapisan terluar 76,2 mm concrete.Temperatur permukaan luar 255,4 K (ruang pendingin) dan permukaan luar concrete 297,1 K.Nilai: kpine = 0,151 W/m.K

kcorkboard = 0,0433 W/m.K

kconcrete = 0,762 W/m.K

Hitung panas yang hilang (dalam W) untuk 1 m2, dan temperatur antara pine dan cork board. Penyelesaian:

T1 = 255,4 K; T4= 297,1 K;

kA= 0,151 ; xA= 0,0127 m

kB= 0,0433 ; xB= 0,1016 m

kC= 0,762 ; xC= 0,0762 m

Tahanan masing-masing material:Dengan cara yang sama: Untuk menghitung temperatur T2, antara pine dan cork board:


BAB II

Contoh 4.3-2 (Geankoplis, 1987). Panas yang hilang dari isolasi pipa.Pipa stainless stell berdinding tipis (A) mempunyai k= 21,63 W/m.K dengan ID=0,0254 m dan OD = 0,0508 m. Pipa dilapisi asbestos (B) sebagai isolasi setebal 0,0254 m dengan k=0,2433 W/m.K.Temperatur permukaan dalam pipa 811 K dan permukaan luar isolasi 310,8 K. Untuk pipa 0,305 m panjang, hitung:

a. Panas yang hilangb. Temperatur antara pipa dengan isolasi

Penyelesaian:

T1= 811 K; T2 = T antara; T3=310,8 K Luas permukaan pada L=0,305 m: Tahanan masing-masing:

Laju perpindahan panas: Untuk menghitung temperatur T2:

Hanya terjadi penurunan T yang kecil melintasi pipa, karena nilai k yang tinggi.


BAB III

BAB III

PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI

file:///D|/E-Learning/Perpindahan%20Panas/Textbook/03%20perpindahan%20panas%20konveksi.html (1 of 24)5/8/2007 3:24:08 PM

Perpindahan panas antara suatu permukaan padat dan suatu fluida berlangsung secara konveksi. Konveksi panas dapat dihitung dengan persamaan pendinginan Newton:

(3.1) Persamaan (3.1) mendefinisikan tahanan panas terhadap konveksi. Koefisien pindah panas permukaan h, bukanlah suatu sifat zat, akan tetapi menyatakan besarnya laju pindah panas di daerah dekat pada permukaan itu. Fluks Kalor:Adalah laju perpindahan panas persatuan luas (q/A). Fluks kalor boleh didasarkan atas luas permukaan luar atau dalam pipa. Suhu arus rata-rata:Adalah suhu yang dicapai apabila keseluruhan fluida yang mengalir melalui penampang itu dikeluarkan lalu dicampur secara adiabatik. Koefisien perpindahan kalor menyeluruh:Jika terjadi konduksi dan konveksi secara berturutan, maka berbagai tahanan panas yang tersangkut dapat dijumlahkan untuk memperoleh koefisien pindah panas keseluruhan U. Persamaan perpindahan panas menjadi:

BAB III

Th= suhu fluida panas

Tc=suhu fluida dingin

Th Tc = gaya dorong atau beda suhu lokal menyeluruh A = luas permukaan dalam/luar pipa U = koefisien pindah panas keseluruhan berdasarkan A = faktor proporsionalitas antara q/A dan TJika A = Ao, luas permukaan luar tabung, maka U = Uo, koefisien yang didasarkan atas luas permukaan luar. Koefisien perpindahan panas individual, h:Merupakan koefisien perpindahan panas untuk masing-masing fluida. T = suhu rata-rata lokalTw= suhu dinding yang dalam kontak dengan fluida

Nilai h bila diterapkan:

Untuk sisi panas (bagian dalam tabung) Th=suhu fluida panas

Twh=suhu dinding panas

Untuk sisi dingin (bagian luar tabung)

Tc=suhu fluida dingin


BAB III

Twc=suhu dinding dingin

Koefisien pindah panas permukaan dapat diperkirakan dari fungsi-fungsi empiris, yang tersusun dari bilangan-bilangan tanpa dimensi, dengan bentuk umum:

Nu = K Rep Prq Grr (L/d)s

dimana K = bilangan tetap.Nu = angka Nusselt, rasio antara diameter tabung terhadap tebal ekivalen lapisan laminar h =koefisien konveksik =konduktivitas panasD =diameter tabungX =tebal lapisan film (lapisan batas laminar) Korelasi untuk menentukan nilai h dipengaruhi oleh:

Sifat fisika fluida Jenis dan kecepatan aliran Perbedaan temperatur Geometri sistem

Beberapa nilai h dapat dilihat pada Tabel 4.1-2 Geankoplis, 1987. Perpindahan panas konveksi dapat dikelompokkan kepada dua bahagian:

1. Konveksi bebas/alamiah Contohnya adalah pemanasan aliran udara yang melalui radiator, pemanasan air dalam ketel. Fluida panas yang menerima panas akan naik ke atas, kekosongan tempat massa fluida yang telah naik diisi oleh massa fluida yang bersuhu rendah. Aliran fluida terjadi akibat perbedaan densitas, dan perbedaan densitas akibat


BAB III

adanya gradien suhu di dalam massa fluida itu.

2. Konveksi paksa Jika aliran fluida digerakkan oleh piranti mekanik seperti pompa dan pengaduk. Aliran/perpindahan panas tidak bergantung pada gradien densitas. Contohnya aliran kalor melalui pipa panas.

3.1. Konveksi Alamiah Pada perbatasan suatu permukaan dan suatu fluida akan terjadi perpindahan panas secara konduksi dan konveksi. Biasanya temperatur permukaan itu cukup tinggi untuk menimbulkan pula radiasi. Tanpa adanya aliran yang dipaksakan terhadap fluida, maka sekitar permukaan akan terjadi konveksi secara alamiah. Perbedaan temperatur antara bagian-bagian fluida menyebabkan perbedaan densiti dan karena itu timbul gerakan dan aliran dalam fluida. Aliran alamiah ini memperbesar perpindahan panas yang semula sampai tercapai keadaan yang tecap. Cara perpindahan panas semacam ini disebut konveksi alamiah atau konveksi bebas. Besarnya koefisien perpindahan panas harus didapat dari hasil percobaan. Banyak penyelidikan telah dilakukan untuk menentukan koefisien pindah panas itu. Jika berbagai hasil penyelidikan itu dikumpulkan, ternyata dapat diperoleh persamaan empiris dalam bilangan-bilangan tanpa dimensi, salah satu di antaranya adalah bilangan Grashof, yang dibuat untuk menunjukkan sifat-sifat konveksi bebas .Bentuk umum: Bilangan-bilangan tanpa dimensi itu adalah: Dimana:L =panjang pipa =viskositas fluida =densitas fluidag =percepatan gravitasi


BAB III

Cp =kapasitas panas =koefisien ekspansi termalhc =koefisien konveksik =konduktivitas termal Hasil percobaan itu sering juga dinyatakan sebagai nomogram (alignment chart) atau grafik.

Persamaan empiris dan nomogram itu dapat dipakai guna memperkirakan koefisien perpindahan panas untuk konveksi bebas. Karena terdapat berbagai persamaan dan nomogram, maka haruslah dicari yang keadaan sistemnya sama dengan sistem yang sedang ditinjau. Bagaimana beraneka ragamnya persamaan-persamaan itu dapat dilihat dari contoh-contoh di bawah ini. Untuk bidang tegaklurus dan silinder tegak lurusAliran bergolak: Aliran berlapis: Untuk silinder mendatar Untuk lempeng mendatar yang dipanaskan, menghadap ke atas, atau lempeng mendatar, yang didinginkan, menghadap ke bawah:


BAB III

Untuk lempeng mendatar yang dipanaskan, menghadap ke bawah atau lempeng mendatar, yang didinginkan, menghadap ke atas: 3.2. Konveksi Paksa Seperti telah diketahui fluida sekitar benda, yang seluruhnya diliputi oleh fluida itu, mengalami dua macam hambatan, yaitu hambatan gesekan dan hambatan bentuk. Dalam bilangan Reynolds yang sangat rendah hanya hambatan gesekan yang berpengaruh. Jika bilangan Reynolds bertambah besar, baik hambatan gesekan maupun hambatan bentuk berpengaruh, akan tetapi pengaruh hambatan gesekan makin lama makin berkurang dan hambatan bentuk lebih berpengaruh. Pengaruh aliran ini juga terlihat pada perpindahan panas antara fluida dan benda-benda yang terendam. Persamaan-persamaan empiris tentang koefisien pindah panas antara benda dan fluida hanya berlaku untuk benda dengan bentuk tertentu. Jika dalam alat dikehendaki pertukaran panas, maka perpindahan panas selalu terjadi secara konveksi paksa; karena laju panas yang dipindahkan naik dengan adanya aliran atau pengadukan. Juga di sini pada waktu yang sama berlangsung perpindahan panas secara konduksi, konveksi dan radiasi. Dalam hal ini radiasi biasanya terjadi pada permukaan luar yang berhubungan dengan lingkungan yang tetap temperaturnya. Seringkali salah satu fluida dalam sebuah penukar-panas mengalir dalam pipa, sedang fluida yang lain mengalir dalam ruang anulus sebuah pipa yang lebih besar atau dalam ruang sebuah shell yang memuat banyak pipa, Perpindahan panas berlangsung secara radial terhadap pipa. Antara fluida di dalam pipa dan permukaan dinding pipa sebelah dalam, panas dipertukarkan secara konveksi, kemudian panas menjalar secara konduksi melalui logam dinding pipa. Di luar pipa terjadi lagi konveksi. Perhitungan dilakukan dengan persamaan yang berikut:


BAB III

Kalau persamaan di atas diterapkan di satu tempat, maka U adalah koefisien perpindahan panas keseluruhan setempat dan T adalah selisih temperatur fluida di dalam pipa dan fluida di luar pipa di tempat itu. Luas permukaan perpindahan panas A, harus dihitung sesuai dengan keadaan sistem. Begitu juga koefisien perpindahan panas keseluruhan harus dihitung melalui penjumlahan masing-masing tahanan panas, sesuai dengan persoalannya. Karena terjadi perpindahan panas, maka sepanjang pipa fluida yang panas berkurang temperaturnya dan fluida yang dingin naik temperaturnya.Pada ujung keluar pipa itu akan terdapat selisih temperatur yang berbeda dengan pada ujung awal. Begitu juga besarnya koefisien perpindahan panas konveksi akan berubah, karena temperatur fluida berbeda. Untuk menerapkan persamaan pindah panas pada satu alat, maka haruslah ada harga yang dirata-ratakan. Biasanya selisih temperatur dirata-ratakan secara logaritma antara kedua ujung alat menjadi: (Selisih temperatur rata-rata logaritma) Dalam hal ini U dianggap tidak berubah banyak antara kedua ujung alat itu. Kalau U sangat berbeda di kedua tempat itu, maka dilakukan rata-rata dengan persamaan yang berikut: U dihitung dari jumlah tahanan panas keseluruhan. Besarnya koefisien pindah panas secara konveksi diperkirakan dari persamaan-persamaan empiris.Untuk konveksi dalam pipa sudah tentu persamaan empirisnya lain daripada untuk konveksi luar pipa. Banyak buku yang memuat keterangan tentang koefisien pindah panas, baik dalam bentuk persamaan, maupun dalam bentuk nomogram. Dalam mencari persamaan-persamaan empiris itu harus diperhatikan sifat fluida, sifat aliran, jenis perpindahan panas (pemanasan atau pendinginan), letak pipa dan lain sebagainya. Sebab untuk keadaan yang berlainan mungkin berlaku persamaan yang lain pula, dan haruslah ditemukan persamaan yang keadaan berlakunya sama dengan masalah yang dihadapi.


BAB III

Koefisien pindah panas sebuah alat penukar panas mengalami perubahan selama pemakaian. Sewaktu masih baru permukaan logam pipa-pipa itu bersih. Selama pemakaian pada permukaan itu akan tertentuk lapisan kotoran atau kerak. Biarpun tipis lapisan itu merupakan tahanan tambahan terhadap perpindahan panas. Lapisan ini terutama timbul pada permukaan yang berhubungan dengan air. Besarnya tahanan karena pengotoran itu dapat dihitung dari persamaan yang berikut: di mana Ud adalah koefisien pindah panas keseluruhan untuk alat yang kotor dan untuk alat yang

bersih, sedang hd koefisien pindah panas untuk lapisan kotoran atau kerak.

Menurut teori "dua lapisan" pada permukaan yang berhubungan dengan fluida terdapat, suatu lapisan tipis fluida, yang keadaan alirannya berlapis, biarpun agak berjauhan dari permukaan fluidanya mengalir secara bergolak. Pada dinding pipa yang kedua belah permukaannya terdapat fluida, didapati dua lapisan batas itu. Karena keadaan dalam lapisan batas itu berlapis, maka tahanan terhadap perpindahan panas di 1apisan lebih besar daripada di daerah yang bergolak. Selisih temperaturpun lebih besar. Karena itu untuk perhitungan-perhitungan, seluruh tahanan pindah panas dianggap berada dalam lapisan batas. Untuk perhitungan selisih temperatur selalu diambil antara permukaan dan tengah-tengah aliran yang bergolak. Pada dasarnya rumus empiris untuk konveksi paksa meliputi benda mempunyai bentuk umum yang sama dengan rumus empiris untuk konveksi dalam pipa, yaitu: Persamaan-persamaan itu dapat juga disajikan dalam bentuk grafik. Dalam menggunakan persamaan-persamaan itu, arah perpindahan panas perlu terus diingat. Persamaan empiris hanya memberikan cara untuk memperkirakan besarnya koefisien pindah panas. Tahanan panas konveksi digambarkan sebagai terpusat dalam lapisan batas fluida pada permukaan padat. Karena itu dalam menggunakan persamaan empiris semua sifat fisis fluida dinilai sesuai dengan temperatur lapisan batas itu. Karena persamaan empiris itu dinyatakan dengan bilangan tanpa dimensi maka sistem satuan


BAB III

mana yang digunakan tidak menjadi soal, asalkan tetap hanya satu sistem satuan yang dipakai. Banyak data telah diperoleh dalam percobaan-percobaan untuk menentukan koefisien pindah panas h. Data dapat disajikan dalam grafik atau sebagai persamaan. Di bawah ini akan diberikan berbagai contoh persamaan empiris yang sering dijumpai dengan batas-batas berlakunya. Aliran laminarUntuk aliran berlapis (laminar) dalam pipa tegak atau datar, di mana konveksi bebas dapat diabaikan, berlaku persamaan:

Re < 2100Dimana:L =adalah panjang pipa di mana terjadi perpindahan panas; m.d =diameter pipa; mb =viskositas fluida pada suhu rata-rata; Pa.s

w =viskositas fluida pada suhudinding; Pa.s

Cp =kapasitas panas; J/kg.Khc =koefisien perpindahan panas rata-ratak =konduktivitas termal; W/m.K

Faktor (/ w) digunakan sebagai koreksi, jika viskositas fluida di dekat dinding dan di tengah

pipa terlalu berbeda. Semua sifat fluida dihitung pada suhu rata-rata kecuali w

Untuk fluida masuk dan keluar pada T berbeda, T rata-rata secara aritmetik: Tw= suhu dinding

Tbi= suhu fluida masuk

Tbo=suhu fluida keluar

Aliran turbulen Untuk aliran bergolak (turbulen) dalam pipa yang bersih berlaku persamaan:


BAB III

hL = koefisien konveksi didasarkan pada Tm.

Beda suhu rata-rata logaritmik,LMTD, Tm

Merupakan selisih suhu rata-rata secara logaritma pada kedua ujung peralatan.

Bilangan Grashof tidak ada dalam persamaan di atas, karena nilai bilangan Reynolds terlalu tinggi untuk adanya pengaruh konveksi bebas. Sifat-sifat fluida harus dinilai pada temperatur rata-rata antara temperatur masuk dan keluar. Persamaan-persamaan empiris yang ada pada waktu ini belum mencakup semua keadaan yang dijumpai dalam praktek. Banyak hal yang tidak dapat di hitung koefisiep pindah panasnya. Dalam hal ini h harus diperkirakan dari data empiris, yang biasanya dalam buku-buku referensi diberikan sebagai batas-batas nilai. Data yang dilaporkan dalam buku maupun dalam majalah banyak berguna dalam memperkirakan koefisien pindah panas secara konveksi. Nila h untuk udara, Ptotal= 1 atm, aliran turbulen

Nilai h untuk air, T=4-105oC, aliran turbulen Nilai h aliran fluida yang melintasi plat datar


BAB III

Aliran laminar : Re < 3.105; Pr > 0,7 Aliran turbulen: Re > 3.105; Pr > 0,7 Nilai h untuk aliran melintasi bolaSebuah bola yang akan dipanaskan atau didinginkan oleh fluida yang mengalir tegak lurus terhadap sumber bola.1 < Re < 70.0000,6 < Pr < 400 Nilai h aliran udara yang mengalir tegak lurus terhadap silinder tunggal dan udara yang mengalir tegak lurus pada silinder, digunakan: Nilai K dan n diperoleh dari daftar berikut:

Re n K Nu1-4 0,33 0,891 0,891-1,424-40 0,385 0,821 1,4 3,440-4000 0,466 0,615 3,43 29,64000-40000 0,618 0,174 29,5 12140000-250000 0,805 0,0239 121 - 529

3.3. Gabungan Konduksi dan Konveksi Terdapat dua jenis fluida pada kedua sisi permukaan padatan.T1 = suhu fluida panas

T2 = suhu fluida dingin


BAB III

Laju perpindahan panas (gambar a): Koefisien perpindahan panas menyeluruh, U, gabungan konduksi dan konveksi, dihitung melalui penjumlahan masing-masing tahanan panas, sesuai dengan persoalannya. U dalam W/m2.K Laju perpindahan panas (gambar b): A1 = 2p.L.r1 = luas permukaan dalam tabung

Aalm = luas permukaan rata-rata tabung

Ao = luas permukaan luar tabung


BAB III

Contoh 4.5-1. (Geankoplis, 1987). Pemanasan udara dalam aliran turbulen.Udara pada 206,8 kPa dan temperatur rata-rata 477,6 K akan dipanaskan melalui pipa dengan ID 25,4 mm dan kecepatan 7,62 m/dt. Sebagai media pemanas digunakan steam pada 488,7 K diluar pipa. Karena koefisien konveksi steam besar sedangkan tahanan dinding pipa sangat kecil, dianggap temperatur dinding pipa yang kontak dengan udara juga 488,7 K.Hitung :

a. Koefisien perpindahan panas untuk L/D > 60.b. Fluks panas (q/A)

Penyelesaian: Dari App. A.3. Geankoplis 1987, udara pada 477,6 K:

mb = 2,6.10-5 Pa.s

k = 0,03894 W/mPr = 0,686Pada 488,7 K, mw = 2,64.10-5 Pa.s


BAB III

mb = 2,6.10-5 Pa.s = 2,6.10-5 kg/m.dt

(a) Aliran turbulen:

(b) Contoh soal 4.5-2 (Geankoplis, 1987). Pemanasan air menggunakan steam dan penyelesaian dengan trial and error. Air mengalir melalui pipa horizontal 1 sch 40, pipa baja pada temperatur rata-rata 65,6 oC dan kecepatan 2,44 m/dt. Air akan dipanaskan dengan steam pada 107,8 oC diluar dinding pipa. Koefisien sisi uap diperkirakan ho = 10500 W/m2.K.

a. Hitung hi untuk air didalam pipa.

b. Hitung U, koefisien perpindahan panas keseluruhan, didasarkan atas permukaan dalam pipa.

c. Hitung q untuk 0,305 m pipa.

Penyelesaian:Dari App. A-5 (Geankoplis, 1987):1 sch 40 : ID= 0,0266 m dan OD = 0,0334 m. Air pada T = 65,6 oC dari App. A.2 : NPr = 2,72

r = 0,98 (1000) = 980 kg/m3

k = 0,633 W/m.K = 4,32.10-4 Pa.S


BAB III

TRIAL ITemperatur dinding pipa diperlukan, dan diasumsikan berada diantara 65,6oC dan 107,8 oC, diambil 80 oC = Tw.

w,80oC = 3,56.10-4 Pa.s

Nre air pada temperatur rata-rata: (b) Untuk L=0,305 m K untuk baja adalah 45 W/m.K Tahanan menjadi: Penurunan temperatur melalui lapisan air:

=16,1oC Sehingga Tw=65,5+16,1=81,7oC

Ini sangat dekat dengan nilai Trial I yaitu 80oC. Sifat fisika yang berubah adalah mw jika

dilakukan Trial II yaitu mw,80oC= 3,56.10-4 menjadi mw,81,7oC=3,53.10-4.

Tetapi efeknya terhadap hi cukup kecil dan dapat diabaikan, sehingga tidak diperlukan trial ke-2.


BAB III

(c) Soal latihan.Suatu aliran minyak bumi, sebanyak 1 kg/detik, dipanaskan dalam tungku dan keluar tungku pada temperatur 300oC melalui pipa baja 4 inci sch. 40, yang terpasang dalam udara terbuka. Pipa ini hendak diinsulasi dengan lapisan asbes. Berapa tebal lapisan asbes, agar temperatur permukaan asbes dapat mencapai 50oC, dan penurunan temperatur minyak bumi besarnya 0,1 oC/m panjang pipa. Analisa Keadaan masalah digambarkan pada sketsa berikut.Arah perpindahan panas adalah radial.

Perpindahan panas mengikuti persaman: Dimana:

= tahanan panas konveksi dalam pipa


BAB III

= tahanan konduksi panas melalui pipa= tahanan konduksi panas melalui asbes

= tahanan panas konveksi bebas dalam udara Untuk menghitung besarnya tahanan panas, perlu dikumpulkan keterangan dan data dari pustaka sbb:

Pipa 4 sch. 40 mempunyai ukuran sbb:ID = 102 mmOD = 114 mmTebal dinding = 6,02 mmLuas permukaan = 0,358 m2/m Harga konduktivitas panas, k, ialah:Baja (300 oC) = 43 W/m.KAsbes (100 oC) = 0,178 W/m.K

Keterangan tentang udara:

K (kering) = 26,6 mW/m.K r(lembab) = 1,107 kg/m3

Cp (lembab) = 1,07 kJ/kg.K (lembab) = 19,0 N.detik/m2

Tf diambil 35 oC = 308 K

= koefisien ekspansi termal = 1/Tf = 1/308 Keterangan tentang minyak bumi:

K = 0,138 W/m.K r (100 oC) = 890 kg/m3

Cp (100 oC) = 1,97.103 J/kg.K (100 oC) = 0,27.10-3 N.detik/m2

Pada permukaan luar insulasi asbes terjadi konveksi bebas. Untuk perhitungan pertama tahanan


BAB III

konveksi bebas tidak perlu diikut sertakan, karena temperatur permukaan diketahui yaitu 50 oC. Rencana:Persaman pokok untuk perpindahan panas adalah: Yang ditanyakan adalah tebal insulasi. Besaran ini terdapat dalam tahanan panas R. Jadi q dan T harus diketahui terlebih dahulu.Q diperoleh dari penurunan temperatur minyak bumi sebesar G.Cp. T Watt/m.pipa. T = 0,1 oCT diperoleh dari selisih temperatur keseluruhan 300 50 = 250 oC Dari keempat tahanan panas R1 dan R2 dapat dihitung, karena semua keterangan diketahui, R4

untuk sementara tidak diperlukan. Substitusi harga besaran-besaran di atas ke dalam persamaan perpindahan panas, memberikan harga untuk R3, yang kemudian menghasilkan tebal insulasi.

Penyelesaian:Untuk dapat memilih persamaan empiris untuk menghitung h, maka bilangan Reynold harus dihitung. Untuk minyak bumi perhitungan adalah sebagai berikut.

G = 1 kg/dtD = 0,102 m m= 0,27 . 10-3 N.det/m2

Dipakai persamaan berikut

Nre = 46.200

Tahanan konduksi melalui dinding pipa:


BAB III

Kp=43 W/m.K

Tahanan konduksi melalui insulasi:

ka= 0,178 W/m.K

Laju perpindahan panas permeter pipa:

R = R1 + R2 + R31,27=0,0109+0,0004+R3

d= 0,7 (0,114 + d) = 0,08 + 0,7 dd = 0,08/0,3 = 0,267 m d ins = 0,114 + (2. 0,267) = 0,647 m

Penilaian:Hasil perhitungan diatas perlu diperiksa dengan tahanan konveksi bebas. Kalau dimisalkan temperatur udara 20 oC, maka temperatur lapisan batas udara Tf pada permukaan insulasi dapat diambil Tf = (50+20) = 35 oC Perhitungan tahanan konveksi bebas:

b= 0,647 m

Berlaku 103 < Gr.Pr < 109 , sehingga dipakai persamaan Nu = 0,525 (Gr.Pr)1/4

Menurut perhitungan ini temperatur permukaan insulasi besarnya = 20 + 33 = 53 oC.


BAB III

Perbedaan sebesar 3 oC atau lebih kurang 6% masih baik untuk perhitungan rancangan seperti ini.Kalau temperatur udara bukan 20 oC, akan tetapi lebih tinggi maka temperatur permukaan insulasi akan lebih tinggi dari 50 oC. Untuk mempertahankannya pada 50 oC, harus diadakan perhitungan tebal insulasi lagi, yang berarti insulasi harus dipertebal. Soal LatihanGas karbondioksida kering sebanyak 8,0 .10-3 m3/detik, pada tekanan mutlak 2 bar dan temperatur 60 oC, hendak didinginkan menjadi 40 oC. Gas berada dalam pipa tembaga ukuran 1 dengan dinding BWG no.16. Setiap pipa berada dalam pipa tembaga yang lain dengan ukuran 1,5 dan dinding BWG no.14. Air mengalir melalui ruang anulus antara kedua pipa dengan kecepatan 0,3 m/detik. Air mengalir berlawanan arah dengan gas dan masuk pada 25 oC. Gas masuk dengan kecepatan 5,7 m/detik. Berapakah banyaknya dan panjang pipa yang diperlukan?. Analisa:

n Perhitungan dilakukan dengan persamaan n Banyaknya pipa terdapat adlam luas permukaan An Faktor lain harus dihitung. Jika ada faktor yang tidak dapat dihitung, lakukan trial (coba-

coba). n Q dapat dihitung dari laju alir dan penurunan temperatur gas CO2.

n U dihitung dengan menghitung masing-masing tahanan panas dan menjumlahkannya.n Tm dapat dihitung dari kenaikan temperatur ini dan laju alirnya, berdasarkan anggapan

semua energi gas diserap oleh air. Rencana:

1. Hitung laju perpindahan panas q2. Hitung selisih temperatur rata-rata Tm

3. Hitung koefisien perpindahan panas keseluruhan, U4. Hitung luas permukaan


BAB III

Penyelesaian:Semua keterangan didapat dari lampiran atau pustaka.Gas CO2 dianggap gas ideal.

1. Laju perpindahan panas

Berat 1 m3 gas pada 2 bar, 60 oC:

Pada kondisi standar:P1 = 1 atm = 1,013 bar

V1 = 22,415 cm3/mol = 22,415 m3/kgmol

T1 = 273,15 K

N1 = 1 kgmol

Kondisi 2:

P2 = 2 bar

V2 = 1 m3/n2 kgmol

T2 = 273+60 = 333 K

N2 = kgmol

Cp CO2 diperhitungkan pada temperatur rata-rata = (60+40) = 50 oC


BAB III

Dengan interpolasi didapat harga = 0,208 Btu/lb.oF = 874 J/kg. oC Berat keseluruhan gas: Jadi panas yang dipindahkan: Q = 25,4.10-3 (874) (60-40) = 445 J/dt 2. Selisih temperaturLuas penampang dalam pipa 1,5 : Luas penampang luar pipa 1 :Luas penampang anulus :9,03.10-4 5,07.10-4 = 3,96.10-4 m2

Luas penampang dalam pipa 1 : Dengan kecepatan 5,7 m/dt tiap pipa dapat mengalirkan:3,53 .10-4 (5,7) = 20,1.10-4 m3/dt Jadi diperlukan pipa sebanyak: Luas total penampang anulus menjadi 4 (3,96 .10-4) = 15,8 . 10-4 m2. Banyaknya air yang mengalir: (15,8 . 10-4) (0,3) (1000) = 0,474 kg/detik Cp(25 oC) air = 4180 J/kg.K

Kenaikan temperatur air ialah:Temperatur keluar air menjadi 25,22 oC


BAB III

3. Koefisien perpindahan panas Untuk dapat memilih persamaan empiris yang akan digunakan, selalu perlu diketahui apakah aliran laminar atau turbulen. Sehingga Nre harus dihitung.

Untuk CO2:

k=0,105 BTU.ft/ft2.oF.jam=0,0105(1,73)=0,0182 W/m.KCp=874 J/kg.oC= 1,6.10-5 N/dt.m2

Untuk aliran air:Luas penampang anulus = 3,96.10-4 m2

Diameter anulus = diameter setara de = 4 x faktor bentuk S Untuk perpindahan panas

De=4(0,5.10-2)meter=2,0.10-2 mm25 oC = 0,967.10-3 N.dtk/m2

Persamaan yang akan digunakan:Dengan menggunakan grafik, untuk L/d = 60 (perkiraan) terbaca dari grafik untuk absis Nre = 6300: Untuk air didapat keterangan:

d=de=2.10-2 mk= 0,606 W/m.Km = 0,967.10-3 N.dtk/m2

Cp = 4,180 J/kg.K


BAB III

Faktor diperkirakan mendekati 1, karena temperatur pipa diperkirakan hampir sama dengan temperatur air. Untuk pipa tembaga: Keliling pipa 1 rata-rata:Tahanan dinding pipa permeter pipa: Tahanan keseluruhan :Tahanan dinding pipa:Tahanan air:Tahanan gas:A=0,1587 m2

Luas permukaan pipa: 0,080 m2/m Panjang pipa yang diperlukan:


BAB IV

BAB IV

ALAT PENUKAR KALOR

file:///D|/E-Learning/Perpindahan%20Panas/Textbook/04%20Alat%20penukar%20kalor.html (1 of 10)5/8/2007 3:24:09 PM

Apabila kita berhubungan dengan dua macam zat cair atau gas di da1am proses yang akan saling bertukar ka1ornya, maka kita perlu membincangkan tentang atat penukar ka1or yang bersesuaian dengan material yang akan kita pindahkan. Pada industri-industri kimia, a1at penukar ka1or biasanya digunakan untuk pemanasan dan pendinginan proses serta a1iran produk. Ana1isa dan desain yang dilakukan digunakan untuk mengaplikasikan secara praktis prinsip-prinsip dasar yang sudah dibahas sebelumnya. Lazimnya a1at penukar ka1or adalah sistim yang digunakan penukaran ka1or diantara dua fluida yang dibatasi oleh dinding pemisah. Pada kebanyakan sistem kedua fluida ini tidak mengalami kontak langsung. Kontak langsung a1at penukar ka1or terjadi sebagai contoh pada gas kalor yang terfluidisasi da1am cairan dingin untuk meningkatkan temperatur cairan atau mendinginkan gas. Sa1ah satu a1at penukar ka1or yang sederhana terdiri dari pipa panjang di da1am suatu pipa kedua. Kalor akan bertukar diantara fluida di da1am dan di luar pipa yaitu yang berada pada daerah anulus. Kemudian di estimasi koefisien perpindahan kalor diantara kedua a1iran. Alat penukar kalor berdasarkan fungsinya dapat digolongkan pada beberapa nama:

1. Exchanger: Memanfaatkan perpindahan kalor diantara dua fluida proses (steam dan air pendingin tidak termasuk sebagai fluida proses, tetapi merupakan utilitas).

BAB IV

2. Heater: Berfungsi memanaskan fluida proses, dan sebagai bahan pemanas a1at ini menggunakan steam.

3. Cooler: Berfungsi mendinginkan fluida proses, dan sebagai bahan pendingin digunakan air.

4. Condenser: Berfungsi untuk mengembunkan uap atau menyerap ka1or laten penguapan. 5. Boiler : Berfungsi untuk membangkitkan uap. 6. Reboiler : Berfungsi sebagai pensup1ai kalor yang diperlukan bottom produk pada

distilasi. Steam biasanya digunakan sebagai media pemanas. 7. Evaporator: Berfungsi memekatkan suatu larutan dengan cara menguapkan airnya. 8. Vaporizer: Berfungsi memekatkan cairan selain dari air.

Beberapa jenis a1at penukar ka1or yang banyak dipakai akan dibahas berikut ini. 4.1. Alat penukar ka1or pipa a. Penukar ka1or pipa ganda (double pipe heat exchanger) Adalah a1at perpindahan ka1or yang terdiri dari dua pipa konsentris (pipa kecil sebagai sentra1, yang dibungkus oleh pipa yang lebih besar). Dimana satu fluida menga1ir lewat pipa da1am sedangkan fluida yang lain menga1ir lewat anutus, antara dinding pipa da1am dan dinding pipa luar. Alat ini digunakan da1am industri ska1a kecil. dan umumnya digunakan da1am ska1a laboratorium. Pipa ganda ini terdiri dari beberapa bagian:

n Gland (sambungan) n Return head n Return bend n Tee

Ukuran standar yang biasa terdapat pada Penukar ka1or pipa ganda:

Diameter luar, in Diameter dalam, in


BAB IV

2 1 2 1 3 24 3

b. Penukar kalor pipa-tabung (shell and tube heat exchanger) Pada Gambar 4.1 terlihat suatu sketsa secara bagan dari jenis penukar ka1or ini. Seluruh alat terdiri dari seberkas pipa yang dipasang diantara plat pipa. Kadang-kadang medium yang akan didinginkan dibawa mela1ui pipa dan medium yang akan dipanaskan dibawa seke1i1ing pipa. Adakalanya hal yang sebaliknya berlaku. Pilihan ini bergantung kepada berbagai keadaan yaitu sifat ada media (cair atau gas), viskositas, terdapatnya kotoran padatan, dan sebagainya. Dinding ba1ik vertikal di sekitar pipa, memaksa medium yang mengalir di sekeliling pipa, untuk berubah arah beberapa ka1i. Dengan demikian dapat dicegah sudut mati dalam aparat, akan tetapi dengan demikian dapat pula memperbesar kecepatan aliran, yang dapat lebih memperlancar lagi pertukaran kalor. Untuk menyangga beda muai antara pipa dan mantel, terdapat berbagai macam sistem. Gambar 4.1 memperlihatkan beberapa penyelesaian yang mungkin di1akukan. Kesemuanya dibedakan berdasarkan jalur pemasukan dan pengeluaran bahan yang akan dipanaskan atau didinginkan. Untuk luas per1ukan perpindahan kalor antara 100-200 ft2 digunakan penukar kalor jenis pipa ganda.


BAB IV

Gambar 4.1. Penukar kalor pipa tabung (shell and tube heat exchanger) Sedangkan untuk luas lebih besar dari 200 ft2 pemakaian pipa ganda akan memerlukan tempat yang luas, dan karena banyaknya sambungan, titik tempat terjadinya kebocoran semakin banyak. Industri ska1a besar memerlukan alat perpindahan kalor dengan luas perpindahan kalor yang besar. Untuk itu lebih sesuai digunakan penukar kalor pipa tabung.


BAB IV

Keuntungan dari tipe ini:n Konfigurasi alat ini memberikan luas permukaan yang besar dalam volume yang kecil. n Mempunyai bentuk yang baik untuk operasi bertekanan.n Menggunakan teknik fabrikasi yang sudah baik. n Dapat dikonstruksi dari sejumlah besar material. n Mudah dibersihkan.

4.2. Penukar kalor pe1at Alat penukar ka1or ini terdiri dari beberapa pelat yang tersusun di da1am bingkai yang besar. Zat yang satu menga1ir mela1ui rusuk-rusuk diantara kedua pelat sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 4.2. Biasanya a1at ini digunakan terutama pada industri makanan dan minuman karena alat ini mudah dibersihkan dan diperiksa kembali. 4.3. Penukar ka1or pendingin udara Pemakaian alat ini adalah apabi1a air pendingin yang digunakan terbatas, sehingga udara digunakan sebagai pcndingin. (Gambar 4.3)


BAB IV

Gambar 4.2. Penukar kalor pelat


BAB IV

Gambar 4.3. Penukar kalor pendingin udara Masalah utama da1am perancangan alat perpindahan ka1or adalah: 1. Dot faktor (tahanan kotoran)Tahanan kotoran adalah kotoran (kerak) yang terbentuk selama penukar kalor dioperasikan dan akan menyebabkan koefisien perpindahan kalor menjadi berkurang. RD (hitung) = dot faktor

UC = koefisien perpindahan ka1or dalam keadaan bersih.


BAB IV

UD = koefisien perpindahan kalor dalam keadaan kotor

RD(ketentuan) = dot faktor maksimum. yang dihitung bila kedua permukaan

pipa tidak dibersihkan. Harga ini merupakan batas tahanan yang maksimum, dimana setelah itu kalor yang diijinkan menjadi 1ebih kecil dari yang dibutuhkan.

Bila dimisa1kan fluida yang 1ewat ada1ah fluida organik, maka harga RD=O,001 (ketentuan,

Tabel 12, Kern, 1965). Nilai RD (hitung) harus 1ebih besar dari RD (ketentuan). Berkisar antara

100% - 125% RD(ketentuan).

2. Penurunan tekananTerjadi dalam masing-masing aliran, dalam batas-batas yang diizinkan yaitu:

n Untuk aliran uap dan gas, P antara 0,5-2 psi n Untuk a1iran liquida (cairan), P antara 5-10 psi.

4.4. Analisa Alat Penukar Kalor Pipa Ganda Pada Alat Penukar Kalor Pipa Ganda aliran di da1am pipa dapat berupa aliran searah sepanjang pipa maupun aliran berlawanan. A1iran searah ini di sebut cocurrent flow dan a1iran berlawanan disebut countercurrent flow. Analisa-analisa kedua kasus ini agak berbeda. Kita mulai dengan kesetimbangan kalor pada aliran dingin, sebagai berikut:dQh =(wCp)C.dTC = CCdTC ...(4.1)

dimana C = wCp

Pada pernyataan ini dQh adalah kadar diferensial dimana kalor dipindahkan ke fluida dingin dari

fluida panas melewati bagian diferensia1 dari penukar kalor. W merupakan laju alira masa (mass


BAB IV

f1ow rate) dan Cp adalah kapasitas kalor persatuan masa, dan bukan kapasitas kalor molar. Jika

tidak ada kehilangan panas dari penukar kalor. maka kesetimbangan untuk aliran panas hampir sama dengan aliran dingin. dQh = -(wCp)HdTH = -CHdTH ...(4.2)

Kalor dipindahkan dari saluran panas ke aliran dingin melewati susunan tahanan termal. Terdapat tahanan konveksi pada permukaan pipa yang memisahkan dua aliran, dan tahanan konduksi dihubungkan dengan dinding pipa itu sendiri. Tahanan-tahanan seri ini ditambahkan dan didefinisikan bahwa koefisien perpindahan kalor keseluruhan, U, adalah:dQh = U.dA.(TH -TC) ...(4.3)

Dimana dA adalah luas pem1ukaan diferensia1 yang memisahkan kedua aliran. Pendefinisian U meliputi pemilihan apakah kita menggunakan permukaan da1am atau permukaan 1uar dari pipa dalam untuk mendefinisikan dA. Kita sekarang mendefinisikan perbedaan temperatur diantara bagian panas dan dingin sebagai: d(TH-TC)=d(T) ...(4.4)

Dari persamaan (4.1) dan (4.2) dapat ditu1is:

dan (4.5) Substitusi persamaan (4.1) dan (4.2) dipero1eh:

(4.6) Kesetimbangan panas persamaan (4.6) ada1ah diferensial, berlaku untuk setiap titik disepanjang aksis penukar ka1or. Untuk kesetimbangan panas keseluruhan, panas yang hi1ang disamakan dengan f1uida panas untuk dibandingkan dengan fluida dingin, dan diperoleh:

...(4.7)


BAB IV

Sehingga persamaan (4.6) dapat ditulis sebagai:Dimana:

...(4.8) T1 dan T2 adalah perbedaan temperatur diantara kedua aliran pada ujung penukar panas,

sedangkan T adalah perbedaan temperatur lokal diantara a1iran panas dan dingin. Persamaan ( 4.8 ) dapat ditulis menjadi:

...(4.9) Persamaan diferensial untuk dT dapat diintegrasikan jika diasumsikan bahwa v ada1ah konstan disepanjang pipa, sehingga diperoleh:

(4.11) Jika persamaan-persamaan ini diatur kemba1i dapat diselesaikan laju perpindahan panas keseluruhan, dengan hasil:

...(4.12) Da1am persamaan (4.12) kita mendefmisikan apa yang disebut log-mean temperature difference (LMTD, temperatur rata-rata logaritmik) sebagai:

...(4.13) Hasil ini sama dengan definisi yang sudah diutarakan pada ana1isa a1at penukar ka1or sebelumnya pada suatu penukar kalor single-tube. Untuk aliran counter current diperoleh hasil yang sama, dengan sedikit perubahan tanda. Selanjutnya diberikan dua contoh Untuk membedakan operasi cocurrent dengan counter current. Diasumsikan bahwa koefisien keseluruhan U diketahui dan tidak tergantung pada arah aliran untuk bentuk geometri dan laju alir kedua aliran yang ditentukan.


BAB 5

BAB V

PERPINDAHAN KALOR DISERTAI PERUBAHAN FASA

file:///D|/E-Learning/Perpindahan%20Panas/Textbook/05%20kalor%20%20perubahan%20fasa.html (1 of 9)5/8/2007 3:24:09 PM

Perubahan fasa mencakup:Penambahan atau pengurangan energi termal dalam jumlag yang agak banyak, pada suhu tetap atau hampir tetap.

5.1. Perpindahan kalor dari uap yang mengembun (kondensasi)

n Uap kondensasi mungkin terdiri dari sati zat saja, mungkin berupa campuran zat mampu kondensasi dan zat tak mampu kondensasi, atau campuran dua zat mampu kondensasi atau lebih.

n Rugi-rugi gesekan di dalam kondenser biasanya cukup kecil, sehingga kondensasi itu dapat dikatakan merupakan proses tekanan tetap.

n Suhu kondensasi hanya bergantung pada tekanan sehingga proses kondensasi zat murni merupakan proses isotermal.

Uap dapat mengembun menurut salah satu dari dua cara berikut:

1. Kondensasi tetes (dropwise condensation)

n Kondensat mula-mula membentuk inti nukleasi (tetesan). Tetesan-tetesan bergabung

sehingga membesar dan mengalir ke bawah tabung karena pengaruh gaya gravitasi.n Sangat tidak stabil dan sangat sukar dipertahankan sehingga metode ini jarang

dipakai.

BAB 5

n Terjadinya bergantung pada sifat zat cair. Contoh: logam cair, nitrobenzen, gliserin.

2. Kondensasi film (film-type condensation)

Lebih sering terjadi Kondensat cair itu membentuk film atau suatu lapisan sinambung yang lalu mengalir di atas permukaan tabung karena pengaruh gaya gravitasi.

5.1.1. Koefisien untuk kondensasi film Asumsi:

n Satu-satunya tahanan terhadap aliran kalor adalah yang disebabkan oleh lapisan kondensat yang mengalir ke bawah dalam aliran laminar karena pengaruh gaya gravitasi.

n Kecepatan zat air pada dinding adalah nol. n Suhu dinding dan suhu uap konstan. n Kondensat meninggalkan tabung pada suhu kondensasi.

1. Tabung Vertikal

= koefisien lokal

= konduktivitas termal untuk kondensat film = tebal film

Koefisien rata-rata untuk tabung vertikal, selama aliran kondensat di dalam film itu laminar, ialah:

(5.1)Dimana:


BAB 5

mf, rf, kf = viskositas, densitas, konduktivitas lapisan film.

g = percepatan gravitasi. = pembebanan kondenat pada dasar tabung (lb/ft.jam).

Suhu rujukan untuk menentukan mf, rf, kf :

(5.2)

Dimana

Tf = suhu rujukan

Th = suhu uap yang kondensasi

Tw = suhu permukaan luar dinding tabung

Bentuk ekivalen persamaan (5.1) dengan yang dieliminasi:

2. Tabung Horizontal

(5.4)

(5.5) Dimana:= pembebanan kondensat persatuan panjang tabung, lb/ft.N = jumlah tabung dalam susunan. Pada tabung horizontal, alir an film kondensat itu dapat dikatakan selalu laminar. Catatan:

1. Persamaan (5.1) dan (5.3) untuk tabung vertikal diturunkan dengan pengandaian bahwa


BAB 5

aliran kondensat itu laminar,2. Bila kecepatan fase uap di dalam kondenser itu cukup besar, seret uap itu juga dapat

menimbulkan keturbulenan pada lapisan kondensat sehingga koefisien film kondensasi menjadi jauh lebih besar. Maka untuk perhitungan praktis, koefisien pada persamaan (5.1) an (5.3) dibuat masing-masing 1,76 dan 1,13.

Contoh 13.1. (Mc Cabe, dkk 1985)Pada sebuah kondensor selongsong dan tabung (Shell and Tube) yang menggunakan tabung te,baga vertikal dengan diameter in 16 BWG, klorobenzene mengkondensasi pada tekanan atmosfer di dalam selongsongnya. Kalor laten kondensasi klorobenzen adalah 139,7 BTU/lb. Panjang tabung 5 ft. Air pendingin dengan suhu rata-rata 175 oF mengalir di dalam tabung. Jika koefisien sisi air adalah 400 BTU/jam.ft2.oF.

a. Berapakah laju kondensasi klorobenzen dan pembebanan kondensat.b. Berapakah koefisien itu dalam kondenser horizontal yang mempunyai tabung sebanyak itu

juga, jika jumlah tabung rata-rata dalam susunan vertikal adalah 6. Abaikan faktor pengotoran dan tahanan dinding tabung.

Penyelesaian:Persamaan (5.3) berlaku, tetapi sifat-sifat kondensat harus dievaluasi pada suhu rujukan Tf, yang diberikan oleh persamaan (5.2). Dalam menghitung Tf, suhu dinding Tw harus ditaksir dari h,

yaitu koefisien film kondensat. Karena itu diperlukan perhitungan coba-coba (trial and error).Besaran dalam persamaan (5.3) yang dapat langsung ditentukan adalah:

l= 139 BTU/lbg = 4,17.108 ft/jam2

L = 5 ft Suhu kondensi Th adalah 270 oF


BAB 5

Suhu dinding Tw tentulah berada diantara 175 dan 270 oF.

I. Dianggap Tw = 205 oF

Penurunan suhu T = 270 205 = 65 oFSuhu rujukan, dari persamaan (5.2) ialah:Tf = 27- (270 205) = 221 oF

Densitas dan konduktivitas termal zat cair hanya mengalami perubahan kecil dengan suhu sehingga dianggap tetap pada nilai-nilai berikut:

rf = 65,4 lb/ft3

kf = 0,083 BTU/ft.jam. oF (lamp. 13 Mc Cabe dkk, 1985)

Viskositas film itu adalah:mf = 0,3 (2,42) = 0,726 lb/ft.jam (lamp. 10 Mc Cabe dkk, 1985)

Taksiran pertama h, dengan menggunakan koefisien 1,13 sebagaimana disarankan: Suhu dinding didapatkan dari persamaan :

Do=0,75/12 = 0,0625 ft

Suhu dinding :Tw=175+33 = 208 oF


BAB 5

Nilai ini cukup dekat dengan taksiran 205 oF sehingga perhitungan selanjutnya tidak diperlukan lagi.Koefisien h = 179 Btu/ft2.jam.oF Selanjutnya diperiksa apakah aliran itu laminar seluruhnya. Luas permukaan luar setiap tabung ialah:Ao = 0,1963 (5) = 0,9815 ft2

Laju perpindahan kalor menyeluruh menjadi: = 179 (0,9815) (270 208) = 10.893 Btu/jam. mT = laju kondensasi total.

Pembebanan kondensat:dan b. Untuk kondensor horizontal digunakan pers. (5.5) Koefisien untuk klorobenzen mungkin lebih besar dari bagian (a) sehingga suhu dinding Tw

sekarang diperkirakan 215 oF. N = 6To = 270 215 = 55 oF

Do = 0,0625 ft

mf = 0,28 (2,42) = 0,68 lb/ft.jam


BAB 5

Tw = 175 + 43 = 218 oF

Nilai ini sesuai dengan nilai taksiran 215 oF sehingga tidak diperlukan lagi trial berikutnya.Koefisien h ialah 270 Btu/ft2.jam. oF. 5.2. Perpindahan kalor ke zat cair yang mendidih Contohnya pada operasi evaporasi, distilasi, pembangkitan uap, pengolahan minyak bumi, pengendalian suhu pada reaksi kimia zat cair yang mendidih. Untuk tabung horizontal yang terbenam didalam zat cair mendidih.

(5.7) Dimana:

= koefisien perpindahan panas= viskositas uap= penurunan suhu melintas uap

= konduktivitas termal uap= densitas zat cair, densitas uap

Do = diameter luar tabung pemanasan

= selisih rata-rata antara entalpi zat cair dan entalpi uap panas lanjut.


BAB 5

(5.8)

= kalor laten penguapan Cp = kalor spesifik uap pada tekanan tetap

= panjanng gelombang-gelombang yang terkecil yang amplitudonya dapat berkembang pada antar muka datar yang horizontal.

(5.9) = tegangan antarmuka antara zat cair dan uap.

Contoh 13.2 McCabe dkk, 1985:Freon (CCl3F) didihkan pada tekanan atmosfer dengan tabung tercelup horizontal yang diameter

luarnya 1,25 in. Titik didih normal freon ialah 74,8 oF. Dinding tabung berada pada suhu 300 oF. Sifat-sifat freon 11 adalah sebagai berikut:

= 91,3 lb/ft3

= 78,3 Btu/lb = 0,013 cP

= 19 dyne/cmCp = 0,145 Btu/lb.oFkv=BTU/ft.jam.oF

Hitung koefisien perpindahan kalor, ho, dan fluks kalor q/A. Penyelesaian:

= 0,013 (2,42) = 0,0314 lb/ft.jam = 300 74,8 = 225,2 oF

Suhu film uap rata-rata = (300+74,8)/2 = 187,4 oF


BAB 5

= 91,3 lb/ft3; BM=137,5 ; Do = 1,25/12 = 0,104 ft Pada suhu film rata-rata: Pada titik didih:Dari persamaan (5.8) :Dari persamaan (5.9) anggap gc/g = 1 lb/lbf.


BAB VI

BAB VI

PROSES EVAPORASI

file:///D|/E-Learning/Perpindahan%20Panas/Textbook/06%20Evaporasi.html (1 of 29)5/8/2007 3:24:11 PM

6.1. Pendahuluan Evaporasi adalah salah satu kaedah utama dalam industri kimia untuk memekatkan larutan yang encer. Pengertian umum dari evaporasi ini adalah menghilangkan air dari larutan dengan mendidihkan larutan didalam tabung yang sesuai yang disebut evaporator. Evaporasi bertujuan untuk memekatkan larutan yang terdiri dari zat terlarut yang tidak mudah menguap dan pelarut yang mudah menguap. Dalam kebanyakan proses evaporasi, pelarut yang digunakan adalah air. Evaporasi dilaksanakan dengan menguapkan sebagian dari pelarut sehingga didapatkan larutan zat cair pekat yang konsentrasinya lebih tinggi. Evaporasi tidak sama dengan pengeringan; dalam evaporasi sisa penguapan adalah zat cair, kadang-kadang zat cair yang sangat viskos, dan bukan zat padat. Evaporasi berbeda pula dari distilasi karena disini uapnya biasanya komponen tunggal, dan walaupun uap itu merupakan campuran, dalam proses evaporasi ini tidak ada usaha untuk memisahkannya menjadi fraksi-fraksi. Evaporasi berbeda dari kristalisasi dalam hal penekanannya disini ialah pada pemekatan larutan dan bukan pembuatan zat padat atau kristal. Dalam situasi-situasi tertentu, misalnya pada penguapan air asin untuk membuat garam, garis pemisah antara evaporasi dan krista1isasi tidaklah dapat dikatakan tegas. Sebab evaporasi kadang-kadang menghasilkan lumpur kristal di dalam larutan induk. Lazimnya, dalam evaporasi, zat cair pekat itulah yang merupakan produk yang berharga dan uapnya biasanya dikondensasikan dan dibuang. Tetapi, dalam suatu situasi tertentu, kebalikannyalah yang benar. Air yang mengandung mineral seringkali diuapkan untuk

BAB VI

mendapatkan hasil yang bebas zat padat untuk umpan ketel didih, karena persyaratan khusus proses, dan untuk konsumsi manusia. Teknik ini biasa disebut disti1asi air (water distillation), tetapi dari segi teknik proses itu adalah evaporasi. Proses-proses evaporasi skala besar sudah banyak dikembangkan dan digunakan untuk membuat air minum dari air laut. Di sini hasil yang dikehendaki adalah air kondensasi. Hanya sebagian kecil saja dari keseluruhan air dalam umpan yang dipulihkan, sebagian besar dikembalikan ke laut. Tabulasi perbedaan evaporasi dengan pengeringan, distilasi dan kristalisasi:

Proses (12) No.Proses Keterangan

Evaporasi Pengeringan 1. Sisa penguapan adalah zat cair, kadang-kadang zat cair yangsangat viskos

2. Sisa penguapan adalah zat padat

Evaporasi Distilasi 1. Uap biasanya komponen tunggal. Jika uap berupa campuran, tidak ada usaha untuk memisahkan menjadi fraksi-fraksinya

2. Uap sering berupa campuran dan akan dipisah menjadi fraksi-fraksinya.

Evaporasi Kristalisasi 1. Permasalahan disini adalah pemekatan larutan

2. Permasalahan: pembuatan zat padatatau kristal.

Evaporasi Kristalisasi : contohnya pada penguapan air asin untuk membuat garam Evaporasi Distilasi : contohnya pada penguapan air yang mengandung mineral untuk umpan ketel (boiler). Biasa disebut distilasi air, tetapi dari segi proses adalah evaporasi. Penyelesaian praktis terhadap masalah evaporasi sangat ditentukan oleh karakteristik zat cair yang akan dikonsentrasikan. Variasi dalam karakteristik cairan itulah (yang menuntut keahlian dan pengalaman para insinyur dalam merancang dan mengoperasikan evaporator) yang menyebabkan operasi ini meluas dari perpindahan kalor sederhana menjadi suatu seni tersendiri. Berikut ini adalah beberapa sifat penting dari zat cair yang divaporasikan. Konsentrasi


BAB VI

Walaupun cairan encer yang diumpankan ke dalam evaporator mungkin cukup encer sehingga beberapa sifat fisiknya sama dengan air, tetapi jika konsentrasinya meningkat, larutan itu akan makin bersifat individual. Densitas dan viskositasnya meningkat bersamaan dengan kandungan zat padatnya, hingga larutan itu menjadi jenuh, atau jika tidak, menjadi terlalu lamban sehingga tidak dapat melakukan perpindahan kalor yang memadai. Jika zat cair jenuh didihkan terns, maka akan terjadi pembentukan kristal; kristal-kristal ini harus dipisahkan karena. Bisa menyebabkan tabung evaporator tersumbat. Titik didih larutanpun dapat meningkat dengan sangat cepat bila kandungan zat padatnya bertambah, sehingga suhu didih larutan jenuh mungkin jauh lebih tinggi dari titik didih air pada tekanan yang sama. Pembentukan busa Beberapa bahan tertentu, lebih-Iebih zat-zat organik, membusa pada waktu diuapkan. Busa yang stabi1 akan ikut ke luar evaporator bersama uap, dan menyebabkan banyaknya bahan yang terbawa ikut. Dalam hal-hal yang ekstrim, keseluruhan masa zat cair itu mungkin meluap ke dalam saluran uap keluar dan terbuang. Kepekaan terhadap suhu Beberapa bahan kimia berharga, bahan kimia farmasi, dan bahan rnakanan dapat rusak bila dipanaskan pada suhu sedang selama waktu yang singkat saja. Dalam mengkonsentrasikan bahan-bahan seperti itu diperlukan teknik khusus untuk mengurangi suhu zat cair dan menurunkan waktu pemanasan. Kerak Beberapa larutan tertentu menyebabkan pembentukan kerak pada permukaan pemanasan. Hal ini menyebabkan koefisien menyeluruh makin lama makin berkurang sampai akhimya kita terpaksa menghentikan operasi evaporator untuk membersihkannya. Bi1a kerak itu keras dan tak dapat larut, pembersihan itu tidak mudah dan memakan biaya.


BAB VI

Bahan konstruksi Bila memungkinkan, evaporator sebaiknya dibuat dari baja. Akan tetapi, banyak larutan yang merusak bahan-bahan besi, atau menjadi terkontaminasi oleh bahan itu. Karena itu digunakan juga bahan-bahan konstruksi khusus seperti tembaga, nikel, baja tahan karat, aluminium, grafit tak-tembus, dan timba1. Oleh karena bahan-bahan ini relatif mahal, maka laju perpindahan kalor harus tinggi agar dapat menurunkan biaya pokok peralatan. Banyak karakteristik lain zat cair juga perlu mendapat perhatian dari perancang evaporator, antara lain kalor spesifik, kalor konsentrasi, titik beku, pembebasan gas pada waktu mendidih, sifat racun, bahaya ledak, radioaktivitas, dan persyaratan operasi steril (suci hama. Oleh karena adanya variasi dalam sifat-sifat zat cair maka dikembangkan berbagai jenis rancangan evaporator. Evaporator mana yang dipilih untuk suatu masalah tertentu bergantung terutarma pada karakteristik zat cair itu. 6.2. Jenis-Jenis Evaporator Kebanyakan evaporator dipanaskan menggunakan uap yang dikondensasikan di atas tabung-tabung logarm. Bahan yang dievaporasikan biasanya mengalir di dalam tabung. Uap yang digunakan biasanya adalah uap bertekanan rendah, dibawah 3 atm abs; zat cair yang mendidih biasanya berada da1am vakum sedang, yaitu sampai kira- kira 0,05 atm abs. Berkurangnya suhu didih zat cair menyebabkan beda suhu antara uap dan zat cair yang mendidih itu meningkat, dengan demikian laju perpindahan kalor di da1am evaporator itu meningkat pula. Bila kita menggunakan satu evaporator saja, uap dari zat cair yang mendidih dikondensasikan dan dibuang. Metoda ini disebut sebagai evaporasi efek-tunggal (single-effect evaporation). Walaupun sederhana, namun proses ini tidak efektif dalam penggunaan uap. Untuk menguapkan l lb air dari larutan, diperlukan 1 sampai 1,3 lb uap. Jika uap dari satu evaporator dimasukkan ke dalam rongga uap (steam chest) evaporator kedua, dan uap dari evaporator kedua dimasukkan ke dalam kondenser, maka operasi ini akan menjadi efek dua ka1i atau efek-dua (double effect).


BAB VI

Ka1or uap yang semula digunakan lagi da1am efek yang kedua, dan evaporasi yang didapatkan oleh satu satuan masa uap yang diumpankan ke da1am efek pertama, menjadi harmpir lipat dua. Efek ini dapat ditambah lagi dengan cara yang sama. Metoda yang umum digunakan untuk meningkatkan evaporasi per lb uap dengan menggunakan sederatan evaporator antara penyediaan uap dan kondenser itu disebut sebagai evaporasi efek-berganda (multiple effect evaporation). Jenis-jenis utama evaporator tabung dengan pemasukan uap yang lazim dipakai adalah:

1. Evaporator tabung horizontal2. Evaporator.vertikal tabung panjang

a. Aliran ke atas (film-panjat)b. Aliran ke bawah (film-jatuh)c. Sirkulasi paksa .

3. Evaporator film aduk 6.2.1 Evaporator Tabung-Horizontal Evaporator tabung-horizontal sebagaimana yang ditunjukkan pada Gambar 6.1 adalah merupakan evaporator jenis klasik yang telah lama digunakan. Larutan yang akan dievaporasikan berada di luar tabung horizontal dan uap mengalir di dalam tabung horizontal. Tabung horizontal diliputi dan dikelilingi oleh sirkulasi yang alami dari cairan yang mendidih sehingga meminimumkan pengadukan cairan. Sebagai hasilnya maka pada evaporator jenis ini dijumpai koefisien perpindahan panas keseluruhan yang lebih rendah berbanding pada evaporator jenis lain, ini bermanfaat khususnya untuk mengevaporasikan larutan yang viskos. Koefisien keseluruhan yang berada antara 200-400 Btu/jam.ft2.0F (1100-2300 W/m2K) akan didapatkan, yang tergantung pada perbedaan suhu keseluruhan, suhu didih, dan sifat larutan yang dievaporasikan. Evaporator tabung horizontal biasanya digunakan untuk kapasitas yang kecil dan untuk mengevaporasikan larutan yang encer dan larutan ini tidak berbusa dan tidak meninggalkan deposit padatan pada tabung evaporator .


BAB VI


BAB VI

Gambar 6.1. Evaporator Tabung Horizontal 6.2.2. Evaporator Satu Lintas Dan Evaporator Sirkulasi Evaporator dapat dioperasikan sebagai unit satu lintas atau sebagai unit sirkulasi. Evaporator satu 1intas dan evaporator sirku1asi ditunjukkan pada Gambar 6.2 dan Gambar 6.3 secara berturutan. Evaporator ini merupakan pengembangan dari evaporator tabung-panjang. Pada kedua evaporator ini larutan mendidih di dalam tabung vertika1 dan media pemanas di luar tabung vertikal. Media pemanas yang digunakan biasanya uap yang terkondensasi. Pada evaporator satu lintas, cairan umpan dilewatkan melalui tabung hanya satu kali lewat saja, uapnya lepas dan keluar dari unit itu sebagai cairan pekat. Seluruh evaporasi dilaksanakan dalam satu lintas (lawatan) saja. Pendidihan atau pemanasan cairan di dalam tabung akan menyebabkan aliran naik ke atas melewati tabung, dan cairan yang tidak menguap mengalir ke bawah dan keluar melalui anulus yang terletak di bahagian dasar evaporator. Pada instalasi yang besar, terdapat beberapa lubang keluaran cairan atau produk dan tidak hanya satu seperti ditunjukkan pada Gambar 6.2.


BAB VI


BAB VI

Gambar 6.2. Evaporator satu lintas Rasio evaporasi terhadap umpan dalam unit satu lintas itu adalah terbatas, sehingga evaporator jenis ini sesuai untuk operasi efek berganda, di mana pemekatan tota1 terbagi-bagi dalam beberapa efek. Evaporator film aduk (agitated film evaporator) selalu dioperasikan dalam satu lintas saja; tetapi evaporator film jatuh (falling-film evaporator) dan evaporator film panjat (climbing film-evaporator) dapat pula dioperasikan dengan cara ini. Suhu zat cair dapat dijaga rendah dengan mengoperasikan unit ini dalam vakum tinggi. Dengan sekali lewatan cepat melalui tabung-tabung evaporator, cairan pekat itu hanya sebentar saja berada dalam suhu didihnya, dan dapat didinginkan dengan cepat begitu keluar dari evaporator.


BAB VI


BAB VI

Gambar 6.3. Evaporator sirkulasi Pada evaporator sirkulasi (circulation evaporator) terdapat suatu kolam zat cair di dalam alat itu. Umpan masuk akan bercampur dengan zat cair di dalam kolam, dan campuran itu lalu dialirkan melalui tabung-tabung evaporator. Zat cair yang tidak menguap dikeluarkan dari tabung dan kembali ke kolam, sehingga hanya sebagian saja dari keseluruhan evaporasi yang berlangsung dalam satu lewatan. Evaporasi sirkulasi paksa semuanya dioperasikan dengan cara ini, evaporator film panjat biasanya adalah unit sirkulasi. Cairan pekat dari evaporator sirkulasi dikeluarkan dari kolam. Semua cairan dalam kolam, oleh karena itu, harus selalu berada dalam konsentrasi maksimum. Oleh karena zat cair yang masuk tabung itu mengandung beberapa bagian cairan pekat di dalam setiap bagian umpan, maka konsentrasi, serta densitas, viskositas, dan titik didihnya selalu mendekati maksimum. Akibatnya, koefisien perpindahan kalornya akan cenderung rendah. Evaporator sirkulasi tidak terlalu cocok untuk memekatkan zat cair yang peka terhadap panas. Dengan menggunakan vakum yang cukup baik, suhu zat cair lindak dapat dijaga pada tingkat yang tidak merusak, tetapi zat cair itu akan berulang kali berada dalam kontak dengan tabung panas. Sebagian dari zat cair itu dengan demikian, akan terpanaskan hingga suhu yang kelewat tinggi. Walaupun waktu menetap (residence time) zat cair itu dalam zone pemanasan barangkali singkat saja, sebagian dari zat cair itu mungkin tertahan di dalam evaporator selama beberapa waktu. Pemanasan yang terlalu lama atas sebagian kecil sajapun dari bahan peka-panas seperti makanan akan dapat menyebabkan keseluruhan produk itu rusak. Evaporator sirkulasi, di lain pihak, dapat beroperasi dengan jangkau konsentrasi yang cukup luas antara umpan dan cairan pekat dalam satu unit saja, dan cocok pula untuk evaporasi efek tunggal. Alal ini dapat dioperasikan dengan sirkulasi alamiah, dimana aliran berlangsung melalui tabung


BAB VI

dengan disebabkan oleh perbedaan densitas, dapat pula dengan sirkulasi paksa, di mana aliran dilaksanakan dengan pompa. Pada evapoator satu lintas dan juga evaporator sirkulasi, tabung-tabung didalamnya dipasang secara rolling dan welding dan tidak secara packing seperti pada evaporator tabung horizontal. Kedua evaporator satu lintas dan evaporator sirku1asi juga mempunyai kelebihan operasional berbanding dengan evaporator tabung horizontal. Pada kedua jenis ini, sirkulasi alami yang dihasilkannya mempunyai kecepatan 1 hingga 3 ft/detik sehingga koefisien perpindallan panas pada evaporator ini lebih tinggi dibandingkan evaporator tabung horizontal yaitu pada rentang 200- 500 Btu/jam.ft2.oF (1100-2800 W/m2K) tergantung kepada baik sifat larutan, perbedaan suhu keseluruhan, maupun titik didih larutan. Evaporator ini dapat digunakan untuk larutan yang membentuk deposit padatan, karena padatan yang terbentuk di dalam tabung dapat dihilangkan dengan pembersihan mekanis. Evaporator ini juga dapat menangani cairan yang viskos, akan tetapi untuk evaporator jenis sirkulasi, maka alira

Perpindahan Panas

Documents

Transcript of Perpindahan Panas