tinjauan pustaka HC

7/23/2019 tinjauan pustaka HC

1/13

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Perpindahan Panas

Perpindahan panas dalam bentuk kalor dapat terjadi di berbagai tipe

proses baik secara kimia maupun fisika. Perpindahan panas sering terjadi dalam

berbagai unit operasi. Seperti destilasi alkohol, pembakaran bahan bakar, dan

evaporasi. Perpindahan panas terjadi dikarenakan perbedaan temperatur, driving

forcedan aliran panas dari daerah temperatur panas ke temperatur yang

rendah.Bila dua buah benda yang suhunya berbeda berada dalam kontak termal,

maka kalor akan mengalir dari benda yang suhunya tinggi ke benda yang suhunyalebih rendah. Aliran nettoselalu berlangsung menurut arah penurunan suhu.

Perpindahan panas adalah salah satu dari disiplin ilmu teknik termalyang

mempelajari cara menghasilkan panas, menggunakan panas, mengubah panas, dan

menukarkan panas diantara sistem fisik. Perpindahan panas diklasifikasikan

menjadi konduktivitas termal, konveksi termal, radiasi termal, dan perpindahan

panas melaluiperubahan fasa.

Bentuk-bentuk dasar perpindahan panas adalah:

! "onduksi

Gambar 1. "onduksi.

#Sumber: Wikipedia, 2013!

"onduksi ialah pemindahan panas yang dihasilkan dari kontak langsung

antara permukaan-permukaan benda. "onduksi terjadi hanya dengan menyentuh

atau menghubungkan permukaan-permukaan benda. Pada konduksi perpindahan

3
http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Teknik_termal&action=edit&redlink=1http://id.wikipedia.org/wiki/Konduktivitas_termalhttp://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Pindah_panas_konveksi&action=edit&redlink=1http://id.wikipedia.org/wiki/Radiasi_termalhttp://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Perubahan_fasa&action=edit&redlink=1http://id.wikipedia.org/wiki/Konduktivitas_termalhttp://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Pindah_panas_konveksi&action=edit&redlink=1http://id.wikipedia.org/wiki/Radiasi_termalhttp://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Perubahan_fasa&action=edit&redlink=1http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Teknik_termal&action=edit&redlink=1


2/13

4

energi panas #kalor! tidak diikuti dengan $at perantaranya. %isalnya saja jika

menyentuhkan batang besi yang panas ke batang besi lain yang dingin.

Secara sederhana, konduksimerupakan perpindahan energi antara objek-

objek yang mengalami kontak fisik.Pada skala mikroskopik, konduksi panas

muncul sebagai rasa panas, atom yang bergetar atau berpindah sedemikian cepat

berinteraksi dengan atom dan molekul sekelilingnya sehingga memindahkan

sejumlah energi mereka ke partikel di sekelilingnya.

&engan kata lain, panas dipindahkan dengan konduksi ketika atom yang

saling berdampingan menggetarkan satu sama lain, atau ketika elektron berpindah

dari satu atom ke atom lain."onduksi adalah bentuk perpindahan panas paling

umum pada benda padat pada kontak termal. "onduktansi kontak termaladalah

studi konduksi panas antara benda padat yang saling bersentuhan.

"onduksi pada saat steady state adalah bentuk konduksi yang terjadi

ketika perbedaan temperatur yang terjadi pada saat konduksi berlangsung secara

spontan, maka setelah 'aktu kesetimbangan, distribusi spasial temperatur pada

benda yang terkonduksi tidak berubah-ubah lagi. Pada konduksi dengan kondisi

steady state, jumlah panas yang memasuki suatu bagian sama dengan jumlah

panas yang keluar. "onduksi transient adalah konduksi yang muncul ketika

temperatur objek berubah sebagai fungsi 'aktu. Analisis pada sistem transient

lebih kompleks dan sering digunakan untuk aplikasi dari analisis numerik oleh

komputer.

(! "onveksi

Gambar 2. "onveksi.

#Sumber : Wikipedia,2013!
http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Konduktansi_kontak_termal&action=edit&redlink=1http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Konduktansi_kontak_termal&action=edit&redlink=1


3/13

5

"onveksi adalah perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain karena

adanya perpindahan fluida.Proses perpindahan panas melaluiperpindahan massa

merupakan perpindahan kalor #panas! yang disertai dengan berpindahnya $at

perantara. "onveksi sebenarnya mirip dengan konduksi, hanya saja jika konduksi

adalah perpindahan kalor tanpa disertai $at perantara sedangkan konveksi

merupakan perpindahan kalor yang diikuti $at perantara.

)erak serempak fluida menambah perpindahan panas pada banyak

kondisi, seperti misalnya antara permukaansoliddan permukaan fluida."onveksi

adalah perpindahan panas yang umum pada cairan dan gas."onveksi bebas

muncul ketika gerak fluida disebabkan oleh gaya apung yang berasal dari

perbedaan massa jenis akibat perbedaan temperatur di dalam fluida. "onveksi tak

bebas adalah istilah yang digunakan ketika aliran di dalam fluida diinduksi oleh

benda eksternal, seperti kipas, pengaduk dan pompa, sehingga menyebabkan

konveksi induksi buatan.

*! +adiasi

Gambar 3.+adiasi

#Sumber : Wikipedia, 2013!

+adiasi termal adalah energi yang dilepaskan oleh benda sebagai

gelombang elektromagnetik, karena adanya tumpukan energi termalpada semua

benda dengan suhu di atas nol mutlak.+adiasi juga dapat dikatakan sebagai

perpindahan kalor melalui media atau ruang yang akhirnya diserap oleh benda

lain.+adiasi termal muncul sebagai akibat perpindahan acak dari atom dan

molekul benda. "arena atom dan molekul ini terdiri dari partikel bermuatan
http://id.wikipedia.org/wiki/Fluidahttp://id.wikipedia.org/wiki/Fluidahttp://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Perpindahan_massa&action=edit&redlink=1http://id.wikipedia.org/wiki/Radiasi_termalhttp://id.wikipedia.org/wiki/Radiasi_termalhttp://id.wikipedia.org/wiki/Gelombang_elektromagnetikhttp://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Energi_termal&action=edit&redlink=1http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Energi_termal&action=edit&redlink=1http://id.wikipedia.org/wiki/Nol_mutlakhttp://id.wikipedia.org/wiki/Fluidahttp://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Perpindahan_massa&action=edit&redlink=1http://id.wikipedia.org/wiki/Radiasi_termalhttp://id.wikipedia.org/wiki/Gelombang_elektromagnetikhttp://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Energi_termal&action=edit&redlink=1http://id.wikipedia.org/wiki/Nol_mutlak


4/13

6

#proton dan elektron!, pergerakan mereka menghasilkan pelepasan radiasi

elektromagnetik yang memba'a energi.+adiasi dari matahari dapat digunakan

untuk panas dan tenaga listrik. idak seperti konduksi dan konveksi, radiasi

termal dapat dikumpulkan di sebuah titik kecil menggunakan kaca pemantul,

kemudian dimanfaatkan untuk pembangkit listriksolar.

(... "onduksi Panas

nergi yang diberikan oleh partikel konstituen seperti atom, molekul atau

elektron bebas dari daerah yang lebih panas pada suatu benda ke daerah yang

lebih dingin disebut panas. "onduksi adalah suatu jenis perpindahan panas

dimana perpindahan energi terjadi pada benda padat atau pada fluida yang

diam #tidak ada perpindahan konveksi yang berasal dari perpindahan porsi

makroskopik pada medium! dari daerah yang memiliki temperatur tinggi ke

daerah yang memiliki temperatur rendah.

aju aliran panas tidak dapat diukur secara langsung, tetapi konsepnya

mempunyai arti fisik karena berhubungan dengan kuantitas skalar yang dapat

diukur yaitu temperatur. &istribusi temperatur #r,t! pada benda merupakan

fungsi dari posisi dan 'aktu, sehingga laju aliran panas pada benda akan dapat

dihitung berdasarkan hukum yang menghubungkan laju aliran panas dengan

gradien temperatur.

"onduksi panas atau konduksi termal adalah penjalaran kalor tanpa

disertai perpindahan bagian-bagian $at perantaranya. Penjalaran ini biasanya

terjadi pada benda padat. "alor mengalir pada konduktor dari sisi yang

bersuhu tinggi ke sisi yang bersuhu rendah. /adi, pada konduktor, suhu terbagi

sepanjang konduktor sehingga membuat semacam lintasan untuk mengalirkan

panas dari tempat dengan jumlah panas lebih banyak #suhu tinggi! ke tempat

dengan jumlah panas lebih sedikit #suhu rendah!.&alam konduksi, panas dapat

dikonduksi melalui padatan, cairan, dan gas.

Panas dikonduksi oleh perpindahan energi gerak molekul-molekul yang

berdekatan. %olekul yang memiliki energi kinetik yang lebih besar memberi

energinya ke molekul terdekat yang berada pada tingkat terendah.
http://id.wikipedia.org/wiki/Protonhttp://id.wikipedia.org/wiki/Elektronhttp://id.wikipedia.org/wiki/Radiasi_elektromagnetikhttp://id.wikipedia.org/wiki/Radiasi_elektromagnetikhttp://id.wikipedia.org/wiki/Protonhttp://id.wikipedia.org/wiki/Elektronhttp://id.wikipedia.org/wiki/Radiasi_elektromagnetikhttp://id.wikipedia.org/wiki/Radiasi_elektromagnetik


5/13

7

Perpindahan jenis ini hadir dalam beberapa tingkat pada semua padatan, gas,

atau cairan yang mana berada pada gradien temperatur tertentu.

&alam konduksi, energi juga dapat dipindahkan oleh elektron bebas, yang

mana juga cukup penting pada metallic solids. 0ontoh dari perpindahan panas

secara konduksi yaitu perpindahan panas melalui dinding heat e1changers

atau sebuah refrigerator, perlakuan panas pada steel forgings, pendinginan

tanah sepanjang musim dingin dan lain-lain. Pada padatan, mekanisme yang

utama adalah vibrasi molekular.

"onduksi dapat terjadi dalam dua proses berikut :

! %elalui pemanasan salah satu ujung $at

2ni menyebabkan partikel-pertikel pada ujung itu bergetar lebih cepat

dansuhunya naik atau energi kinetiknya bertambah. Partikel-partikel yang

memiliki energi kinetik lebih besar ini akan memberikan sebagian energinya

kepada partikel-partikel tetangganya melalui tumbukan sehingga partikel

tetangga tersebut memiliki energi kinetik yang lebih besar. Selanjutnya,

partikel-partikel ini akan memberikan sebagian energi kinetiknya ke partikel-

partikel tetangga berikutnya. &emikian seterusnya sampai kalor mencapai

ujung dingin #bagian yang tidak dipanasi!. Perpindahan panas dengan cara ini

berlangsung lambat karena diperlukan beda suhu yang tinggi diantara kedua

ujung untuk memindahkan lebih banyak kalor.

(! %elalui elektron-elektron bebas

&alam logam kalor dipindahkan melalui elektron-elektron bebas yang

terdapat dalam struktur atom logam. lektron bebas ini mudah berpindah

sehingga pertambahan energi dapat dengan cepat diberikan ke elektron-

elektron lain yang letaknya berjauhan melalui peristi'a tumbukan. &engan

cara ini kalor dapat berpindah dengan lebih cepat.

2.2. Fluks Panas

3ukum dasar yang memberikan hubungan antara laju aliran panas dengan

gradien temperatur, berdasarkan observasi eksperimen yang secara umum

dinamakan setelah ahli %atematika dan 4isika dari Perancis /oseph 4ourier yang

menggunakannya dalam teori analisanya tentang panas. 5ntuk material homogen,


6/13

8

solid isotropic #contohnya: material yang konduktivitas termalnya tidak

bergantung pada arah. 3ukum 4ourier diberikan dalam bentuk dimana gradien

temperatur adalah normal vektor ke permukaan isothermal, vektor fluks panas

6#r,t! menggambarkan laju aliran panas per satuan 'aktu, per satuan luas dari

permukaan isothermal pada arah yang mengalami penurunan temperatur, dan k

adalah konduktiviats termal dari material yang positif secara kuantitas skalarnya.

"onduktivitas atau keterhantaran termal, k, adalah suatu besaran intensif

bahan yang menunjukkan kemampuannya untuk menghantarkan panas. "onduksi

termal adalah suatu fenomena perpindahan dimana perbedaan temperatur

menyebabakan perpindahan energi termal dari satu daerah benda panas ke daerah

yang sama pada temperatur yang lebih rendah. /ika vektor fluks panas 6#r,t!

berada pada arah yang temperaturnya menurun, tanda minus membuat laju aliran

panas bernilai positif. /ika fluks panas dalam 78m( dan gradien temperatur

adalah 08m, konduktivitas termal bersatuan 78m 0.

&engan demikian jelaslah bah'a laju aliran panas untuk gradien

temperatur yang diberikan secara langsung proporsional terhadap konduktivitas

termal dari material. Sehingga dalam analisa perpindahan panas konduksi,

konduktivitas termal dari material adalah sifat yang sangat penting, yang

mengontrol laju aliran panas dalam suatu medium. Ada perbedaan yang besar

antara konduktivitas termal dari berbagai material. 9ilai tertinggi adalah pada

metal murni dan nilai terendah pada gas dan uap, sedangkan material yang

diisolasi dan cairan anorganik mempunyai konduktivitas termal yang berada di

pertengahan. Beberapa contoh nilai k:

a! Metals; sampai


7/13

9

"onduktivitas termal juga bervariasi terhadap temperatur. 5ntuk sebagian

besar metals murni nilai k menurun seiring dengan kenaikan temperatur.

Sedangkan pada gas dan material yang terisolasi, nilai k meningkat seiring dengan

meningkatnya temperatur. 9amun, konduktivitas termal bervariasi sangat cepat

terhadap temperatur.

2.3. ukum Fourier

3ukum %ourier adalah hukum yang menjelaskan hubungan dasar yang

mengenai aliran kalor melalui konduksi berupa kesebandingan yang ada antara

laju aliran kalor yang melintas pada permukaan isot$ermaldan gradien suhu yangterdapat pada permukaan itu. "uat penjalaran panas yang mele'ati konduktor

bergantung pada kemiringan pembagian suhu sepanjang konduktor sesuai hukum

%ourier:

q=kdT

dx

#.!

"eterangan :

q > kuat konduksi

Tx > pembagian suhu pada konduktor

k > konduktivitas panas.

Alasan pemberian tanda minus #-! pada rumus konduksi hukum 4ourier,

seperti diilustrasikan sebagai berikut :

a! /ika temperatur menurun pada arah-1 positif, maka nilai dari d8d1 adalah

negatif? kemudian @1menjadi bernilai positif dikarenakan kehadiran dari

tanda negatif, sehingga laju kalor berada pada arah-1 positif.


8/13

10

Gambar !. +umus konduksi hukum 4ourier #a!

&sumber : Wikipedia, (;


9/13

11

"onduktivitas atau keterhantaran termal #k! adalah suatu besaran intensif

bahan yang menunjukkan kemampuannya untuk menghantarkan panas. "onduksi

termal adalah suatu fenomena transport dimana perbedaan temperatur

menyebabkan transfer energi termal dari satu daerah benda panas ke daerah yang

sama pada temperatur yang lebihrendah. Panas yang dipindah dari satu titik ke

titik lain melalui salah satu dari tiga metode yaitu konduksi, konveksi dan radiasi.

"onduktivitas termal dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut :

k=Q

t x

L

A X T #.(!

"eterangan:

k > konduktivitas termal

@ > panas

t > 'aktu hantar

> ketebalan

A > luas permukaan

> perbedaan suhu dalam kondisi tunak

/ika perpindahan panas hanya tergantung dengan perbedaan suhu

tersebut."onduktivitas termal berubah terhadap P dan untuk fluida murni #sama

seperti viskositas!. "onduktivitas termal gas mendekati suatu limit dari pada

tekanan rendah, umumnya kondisi ini pada tekanan atmosfir.eori konduktivitas

termal gas pada densitas rendah untuk monoatomik banyak diteliti, sementara

untuk poliatomik masih jarang penelitiannya.

2.". Perpindahan Panas K#nduksi pada &indin' Berlapis

+angkaian termal dapat digunakan juga pada sistem yang lebih kompleks,

seperti dinding berlapis, yang terdiri dari beberapa rangkaian seri dan paralel

dimana setiap lapisan memiliki material yang berbeda. Perpindahan panas pada

dinding berlapis diperlihatkan pada gambar berikut ini:
http://id.wikipedia.org/wiki/Tunakhttp://id.wikipedia.org/wiki/Tunak


10/13

12

Gambar (. Perpindahan panas konduks ipada dinding berlapis

&sumber : Wikipedia, (;)

2.(. Perpindahan Panas K#duksi pad a Sis$em )adial

0ontoh yamg umum untuk sistem ini adalah silinder, yang memiliki

permukaan luar dan permukaan dalam yang diperlihatkan pada fluida yang

memilki perbedaan temperatur. 5ntuk kondisi steady dimana tidak ada panas yang

dibangkitkan maka bentuk persamaan perpindahan panas adalah:

Analogi listriknya :

Gambar *.Skema analogi listrik

&sumber : Wikipedia, 200()

2.*. Ala$ Penukar Panas a$auHeat Exchanger+,-

Alat penukar panas atau)eat *+c$anger#3! adalah alat yang digunakan

untuk memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa dan

bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium

pemanas dipakai adalah air yang dipanaskan sebagai fluida panas dan air biasa

sebagai air pendingin #cooling ater!. Penukar panas dirancang sebisa mungkin

agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien.

Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida terdapat

dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung #direct

contact!. Penukar panas sangat luas dipakai dalam industri seperti kilang minyak,


11/13

13

pabrik kimia maupun petrokimia, industri gas alam, refrigerasidanpembangkit

listrik.

2.. Jenis / JenisHeat Exchanger

1- Penukar Panas Pipa +angkap #double pipe $eat e+c$anger!

Salah satu jenus penukar panas adalah susunan pipa ganda. &alam jenis

penukar panas dapat digunakan berla'anan arah aliran, baik dengan cairan

panas atau dingin cairan yang terkandung dalam ruang annular dan cairan

lainnya dalam pipa.Alat penukar panas pipa rangkap terdiri dari dua pipa

logam standaryang dikedua ujungnya dilas menjadi satu atau dihubungkandengan kotak penyekat. 4luida yang satu mengalir di dalam pipa, sedangkan

fluida kedua mengalir di dalam ruang anulus antara pipa luar dengan pipa

dalam. Alat penukar panas jenis ini dapat digunakan pada laju alir fluida yang

kecil dan tekanan operasi yang tinggi. Sedangkan untuk kapasitas yang lebih

besar digunakan penukar panass$ell and tube $eat e+c$anger.

(! Penukar Panas 0angkang dan Buluh #s$ell and tube $eat e+c$anger!

Alat penukar panas cangkang dan buluh terdiri atas suatu bundel pipa

yang dihubungkan secara paralel dan ditempatkan dalam sebuah pipa mantel

#cangkang!. 4luida yang satu mengalir di dalam bundel pipa, sedangkan fluida

yang lain mengalir di luar pipa pada arah yang sama, berla'anan atau

bersilangan. "edua ujung pipa tersebut dilas pada penunjang pipayang

menempel pada mantel.5ntuk meningkatkan efisiensi pertukaran panas,

biasanya pada alat penukar panas cangkang dan buluh dipasang sekat #buffle!.

2ni bertujuan untuk membuat turbulensi aliran fluida dan menambah 'aktu

tinggal #residence time!, namun pemasangan sekat akan

memperbesarpressure drop operasi dan menambah beban kerja pompa,

sehingga laju alir fluida yang dipertukarkan panasnya harus diatur.

*! Penukar Panas-late and %rame#plate and frame $eat e+c$anger!

Alat penukar panas pelat dan bingkai #plate and frame $eat e+c$anger!

terdiri dari paket pelatpelat tegak lurus, bergelombangatau profil lain.

Pemisah antara pelat tegak lurus dipasang penyekat lunak #biasanya terbuat

dari karet!. Pelatpelat dan sekat disatukan oleh suatu perangkat penekan yang


12/13

14

pada setiap sudut pelat ; #kebanyakan! terdapat lubang pengalir fluida.

%elalui dua dari lubang ini, fluida dialirkan masuk dan keluar pada sisi yang

lain, sedangkan fluida yang lain mengalir melalui lubang dan ruang pada sisi

sebelahnya karena ada sekat.

Penukar panas ini menggunakan intermediate cairan untuk menahan

panas, yang kemudian pindah ke sisi lain dari penukar panas akan dirilis. &ua

contoh ini adalah roda adiabatik, yang terdiri dari roda besar dengan benang

halus berputar melalui cairan panas dan dinginserta penukar panas cairan.

! -illo plate $eat e+c$anger

Sebuah pelat penukar bantal umumnya digunakan dalam industri susu

untuk susu pendingin dalam jumlah besar langsung ekspansi tank massal

stainless steel. Pelat bantal memungkinkan untuk pendinginan di hampir

daerah seluruh permukaan tangki, tanpa sela yang akan terjadi antara pipa

dilas ke bagian luar tangki. Pelat bantal dibangun menggunakan lembaran

tipis dari logam-spot dilas ke permukaan selembar tebal dari logam.

Pelat tipis dilas dalam pola teratur dari titik-titik atau dengan pola serpentin

garis las. Setelah pengelasan ruang tertutup bertekanan dengan kekuatan yang

cukup untuk menyebabkan logam tipis untuk tonjolan disekitar lasan,

menyediakan ruang untuk cairan penukar panas mengalir, dan menciptakan

penampilan yang karakteristik bantal membengkak terbentuk dari logam.

C! .ynamic scraped surface $eat e+c$anger

ipe lain dari penukar panas disebut dinamis besot permukaan $eat

e+c$anger. 2ni terutama digunakan untuk pemanasan atau pendinginan dengan

tinggi viskositas produk, proses kristalisasi, penguapan tinggi dan fouling

aplikasi. "ali berjalan panjang yang dicapai karena terus menerus menggores

permukaan,sehingga menghindari pengotoran dan mencapai kecepatan

transfer panas yang berkelanjutan selama proses tersebut.

=! -$ase/c$ange $eat e+c$anger

Alat ransfer Panas Satu 4asa #-$ase/c$ange $eat e+c$anger', selain

memanas atau pendinginan cairan hanya dalam satu fasa, penukar panas dapat


13/13

15

digunakan baik untuk memanaskan cairan menguap #atau mendidih! atau

digunakan sebagai kondensor untuk mendinginkan uap dan mengembun ke

cairan. Pada pabrik kimia dan kilang, reboilerdigunakan untuk memanaskan

umpan masuk untuk menara distilasi sering penukar panas.

&istilasi set/up biasanya menggunakan kondensor untuk

mengkondensasikan uap distilasi kembali ke dalam cairan. Pembangkit tenaga

listrik yang memiliki uap yang digerakkan turbin biasanya menggunakan

penukar panas untuk mendidihkan air menjadi uap.)eat e+c$angeratau unit

serupa untuk memproduksi uap dari air yang sering disebut boiler atau

generator uap. &alam pembangkit listrik tenaga nuklir yang disebut reaktor air

bertekanan, penukar panas khusus besar yang mele'ati panas dari sistem

#pabrik reaktor! primer ke sistem #pabrik uap! sekunder, uap memproduksi

dari air dalam proses, disebut generator uap.

tinjauan pustaka HC

Documents

Transcript of tinjauan pustaka HC