1

Agung Sugeng Widodo E-mail : agung_swd@yahoo.com

mempelajari rate of heat transfer (jumlah perpindahan panas persatuan waktu) selama proses pendidihan dan kondensasi

Pendidihan : liquid ke vapor

Pendidihan : proses terjadinya gelembung2 pada seluruh permukaan cairan. Proses tersebut terjadi jika tekanan cairan meningkat sampai tekanan saturasi.

Contoh : air akan mendidih pada temperatur 100o C pada tekanan 1 atm ( 101, 3 kPa) .

Water : Tsat @ 101,1 kPa = 100oC Water : Tsat @ 3,00 kPa = 24,08oC

Kondensasi : vapor ke liquid Proses tersebut terjadi jika tekanan uap lebih kecil dari tekanan saturasinya.

2

Pendidihan dan Kondensasi berbeda dengan perpindahan panas konveksi lainnya, karena keduanya melibatkan :

panas laten penguapan ( hfg) teg.permukaan pada permukaan cairan & gas(σ) Konveksi ~ f (, , k, Cp)

Pendidihan ~ f (, , k, Cp, Hfg, σ )

Ciri khusus dari proses pendidihan dan kondensasi adalah koefisien perpindahan panas (h) beberapa kali lipat dibandingkan dengan

bentuk konveksi lainnya yang melibatkan satu fasa.

Pendidihan (Boiling) Penguapan (Evaporation)

Terjadi pada interface padat-cairan ketika cairan kontak dengan sebuah benda padat yang temp. Permukaan lebih besar dari temp. Saturasi ( Ts > Tsat )

Contoh :

Pada 1 atm air akan mendidih jika

dikontakkan dengan benda padat

bersuhu 110oC, karena temp. Saturasi

air pada 1 atm = 100oC

Terjadi pada permukaan (interface) cairan-uap ketika tekanan uap kurang dari tekanan saturasi pada temperatur tertentu.

Contoh :

Air danau akan menguap pada

temperatur 20o C dan 60% kelembapan

relatif karena

Psat@ 20o

C = 2,3 kPa dan

Pvapor@ 20o

C,60% rh = 1,4 kPa

Contoh lainnya : mengeringnya pakaian,

buah, sayuran

3

excess sat s boiling T h T T h q D = - = ) ( &

Heat flux pendidihan dari benda padat ke cairan diekspresikan dari

hukum Newton tentang pendinginan sbb :

Gelembung mempunyai tegangan permukaan pada interface cairan-

uap dikarenakan gaya tarik molekul pada permukaan terhadap fasa

cairan.

Tegangan permukaan (σ , N/m2) menurun ketika temperatur

meningkat dan menjadi nol ketika mencapai temperatur kritis. Oleh

karena itu tidak terdapat gelembung-gelembung ketika proses

pendidihan pada tekanan dan temperatur super kritis.

Pendidihan dan kondensasi tidak berada kesetimbangan

termodinamik dengan lingkungan cair. Perbedaan tekanan yang

terjadi di dalam gelembung dan cairan diseimbangkan oleh tegangan

permukaan.

Perbedaan temperatur uap dalam gelembung akan menyebabkan

proses perpindahan panas dari/ke dalam gelembung

menghilang

muncul ke permukaan

interface

Tb >Tl

interface

Tb < Tl

4

5

Natural Convection Boiling ( sampai titik A pada grafik)

terjadi beberapa derajat celcius di atas temp. saturasi ( 2 – 6oC

untuk air)

cairan dalam kondisi sedikit superheated, kondisi metastable dan akan

menguap jika mencapai permukaan cairan

gerakan fluida diatur oleh konveksi alamiah.

6

Nucleate Boiling

( antara titik A dan C)

awal terbentuknya gelembung dan akan meningkat jumlahnya

sampai pada titik C

Pada regime A – B disebut dengan isolated bubble karena, ketika

terjadi gelembung dan kemudian lepas dari permukaan heater

maka gelembung akan terdissipasi dan hilang ke dalam cairan.

Ketika terjadi gelembung dipermukaaan heater, maka permukaaan

akan terisi oleh cairan. Hal ini menyebabkan heat transfer coeff. dan

heat flux meningkat.

Pada regime B – C, temperatur heater akan terus meningkat dan

gelembung yang terbentuk juga akan semakin banyak sehingga

membentuk continous coloum of vapor dalam cairan. Gelembung akan

naik ke permukaan dan pecah. Pada kondisi ini heat flux yang

terjadi relatif besar akibat kombinasi dari pemasukan (entrainment)

cairan ke permukaan heater dan proses penguapan.

Pada harga Texcess besar, permukaan heater akan terselubungi

oleh gelembung. Adanya gelembung tersebut akan

menyebabkan heat flux menjadi menurun jika dibandingkan

dengan peningkatan Texcess.

Heat flux pada titik C disebut dengan critical/maximum heat flux,

max, yang pada air terjadi pada 1 MW/m2.

Daerah nucleate boiling lebih disukai dalam praktis karena rate of

heat transfer yang besar jika dibandingkan dengan peningkatan

Texcess yang relatif kecil . Pada air terjadi 30oC.

q&

q &

7

Transition Boiling

(antara titik C dan D pada grafik)

Pada daerah ini heat flux menurun dengan meningkatnya Texcess,

karena permukaan heater tertutupi oleh vapor film. Lapisan uap

tersebut akan berfungsi sebagai isolasi karena uap mempunyai k

yang relatif rendah dibandingkan dengan k cairan.

Pada daerah ini, antara nucleate boiling dan film boiling keduanya

terjadi bersamaan.

Daerah ini disebut dengan unstable film boiling regime dan dalam

praktis tidak disukai. Pada air terjadi pada 30o – 120oC.

8

Film Boiling Pada daerah ini, seluruh permukaan heater ditutupi oleh continous

stable vapor film.

Pada titik D, heat flux akan mencapai minimum dan diberi nama

Leidenfrost point ( 1756)

Heat transfer akan meningkat dengan meningkatnya Texcess karena

dominannya proses radiasi pada daerah ini ( pada temp. Tinggi).

9

continues film

Burn out phenemena terjadi ketika temp.

heater dinaikkan secara mendadak

sampai mencapai temperatur lelehnya,

sehingga akan terjadi sudden jump

yang tidak mengikuti q min pada

transition boiling.

Kejadian akan sama jika

power/temperatur heater diturunkan

secara mendadak, maka penurunan

tidak mengikuti q max (lihat gambar)

Burn out phenemena

10

Korelasi Perpindahan Panas dalam Pool

Boiling

Dalam nucleate boiling regime, rate of heat transfer sangat bergantung

pada kondisi nucleation ( jumlah daerah nucleaisasi aktif, laju

pembentukan bubble pd setiap site dll) yang notabene sulit

diprediksi.

Type dan kondisi permukaan heater juga mempengaruhi proses

perpindahan panas.

Koplikasi tersebut membuat sulit untuk membangun relasi teoritis

perpindahan panas untuk daerah nucleate boiling sehingga

bergantung pada data eksperimental.

Korelasi yang paling luas digunakan untuk perpindahan panas pada

daerah nucleate boiling diawali oleh Rohsenow, 1952 :

( ) ( ) 3 2 1

-

- =

n

l fg fs

sat s pl v l fg l nucleate

Pr h C

T T C g h q

s

&

( ) ( ) 3 2 1

-

- =

n

l fg fs

sat s pl v l fg l nucleate

Pr h C

T T C g h q

s

&

= nucleate boiling heat flux, W/m2 l = viskositas cairan, kg/(m.s) hfg = entalpi penguapan, J/kg g = percepatan gravitasi, m/s2

l = densitas cairan, kg/m3

v = densitas uap, kg/m3

s = teg. permukaan interface cairan-uap, N/m Cpl = panas jenis cairan, J/(kg.oC) Ts = temp. permukaan, oC Tsat = temp. saturasi fluida, oC Cfs = kontanta eksperimental, tergantung dari Permukaan Pr = Angka Prandl n = konst. eksperimental, tergantung pada fluida

nucleate q &

dimana :

Catatan :Pers. Ini u/ perm.

halus & bersih

Nucleate Boiling

11

Pada perencanaan peralatan perpindahan panas pendidihan adalah

penting untuk mengetahui heat flux maksimum untuk menghindari

burn out. Maksimum heat flux pada nucleate boiling ditentukan

secara teoritis oleh S. S Kutaeladze (Rusia, 1948) dan N. Zuber

(USA, 1958) yang diekspresikan :

dimana Ccr adalah konstanta yang tergantung pada bentuk

geometri heater.

Peak Heat Flux

( ) [ ] 4 1 2

v l v fg cr g h C q s - = max &

Minimum Heat Flux

Zuber menurunkan persamaan untuk heat flux minimum untuk plat

horisontal besar sebagai berikut :

dimana 0,99 adalah konstanta yang ditentukan oleh Berenson (1961)

( )

( )

4 1

2 09 0

+

- =

v l

v l

fg v

g h q

s , min &

12

Film Boiling

Bromley membentuk sebuah teori untuk memprediksi heat flux

pada stable film boiling pada silinder horisontal dan lingkatan

dengan diameter D sebagai berikut :

dimana kv adalah konduktivitas vapor dalam W/m.oC dan

= bola untuk 0,67

horisontal silinder untuk 0,62 C film

( ) ( ) [ ] ( )

( ) sat s

sat s v

sat s pv fg v l v v

film T T T T D

T T C h gk C q -

-

- + - =

4 1 3

4 0

, min &

Film Boiling

Bromley membentuk sebuah teori untuk memprediksi heat flux

pada stable film boiling pada silinder horisontal dan lingkatan

dengan diameter D sebagai berikut :

dimana kv adalah konduktivitas vapor dalam W/m.oC dan

= bola untuk 0,67

horisontal silinder untuk 0,62 C film

( ) ( ) [ ] ( )

( ) sat s

sat s v

sat s pv fg v l v v

film T T T T D

T T C h gk C q -

-

- + - =

4 1 3

4 0

, min &

13

Pada temp. permukaan yang tinggi ( 300oC), heat transfer

sepanjang uap film melalui radiasi menjadi signifikan dan perlu

diperhatikan :

dimana : = emivisity permukaan

s= 5,67 x 10-8 W/m2.K4 ( ) 4 4

sat s rad T T q - = s &

Perpindahan panas total tidak merupakan penjumlahan antara qfilm

dengan qrad. . Karena kedua mekanisme perpindahan panas diatas

mempengaruhi satu sama lain. Misal, radiasi dari permukaan ke

cairan akan meningkatkan laju penguapan, dan akan menebalkan

vapor film, sehingga mengurangi perpindahan panas konveksi.

Untuk qrad < qfilm Bromley menyatakan :

rad film total q q q & & 4 3 + =

Film Boiling (con’t)

Meningkatkan heat transfer pada pool boiling

Perpindahan panas pada nucleate boiling sangat bergantung pada

jumlah daerah pengintian aktif (active nucleation sites) dan laju

pembentukan gelembung pada setiap site. Oleh karena itu usaha

dilakukan untuk membuat permukaan heater tidak teratur,

termasuk kekasaran permukaan dan kotoran yang menempel dapat

berfungsi sebagai site pembentuk inti.

Efek dari kekasaran permukaan dapat diabaikan pada critical heat

flux dan heat flux pada film boiling.

Usaha untuk meningkatkan heat transfer pada nucleate boiling dalam

praktis (dipasaran) dilakukan dengan melapisi permukaan dengan

sebuah lapisan porous tipis ( ± 1 mm ) atau dengan membuat

lubang-lubang kecil pada permukaan. Usaha diatas dapat

meningkatkan heat transfer sampai 10 x lipat dan critical heat flux

sampai 3 x.

14

Flow Boiling

A. External F. B

semakin besar kec. fluida

semakin besar nucleate

boiling dan critical boiling

heat flux. (qcr = 35 MW/m2 ;

bandingkan dgn pool boiling

q cr = 1,3 MW/m2

15

B. Internal F. B

• awalnya cairan dalam

kondisi subcooled.

• gelembung pertama

muncul pada tube bagian

dalam

• dan kemudian lepas

mengikuti aliran utama

bubbly flow regime.

PERPINDAHAN PANAS KONDENSASI

Kondensasi : vapor ke liquid

Kondensasi terjadi ketika temp.

uap turun sampai temp

saturasinya ( yg umumnya kontak

dengan benda padat yang memp.

T < Tsat fluida )

Kondensasi dibedakan menjadi

dua :

1. film condensation :

kondensasi berbentuk lap.

film

2. dropwise condensation :

kondensasi berbentuk

droplet.

16

FILM CONDENSATION

awal cairan film terjadi pada ujung plat,

turun ke bawah akibat gravitasi

tebal film membesar searah dengan aliran.

panas dlm hfg dilepas selama kondensasi &

ditransfer menuju plat yg mempunyai Ts

< Tsat

kec. di dinding adalah nol dan kec. max

terjadi pada interface cairan-uap

Temp. kondensat semakin mendekati dinding

semakin turun sampai sama dng Ts

Perpindahan panas pada kondensasi juga tergantung pada apakah aliran

laminar atau turbulen, kriteria tsb dapat didefinisikan sbb :

l

l

l

l l

l

l l c

l

l l h

p

m V

p

V A V D Re

& 4 4 4 = = = =

dimana :

Dh = 4Ac/p = diameter hidraulik

p = perimeter

Ac = p = perimeter x tebal film, luas penampang

l = densitas cairan

l = viskositas cairan

V = kec. rata2 kondensat

= l A Vl = laju aliran massa kondensat

m &

FILM CONDENSATION (con’t)

17

Karena dalam kondisi aktual kondensate

mengembun secara kontinyu ke temp.

rata-rata antara Tsat dan Ts maka, proses

kondensasi akan melepaskan lebih

banyak panas. Sehingga oleh Rohsenow

kalor laten penguapan dimodifikasi

menjadi :

) T T ( C ( ) T T ( C , h h sat v pv s sat pl fg * fg

- + - + = 68 0

* fg s sat conden h m ) T T ( hA Q & & = - =

Sehingga :

Jika m disubstitusikan ke

persamaan sebelumnya maka : * fg l

s sat

* fg l

conden

h p

) T T ( Ah

h p

Q Re

- = =

4 4 &

FILM CONDENSATION (con’t)

Kriteria daerah aliran pada kondensasi pada plat vertikal dapat

dikategorikan sebagai berikut & beberapa kasus film condesation :

FILM CONDENSATION (con’t)

18

DROPWISE CONDENSATION

dropwise condensation dicirikan dgn

pembentukan droplet2 dgn berbagai

variasi diameter yg kemudian membesar

& jatuh menghapus permukaan solid &

kembali terekspos ke uap.

Merupakan mekanisme perpin panas yg efective ( 10 x FC)

Dilakukan dengan :

- Pelapisan polimer (teflon), emas, silver, rhodium, palladium or

platinum

- Promoter chemical : waxes, fatty acid (oleic, stearic, linoic acid) P. Griffith merekomendasi :