02-perpindahan panas.doc

Unit Operasi - KIM 401

PERPINDAHAN PANASOleh : Yuliarti Rahayu Ningsih, S.T

Hampir semua operasi yang dilaksanakan dalam industri kimia melibatkan pembangkitan atau penyerapan energi dalam bentuk kalor (panas). Perpindahan panas sering terjadi dalam sistem gabungan dengan unit operasi lainnya, seperti unit pengeringan (drying), destilasi alkohol, pembakaran bahan bakar dan evaporasi.

Persamaan matematis untuk perpindahan panas adalah sebagai berikut:Laju Akumulasi = Laju alir panas - Laju alir panas + Laju alir panas Panas masuk keluar yang ditimbulkan

Secara mekanisme, perpindahan panas terjadi bila dua buah benda yang suhunya berbeda berada dalam kontak termal, maka panas akan mengalir dari benda yang suhunya lebih tinggi ke yang suhunya lebih rendah. Aliran netto selalu berlangsung menurut arah penurunan suhu. Pengaliran panas itu berlangsung dalam tiga ragam mekanisme: konduksi atau hantaran (conduction), konveksi atau aliran (convection) dan radiasi atau pancaran (radiation)

II.1 KonduksiJika dalam suatu bahan kontinu terdapat gradien suhu, maka kalor akan mengalir tanpa disertai oleh sesuatu gerakan zat. Aliran kalor seperti ini disebut konduksi atau hantaran. Pada logam-logam padat, konduksi termal sebagai akibat dari gerakan elektron yang tak terikat. Konduksi termal ini erat kaitannya dengan konduktivitas listrik. Pada zat padat yang bukan penghantar listrik dan pada kebanyakan zat cair, konduksi termal merupakan akibat dari transpor momentum oleh masing-masing molekul disamping gradien suhu. Pada gas, konduksi terjadi sebagai akibat dari gerakan rambang molekul-molekul, sehingga kalor terdifusi dari bagian yang lebih panas ke bagian yang lebih dingin.

Hukum FourierHubungan dasar yang menguasai aliran kalor melalui konduksi ialah berupa kesebandingan antara laju aliran kalor melintas permukaan isotermal dan gradien suhu yang terdapat pada permukaan itu. Hubungan ini disebut Hukum Fourier, yang dituliskan sebagai berikut:

di mana q = laju alir panas (Btu/jam, cal/jam)k = konduktivitas panas (Btu/ft jam F, cal/cm jam C)T = suhu (F, C)x = tebal bahan (ft, cm)A = luas bahan (ft2, cm2)

k adalah fungsi suhu.k = a + bT + cT2 , dimana a, b dan c adalah konstanta empiris

Integrasi dari persamaan Fourier:

1

I. Pendahuluan dan Mekanisme Perpindahan Panas

II. Sifat-sifat Perpindahan Panas

q = -kA dT

dx

q = kA T x


II.1.1 Konduksi Keadaan Mantapa. Luas Tetap

T2, A2

T1, A1Pada luas tetap, A1 = A2 = A

q = kA T T = T1 – T2 x

Contoh 2.1Berapa panas yang hilang melalui dinding dapur yang tebalnya 9 in, apabila suhu permukaan dalam 330 F dan permukaan luar 130 F. Harga konduktivitas panas dinding dapur 0.4 Btu/ft jam F, serta panjang dan lebar dinding dapur masing-masing 10 ft & 6 ft.Solusi :Diketahui, x = 9 in = 0.75 ft

T = (330 – 130) F = 200 Fk = 0.4 Btu/ft jam FA = 10 ft x 6 ft = 60 ft2

Jawab :q = kA T

x

q = 0.4 Btu x 60 ft2 x 200 F ft jam F 0.75 ft

q = 6400 Btu/jam

b. Luas yang dilalui berubahb.1 Pada Pipa

L

ri

ro

Luas bagian dalam : Ai = Di L q/ Ai > q/ AoLuas bagian dalam : Ao = Do L

2


Btu/ft jam

b.2 Bola Berongga

Btu/jam

Contoh 2.2Sebuah pipa berdinding tebal dengan jari-jari dalam 5 mm dan jari-jari luar 20 mm, digunakan sebagai coil pendingin temporer dalam bak pendingin dengan air es mengalir didalamnya. Temperatur dinding dalam adalah 274.9 K dan temperatur permukaan luar 297.1 K. Jika total energi sebesar 14.65 Watt harus dipindahkan dari bak, berapakah panjangnya tabung yang dibutuhkan, jika konduktivitas termalnya 0.151 W/mK?Solusi : Diketahui ri = 0.005 m ; ro = 0.02 m

T1 = 274.9 K ; T2 = 297.1 KDicari dahulu besarnya kalor yang harus dipindahkan per meter panjang pipa (L=1 m)

3


Tanda negative menunjukkan panas mengalir dari ro (permukaan luar) ke ri (permukaan dalam).Untuk memindahkan panas sebesar 14.65 W, maka dibutuhkan panjang pipa:

II.1.2 Konduksi Pada Dinding Berlapis (Isolator)Digunakan dinding berlapis dengan 2 tujuan utama, yaitu:1. Untuk penghematan panas2. Untuk keselamatana. Luas Tetap

A1 A2 A3T1

T2 T3

T4 Lap 1 Lap2 Lap3

dst

A1 = A2 = A3 =A

Penjumlahan suhu :

+

4


Btu/ft2jam

b. Luas Berubah

Seperti halnya pada konduksi pada luas tetap, penjumlahan suhu pada lapisan 1 dan 2:

+

Btu/jam

Contoh 2.3Diketahui:

T1 A B C x1 = 6 in = 0.5 ftX2 = 4 in = 0.33 ft

T4 X3 = 1 in = 0.083 ft

T1 = 1200 F ; T4 = 400 Fk1 = 0.75 Btu/ft jam Fk2 = 0.55 Btu/ft jam Fk3 = 20 Btu/ft jam F

Berapakah besarnya kalor per satuan luas penampang isolator?

Solusi:

II.2 Konveksi

5


Bila arus atau partikel makroskopik fluida melintas suatu permukaan tertentu, misalnya bidang batas suatu volume kendali, arus itu akan ikut membawa serta sejumlah tertentu entalpi. Aliran entalpi demikian disebut aliran konveksi.

Konveksi merupakan fenomena makroskopik yang hanya terjadi bila ada gaya yang bekerja pada partikel atau ada arus fluida yang dapat membuat gerakan melawan gaya gesekan. Konveksi erat kaitannya dengan mekanika fluida. Contoh konveksi ialah perpindahan entalpi oleh pusaran-pusaran aliran turbulen dan oleh arus udara panas yang mengalir melintas dan menjauhi radiator (pemanas) biasa.Konveksi terdiri dari 2:a. Konveksi Alamiahb. Konveksi PaksaII.2.1 Konveksi AlamiahKonveksi Alamiah, yaitu arus yang terjadi sebagai akibat gaya apung yang disebabkan oleh perbedaan densitas, dan perbedaan densitas ini adalah akibat dari adanya gradien suhu di dalam fluida itu. Contohnya adalah aliran udara melalui radiator.

x To Ts Ta

Tf

Ts = suhu dinding dalamTo = suhu dinding luarTa = suhu fluidaTf = suhu film

Di mana qc = panas konveksi (Btu)hc = koefisien perpindahan panas konveksi (Btu/ft2jam F)A = luas (ft2)

Koefisien konveksi dapat dicari dengan menggunakan bilangan-bilangan tak berdimensi berikut:

Gr (bilangan Grashof)

Pr (bilangan Prandtl)

Nu (bilangan Nusselt)

Hubungan ke-3 bilangan tersebut adalah sbb:

Dimana C dan n adalah konstantaSehingga :

Untuk pelat :

6


Untuk silinder :

Nilai C dan n ditentukan sbb:Tabel 2.1 Nilai konstanta C dan n

Nilai Gr.Pr C nPelat vertikal

Silinder vertikal

Pelat Horizontal

Silinder Horizontal

<104

104 - 109

109 – 1012

<104

104 - 109

109 – 1012

105 – 2x107

2x107 – 3x1010

<10-5

10-5 – 10-3

10-3 - 11 – 104

104- 109

> 109

1.360.590.131.360.590.130.540.140.490.711.091.090.530.13

1/51/41/31/51/41/31/41/30

1/251/101/5¼

1/3

Contoh 2.4Bilangan Grashof (NGr) dan Prandtl (NPr) suatu zat cair yang berada di sekitar silinder vertikal yang berdiameter 2 in adalah 10.000 dan 10. Daya hantar panas dari zat cair itu adalah 0.017 Btu/ft jam F. Jika suhu permukaan silinder dan zat cair berturut-turut 200 dan 70 F, maka:

a. Hitung hc untuk perpindahan panas konveksi alamiah antara silinder dan zat cairb. Hitung panas yang hilang dari silinder ke zat cair jika panjang silinder adalah 100 ft

Solusi:Diketahui NGr = 10000

NPr = 10D = 2 in = 2/12 ftk = 0.017 tu/ft jam FTs = 200 FTa = 70 FL = 100 ft

a.

Gr.Pr = 10000 x 10 = 105 (dari tabel 2.1, maka nilai C = 0.59 dan n = ¼)

.

7


b.

II.2.1 Konveksi PaksaPerbedaan antara konveksi alamiah dan konveksi paksa adalah sbb:

No. Konveksi Alamiah Konveksi paksa1

2

3

4

Panas dibawa serta oleh fluida yang bergerak karena perbedaan suhuSifat Aliran ditentukan oleh gaya apung fluida yang berbeda densitasPenyebaran kecepatan dan suhu saling berhubunganBilangan Nu tergantung pada bilangan Gr dan Pr

Panas dipindahkan karena dibawa oleh massa yang dialirkan oleh suatu alatSifat aliran ditentukan oleh alat tersebut

Penyebaran kecepatan dicari dulu, baru dicari penyebaran suhuBilangan Nu tergantung dari bilangan Gr dan Pr

Pada prakteknya, konveksi alamiah dan konveksi paksa berlangsung secara bersamaan.

II.3 RadiasiRadiasi adalah perpindahan energi melalui ruang oleh gelombang-gelombang

elektromagnetik. Jika radiasi melaui ruang kosong, maka ia tidak ditransformasikan menjadi kalor atau bentuk energi lainnya dan tidak dibelokkan lintasannya. Tapi sebaliknya, jika terdapat zat pada lintasannya, radiasi akan mengalami transmisi, refleksi dan absorpsi. Hanya energi yang diserap itu saja yang muncul sebagai kalor.Contoh:

Kuarsa lebur meneruskan hampir semua radiasi Permukaan buram, mengkilat atau cermin memantulkan sebagian radiasi Permukaan hitam atau yang tidak mengkilat menyerap hampir semua radiasi

Di mana qr = panas radiasii (Btu)Hr = koefisien perpindahan panas radiasi (Btu/ft2jam F)A = luas (ft2)Ts = suhu permukaan silinder (F)Ta = suhu fluida (F)

Perpindahan panas dari satu fluida ke fluida lainnya mungkin berupa kalor laten yang menyertai proses perubahan fasa seperti kondensasi (pengembunan) dan vaporisasi (penguapan), atau mungkin pula kalor sensible, yang berkaitan dengan kenaikan atau penurunan suhu tanpa suatu perubahan fasa. Contoh yang umum perpindahan panas dalam fluida ialah (pemindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi):

8

III. Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas dalam Fluida


Penurunan suhu fluida melalui pemindahan kalor sensible dari suatu fluida panas ke fluida yang lebih dingin, yang karena menerima kalor itu menjadi naik suhunya.

Kondensasi uap dengan air pendingin. Penguapan air dari suatu larutan pada tekanan tertentu dengan bantuan

kondensasi uap pada tekanan yang lebih tinggi.Contoh alat penukar panas adalah heat exchanger, condensor, boiler, radian heat dryer, dll.

III.1 Kurva suhu atau Profil SuhuAliran fluida yang masuk dan keluar pada alat penukan panas dapat berbeda-beda. Perbedaan aliran fluida ini akan menentukan profil suhu yang pada akhirnya mempengaruhi perhitungan alat penukar panas.Ada 2 aliran fluida pada alat penukar panas:

1. Aliran Berlawanan Arah(Counter current Flow) Arah aliran fluida panas

Tha T2 Tcb

Thb

T1 Arah aliran fluida dinginTca

Jarak dari lubang masuk fluida dingin

2. Aliran Searah (Cocurrent Flow) Arah aliran fluida panas

Tha T Thb

T1 T2 Tcb

Tca Arah aliran fluida dingin

Jarak dari lubang masuk fluida dingin

TL(LMTD Diff= Logaritmic Mean Temperature Difference)

Contoh 3.1Suatu fluida panas pada alat penukar panas yang bersuhu 300 F didinginkan menjadi 200 F dengan menggunakan fluida pendingin yang masuk pada suhu 100 F dan keluar pada suhu 150 F. hitunglah TL dengan jika alirannya:

a. CoCurrent

9


b. CountercurrentSolusi :

a.

b.

III.2 Perhitungan Alat Penukar panas

Di mana q = panas (Btu)U = koefisien perpindahan panas menyeluruh lokal (Btu/ft2jam F)A = luas (ft2)TL = T LMTD

Pada proses industri, perpindahan energi dilaksanakan dengan berbagai cara, termasuk diantaranya dengan konduksi di dalam pemanas tahanan listrik, konduksi-konveksi di dalam penukar kalor (heat exchanger), ketel didih (boiler) dan kondensor, radiasi di dalam tungku (furnace) dan pengering kalor radiasi (radiant heat dryer) dan dengan berbagai metode khusus seperti pemanasan dielektrik. Umumnya peralatan bekerja dalam kondisi steady state.

IV.1.Heat Exchanger (Penukar Kalor)Heat Exchanger terdiri dari 2 saluran yaitu saluran untuk fluida panas dan saluran untuk fluida dingin. Perpindahan panas terjadi dari fluida panas ke fluida dingin. Peralatan heat exchanger ter terdiri atas Selongsong (shell) dan tabung (tube). Heat exchanger terbagi menjadi 2 jenis:

1. Single Pass Heat Exchanger, yaitu alat penukar kalor dengan aliran lintas tunggal, terdiri dari 1 shell, 1 tube, dan 1 pass (aliran). Alirannya dapat merupakan aliran searah (co-current) ataupun aliran berlawanan arah (counter current). Disebut juga dengan 1,1 Heat Exchanger.

10

IV. Alat Penukar Kalor


2. Multi Pass Heat Exchanger, yaitu alat penukar kalor dengan aliran lintas berganda. Dapat terdiri dari:- 1 shell - 2 pass; 1 shell - 4 pass, 1 shell - 6 pass, dst.- 2 shell – 4 pass, 2 shell – 8 pass, 2 shell – 12 pass, dst.- 3 shell – 6 pass, 2 shell – 12 pass, 3 shell – 18 pass, dst.

Gambar. 1, 2 HE

Gambar 2, 4 HEIV.2. KondensorKondensor adalah alat penukar kalor yang khusus digunakan untuk mencairkan uap dan mengambil kalor. Kalor laten itu diambil dengan menyerapnya ke dalam zat cair yang lebih dingin yang disebut pendingin (coolant). Karena suhu pendingin di dalam kondensor meningkat, maka alat ini juga dapat bekerja sebagai pemanas. Tapi sebagai fungsinya, kegiatan kondensasi itu yang lebih penting.Kondensor terbagi atas beberapa golongan, yaitu:

- Kondensor jenis selongsong dan tabung (shell and tube condensor), dimana uap yang akan dikondensasi dipisahkan dari pendingin oleh permukaan perpindahan kalor berbentuk tabung.

- Kondensor kontak (contact condensor), dimana arus pendingin dan arus uap, yang keduanya biasanya adalah air, bercampur secara fisik dan meninggalkan kondensor sebagai satu arus tunggal.

11


- Kondensor dehumidifikasi, yaitu untuk campuran uap dan gas tak mampu kondensasi. Kondensor ini dipasang vertikal dan uap terkondensasi di dalam tabung, sedangkan pendingin mengalir melalui selongsong. Hal ini dimaksudkan untuk memungkinkan campuran uap dan gas memberikan sapuan positif pada waktu melalui tabung, sehingga mencegah pembentukan kantong-kantong gas yang tidak terkondensasi yang dapat menyelimuti permukaan perpindahan kalor.

IV.3. Ketel Didih (Kettle Boiler) dan KalandriaKetel didih - Alat didih jenis ketel (kettle boiler) disebut juga pendidih ulang (reboiler) bila dikaitkan dengan kolom destilasi. Selongsong horizontal terdiri satu berkas tabung yang relatif kecil dengan 2 lintasan. Berkas tabung terbenam dalam kolam zat cair yang mendidih. Umpan zat cair dimasukkan dari bawah ke dalam selongsong, dan uap panas yang dihasilkan keluar dari puncak selongsong. Fluida pemanas (uap) masuk melalui tabung dan kondensat keluar melalui perangkap.

12


Kalandria – merupakan unit selongsong dan tabung dalam susunan vertikal, atau disebut juga pendidih ulang sirkulasi alamiah. Biasanya merupakan alat penguap yang paling ekonomis untuk operasi destilasi dan evaporasi.

Perhitungan Alat Penukar panas

Di mana q = panas (Btu)U = koefisien perpindahan panas menyeluruh lokal (Btu/ft2jam F)A = luas (ft2)TL = T LMTD

Pada alat penukar panas, tidak terdapat kerja poros. Energi mekanik, potensial, dan kinetik dapat diabaikan. Sehingga neraca energi hanya didasarkan pada nilai entalpi.

Untuk fluida panas :

Untuk fluida dingin :

Dimana: mh = laju aliran fluida panas (lb/jam)mc = laju aliran fluida dingin (lb/jam)Hhout , Hcout = entalpi per satuan massa fluida panas dan fluida dingin keluar (Btu/lb)Hhin , Hcin = entalpi per satuan massa fluida panas dan fluida dingin masuk (Btu/lb)qh qc = laju penambahan panas terhadap fluida panas dan fluida dingin (Btu/jam)

Tanda qc adalah positif, tetapi tanda qh negatif, karena fluida panas melepaskan kalor. Kalor yang dilepaskan fluida panas akan diambil oleh fluida dingin (azas Black), sehingga:

q lepas = q terima-

13

V. Neraca Energi Pada Alat Penukar Kalor


- =

Dimana: mh = laju aliran fluida panas (lb/jam)mc = laju aliran fluida dingin (lb/jam)cph = kalor jenis fluida panas (Btu/lb F)Th = gradien suhu fluida panas (F)Tc = gradien suhu fluida panas (F)cpc = kalor jenis fluida dingin (Btu/lb F)

Contoh 5.1Suatu alat Heat Exchanger berbentuk cangkang dan pipa dipakai untuk mendinginkan suatu larutan. Pendingin yang dipakai adalah air dengan : Tc in = 80 F; Tcout = 100 F. Sedangkan Thin = 200 F dan Thout = 150 F.Hitunglah:

a. kebutuhan air pendingin per jam (mc)b. T LMTDc. Luas perpindahan panas

Jika diketahui :- aliran searah (cocurrent)- laju alir panas masuk (mh) 1000 lb/jam- cph = 0.5 Btu/lb F- U = 50 Btu/ft2jam F- cpair = 1J/gK = 0.239 Btu/lb F

Jawab:a.

b.T LMTD

14


c.

1. Konduktivitas suatu bahan berubah menurut persamaan:a, b, c adalah konstanta

Jabarkan rumus untuk menghitung kehilangan panas per ft dari suatu silinder berongga dari bahan tersebut!

2. Hitung tebal dinding dapur yang terdiri dari 3 lapisan bahan, jika diinginkan suhu terluar sebesar 200 F. Harga k masing-masing bahan tersebut adalah 1, 1.6 dan 0.5 Btu/ft jamF. Suhu permukaan masing-masing bahan secara berurutan (F) T1 = 2500, T2=1500, T3 = 600. Dan panas yang mengalir sebesar 1500 Btu/ft2jam

T1 A B CT2 T3

T4

3. Gas O2 disimpan dalam suatu tangki bola berdiameter 5 ft yang diisolasi dengan bahan A dan B, yang masing-masing mempunyai ketebalan 1 ft dan 0.5 ft. Temperatur bagian dalam -290 F dan bagian luar 50F. Diketahui harga kA = 0.022 Btu/ft jam F dan kB = 0.4 Btu/ft jam F.Hitung :a. besar perpindahan panas dari luar ke tangkib. jika isolasi B diganti dengan A, berapa tebal isolasi A?

4. Pipa horizontal dengan diameter luar 2.38 in digunakan untuk mengalirkan uap air yang bersuhu 370F. Jika suhu ruangan pada 80F, Hitung panas yang hilang dalam satuan Btu/jam, jika diketahui panjang pipa 100 ft dan koefisien radiasi (hr) = 3.4 Btu/ft2jamF.

5. Suatu pipa baja dengan panjang 30 ft, diameter dalam 1.5 in, dan diameter luar 1.9 in mempunyai suhu bagian dalam 390 F dan bagian luar 150F. Pipa baja ini diisolasi setebal 1.5 in dengan bahan yang mempunyai harga k = 0.5 Btu/ft jamF sehingga suhu terluarnya menjadi 100F.Hitunglah persentase (%) panas yang dapat dihemat setelah diisolasi, jika harga k pipa baja adalah 24.8 Btu/ft jamF.

6. Gambarkan profil suhu dalam suatu kondensor dimana metanol masuk sebagai uap jenuh pada suhu 65 C dan keluar sebagai zat cair dingin pada suhu 35 C. Air pendingin masuk pada suhu 20 C dan keluar pada 35 C. Aliran manakah yang mungkin?

15

Contoh Soal


7. Jika fluida dingin dipanaskan dari 100 F menjadi 275 F, menggunakan steam pada suhu 300 F. Tentukan TLMTD dengan aliran co-current dan counter current.

8. Anilina sebanyak 10.000 lb/jam akan didinginkan dari 200 menjadi 150 F di dalam pipa rangkap yang mempunyai luas total permukaan sebesar 70 ft2. Sebagai pendingin adalah toluena sebanyak 8600 lb/jam pada suhu 100 F. Cp Anilina dan Toluena berturut-turut adalah 0,4dan 0,6 Btu/lb F.

a. Jika aliran itu berlawanan arah, tentukan suhu keluar toluena b. Tentukan pula koefisien perpindahan panas overallc. Berapakah nilai-nilai itu ( Tout dan U) jika alirannya searah?

9. Benzena yang didapat dari suatu kolom destilasi berupa cairan jenuh pada suhu 170F, didinginkan menjadi 115F dengan menggunakan air pendingin pada kecepatan 50000 lb/jam pada suhu 55F. Jika diketahui benzena dialirkan dengan kecepatan 8000 lb/jam, U = 55 Btu/ft2jamF, Cp benzena = 0.42 Btu/lb F, Cp air = 1 Btu/lb F

Hitunglah luas perpindahan panas (dengan menggunakan aliran cocurrent dan countercurrent)

10. Uap jenuh yang dikondensasikan pada 227 °F digunakan untuk memanaskan 13400 lb/jam minyak hidrokarbon dari 80 °F menjadi 217 °F. Cp minyak 0.47 Btu/lb °F. Nilai U bervariasi terhadap suhu, sebagai berikut:

T (F) 80 95 110 130 160 190 217U (Btu/ft2jamF)

29.5 38 47 56 70 81.5 91.7

Tentukan luas perpindahan panasnya (A) jika aliran fluida panas dan fluida dingin berlawanan arah !

16

02-perpindahan panas.doc

Documents