TRANSFER PANAS KK / 2 SKS

Transkripsi

1 Logo TRANSFER PANAS KK / 2 SKS Dr. Ir. Heru Setyawan, M.Eng. Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS

2 Tujuan dan Materi Pokok Tujuan Mahasiswa mampu menganalisa dan menginterpretasikan masalah-masalah fisika dengan menggunakan prinsip transfer panas. Materi Pokok Analogi proses transfer momentum, panas, dan massa Dasar mekanisme perpindahan panas Perpindahan panas konduksi keadaan steady Perpindahan panas konduksi keadaan tidak steady Perpindahan panas konduksi dua dimensi Perpindahan panas konveksi bebas Perpindahan panas konveksi paksaan Perpindahan pada berbagai geometri pada konveksi paksaan Perpindahan panas radiasi Perpindahan panas total/gabungan Perpindahan panas terjadi perubahan fase Alat perpindahan panas.

3 Pustaka Bird, R.B., Stewart, W.E., Lightfoot, E.N., Transport Phenomena, John Wiley & Son, Singapore, Brodkey, R.S. & Hersey, H.C., Transport Phenomena A Unified Approach, McGraw Hill, Brown, A.I. & Marco, S.M., Introduction To Heat Transfer, McGraw Hill, Geankoplis, C.J., Transport Proses And Unit Operation, Prentice Hall, 4 ed. McAdam, W.H., Heat Transmission 3rd ed. McGraw Hill

4 Garis Besar Perkuliahan Mg Pokok Bahasan Uraian 1 Analogi proses transfer momentum, panas dan massa Persamaan dasar untuk perpindahan momentum, panas, dan massa 2 3 Dasar mekanisme perpindahan panas Prinsip perpindahan panas konduksi steady Prinsip dasar, mekanisme perpindahan panas, hukum Fourier Konduksi melalui lapisan datar atau dinding, silinder berlubang, bola berlubang, padatan tersusun seri, perpindahan panas gabungan, konduksi dan konveksi, konduksi dengan adanya generasi 4 Perpindahan panas konduksi keadaan tidak steady Persamaan dasar, sistem dengan hambatan dalam diabaikan

5 Garis Besar Perkuliahan 5 Perpindahan panas konduksi keadaan tidak steady Konduksi pada berbagai geometri 6 7 Perpindahan panas konduksi dua dimensi Perpindahan panas konveksi 8 Quis 1 9 Perpindahan panas konveksi paksaan Metode grafik untuk konduksi dua dimensi, faktor bentuk, metode numerik untuk dua dimensi Prinsip konveksi bebas, konveksi babas untuk berbagai macam geometri, korelasi empiris Prinsip konveksi paksaan, bilangan tidak berdimensi, koefisien perpindahanpanas untuk aliran laminar, transisi, dan turbulen pada pipa; koefisien transfer panas pipa non-circular

6 Garis Besar Perkuliahan 10 Perpindahan panas konveksi paksaan Persamaan dasar, kombinasi perpindahan panas radiasi dan konveksi 11 Transfer panas pada berbagai geometri pada konveksi paksaan 12 Perpindahan panas radiasi 13 Idem 14 Perpindahan panas total/gabungan Pengantar, aliran paralel pada plat datar, silinder dengan sumbu aliran tegak lurus aliran, aliran melalui satu bola Pengantar dan persamaan dasar radiasi, perpindahan panas gabungan konveksi dan radiasi Prinsip perpindahan panas lanjutan, spektrum radiasi, penurunan faktor bentuk pada berbagai geometri Perpindahan panas total secara umum, penentuan luas perpindahan panas

7 Garis Besar Perkuliahan 15 Perpindahan panas terjadi perubahan fase Pendidihan dan kondensasi (boiling and condensation) 16 Alat perpindashan panas Jenis alat perpindahan panas, log meantemperaturdifference, faktor koreksi suhu, faktor kotoran. 17 Quis 2

8 Evaluasi Bobot (%) Quiz (1&2) 40 Short test 0 Tugas 20 Absen 10 Ujian 30

9 Proses Perpindahan Momentum Energi PROPERTY Masa Gradient dalam property menyebabkan FLUX dari Property tersebut MENURUNI gradient dalam property.

10 Proses Perpindahan Bagaimana kita mengkuantifikasi jumlah property yang dipindahkan? Sifat fisika apa yang mengatur perpindahan momentum, energi dan masa? Untuk memulai menjawab pertanyaan tersebut, kita perlu meninjau kasus perpindahan yang sangat sederhana.

11 Proses Perpindahan - - T H + Bahan murni + T 1 T 0 z z Pemanas listrik yang diset pada T 0 untuk semua waktu Pemanas listrik yang Mula-mula diset pada T 0, kemudian dirubah ke T 1.

12 Proses Perpindahan Larutan yang diperhatikan C A C A1 C A0 H z z Penampung dengan fluida yang konsentrasinya C A0 Penampung dengan fluida yang konsentrasi awalnya C A0, yang Kemudian dirubah ke C A1

13 Proses Perpindahan Fluida kental, Mis.: madu v x v x1 v x0 H z x Pelat dengan kecepatan v x0 = 0 Pelat dengan kecepatan mula-mula v x0 = 0 yang kemudian dirubah ke v x1 = V z

14 Analogi perpindahan Flux - definisi: (formatnya sama untuk semua tipe perpindahan, momentum, energi, massa) flux dalam yang diberikan arah Besaran property yang dipindahkan ( waktu)( luas) Lebih banyak yang bisa dipindahkan jika luas kontaknya lebih besar Lebih banyak yang dipindahkan jika waktu yang diijinkan lebih lama

15 Analogi perpindahan Viskositas Flux momentum: Flux momentum = shear stress τ zx = ( ρv ) µ d ρ dz x Hukum Newton Flux panas: q z A d = α Difusivitas panas ( ρc T ) dz p Hukum Fourier Flux molar: Difusivitas molar dc J * A Az = DAB dz Hukum Fick Flux Koefisien transport Gradien Laju proses perpindahan = driving force resistance

16 Aplikasi Transfer panas dalam proses industri Reaksi kimia Pembakaran dan gasifikasi Pirolisa, polimerisasi, dan sintesa Pemurnian dan pemisahan kimia Peleburan biji mineral, membuat alloy logam dan sintering Pembakaran keramik, glaze dan pelapisan Reaksi biologi Pendinginan dan pembekuan makanan Pasteurisasi dan pemurnian Fermentasi Perubahan fisik Penguapan dan kondensasi Peleburan dan pembekuan Pembentukan padatan: pencetakan, penempaan, dsb. Kristalisasi dan pengeringan Pembangkit tenaga listrik Air conditioning dan pemanas ruangan Rekoveri panas buangan

17 Konfigurasi proses/pertukaran panas Menyatu dengan proses Proses Fluida pemanas Terpisah dengan proses Fluida Proses Proses Untuk rekoveri panas buangan Fluida pemanas Fluida Proses masuk Fluida Proses keluar Proses

18 Mekanisme Perpindahan panas Perpindahan panas dari sumber ke penerima Sumber pada Suhu T 1 Laju total aliran panas Q Penerima pada Suhu T 2 Fluks panas q = Q/A Proses perpindahan panas: Aliran energi dalam bentuk panas antara sumber dan penerima yang disebabkan oleh beda suhu antara mereka.

19 Mekanisme Perpindahan panas Panas: Ekspresi energi yang merupakan sifat bawaan dalam gerak mikroskopis atom dan molekul. Secara fundamental hanya dapat ditransfer oleh kontak fisik (konduksi panas) atau oleh transmisi gelombang elektromagnetik (radiasi panas). Solid: Atom dan molekul dibatasi oleh struktur lattice bahan. Konduksi dan radiasi mencakup semua mode perpindahan panas. Liquida atau gas: Fluida bebas bergerak pada skala makroskopis. Derajat kontak fisik, dan dari sini perpindahan panas sangat dipengaruhi oleh pola aliran (dinamika fluida). Kebebasan bergerak dan pertukaran energi yang terkait dengannya mengarah kepada bermacam-macam mode perpindahan panas yang diklasifikasikan sebagai konveksi.

20 Mekanisme perpindahan panas Konduksi Konveksi Radiasi Kontinuitas bahan Kontinuitas bahan Mungkin tanpa adanya kontinuitas bahan Tidak perlu gerakan Terjadi dalam solid, liquida dan gas Tergantung pada gerakan fluida (dinamika fluida) Terjadi dalam liquida, gas dan campuran multifasa Tidak perlu gerakan Terjadi dalam media transparan, terutama gas

21 Hukum Fourier tentang konduksi (Transport energi molekuler) Y T 0 t < 0 Solid mula-mula pada suhu T 0 T 1 t = 0 t kecil Pelat bawah secara mendadak dinaikkan suhunya menjadi T 1 Pada kondisi steady state, diperlukan laju aliran panas konstan Q melalui slab untuk menjaga beda suhu T = T 1 T 0. Untuk T kecil: y x T 1 t besar Perkembangan profil suhu steady state untuk slab padat diantara dua pelat sejajar. Q A = k JikaY 0: T Y q y A = k dt dy Konduktivitas panas Hukum Fourier

22 Hukum Fourier Bentuk lain persamaan konduksi panas: q y A d = α ( ρc T ) dy p α = ρ k C p (Difusivitas panas)

23 Rangkuman satuan untuk besaran dalam persamaan konduksi panas SI c.g.s British q y W/m 2 cal/cm 2 s Btu/jam ft 2 T K C F y m cm ft k W/m K cal/cm s C Btu/jam ft F C p J/K kg cal/c g Btu/F lb m α m 2 /s cm 2 /s ft 2 /s µ Pa.s g/cm s lb m /ft jam

24 Konduktivitas panas dan kapasitas panas beberapa gas pada tekanan 1 atm. Suhu Gas T (K) H O NO CO Konduktivitas panas k (W/m K) 0, ,1282 0,1779 0, , , , , , ,01665 Kapasitas panas C p (J/kg K) CH , , ,

25 Konduktivitas panas dan kapasitas panas beberapa liquida bukan logam pada tekanan jenuhnya Liquida T (K) CCl (C 2 H 5 ) 2 O C 2 H 5 OH Glycerol H 2 O k (W/m K) 0,1092 0, , ,1478 0,1274 0,1071 0,1808 0,1676 0,1544 0,2920 0,2977 0,3034 0,6089 0,6622 0,6848 µ ,32 (Pa s) 8,828 4,813 3,819 2,213 1,387 30,51 10, , ,7 64,13 8,768 3,712 2,165 C p 10 4 (J/kg K) 0,8617 0,8967 0,9518 2,197 2,379 2,721 2,120 2,454 2,984 2,418 2,679 2,940 4,183 4,193 4,262

26 Konduktivitas panas beberapa solid Zat Suhu T (K) Konduktivitas panas k (W/m K) Aluminium 373,2 573,2 873,2 205, Cadmium 273,2 373,2 93,0 90,4 Tembaga 291,2 373,2 384,1 379,9 Baja 291,2 373,2 46,9 44,8 Batu tahan api Beton Kaca 473,2 0,71 Grafit --- 5,0 Pasir --- 0,389

27 Problem: Konduktivitas panas Sebuah panel plastik luasnya A = 1 ft 2 dan tebalnya Y = 0,252 in. didapatkan memindahkan panas pada laju 3,0 W pada keadaan steady dengan suhu T 0 = 24,00 C dan T 1 = 26,00 C yang dikenakan pada dua permukaan utamanya. Berapakah konduktivitas plastik dalam cal/cm s K pada25 C?