BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Dasar Dasar Perpindahan Kalor Perpindahan kalor terjadi karena adanya perbedaan suhu, kalor akan mengalir dari tempat yang suhunya tinggi ke tempat suhu rendah. Perpindahan kalor dapat terjadi dengan tiga mekanisme yaitu : 1) Perpindahan kalor secara konduksi. 2) Perpindahan kalor secara konveksi. 3) Perpindahan kalor secara radiasi. 2.1.1. Perpindahan Kalor Secara Konduksi Perpindahan kalor terjadi secara merambat, jika kalor dari tempat yang memiliki suhu yang lebih tinggi merambat ke tempat yang memiliki suhu yang lebih rendah akibat adanya kontak atau sentuhan antara atom. Hal ini dapat berlangsung pada media gas, cairan dan padat. Laju perpindahan kalor sebanding dengan gradien suhu normal di dalam media yaitu : q / A dt / dx. (2.1) Jika dimasukkan konstanta proporsional atau tetapan sebanding dengan : q = - k. A. dt / dx..(2.2) (ref : J.P. Holman. Hal. 2) tanda ( - ) diselipkan untuk memenuhi hukum kedua thermodinamika, yaitu kalor mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah. Persamaan di atas disebut hukum Fourier tentang konduksi kalor. Bahan yang mempunyai konduktivitas tinggi disebut konduktor, untuk bahan yang konduktivitasnya rendah disebut isolator, lihat Gambar (Ref : J.P. Holman Hal 2) Universitas Mercu Buana 4
Profil suhu Aliran kalor (W) Jarak dalam arah aliran panas (m) Gambar 2.1 Bagan yang menunjukkan distribusi temperatur untuk perpindahan kalor 2.1.2. Perpindahan Kalor Secara Konveksi Perpindahan kalor secara konveksi terjadi, jika cairan atau gas yang suhunya tinggi mengalir ke tempat yang suhunya lebih rendah. Sehingga dapat dinyatakan bahwa kalor mengalir dari permukaan dengan suhu yang lebih tinggi ke tempat yang lebih rendah. Jadi perpindahan kalor terjadi pada media cairan atau gas. Perpindahan kalor secara konveksi diakibatkan oleh gerak atom atau molekul. Misalkan pada suatu permukaan panas mengakibatkan atom atau molekul udara yang ada di dekat permukaan menerima kalor. Dengan diterimanya energi dari permukaan panas atom atau molekul akan bergerak menjauhi permukaan akibat massa jenis lebih rendah, kemudian atom lain akan menempati posisi atom sebelumnya begitu seterusnya, sehingga timbul proses perpindahan kalor dari permukaan panas ke udara secara kontinu. Perpindahan kalor konveksi dikelompokkan dalam konveksi bebas dan konveksi paksa. Jika proses aliran atau gerakan fluida diakibatkan oleh energi dari luar seperti pompa atau kipas maka peristiwa tersebut dinamakan konveksi paksa. Jika fluida bergerak tanpa ada sumber gerakan dari luar atau gerakan fluida berlangsung sebagai akibat dari perubahan kerapatan yang disebabkan oleh gradien suhu, maka proses tersebut dinamakan konveksi bebas atau alamiah. Universitas Mercu Buana 5
Untuk menentukan laju perpindahan kalor dengan konveksi secara umum dapat digunakan rumus : q = h. A. T...(2.3) q = h. A (T w - T )......(2.4) (Ref : J.P. Holman Hal.12) Perpindahan kalor antara permukaan benda padat dengan fluida di sekitarnya dapat terjadi melalui gabungan antara perpindahan kalor konduksi dan konveksi. Jika benda padat tersebut bersuhu lebih tinggi daripada fluida, maka kalor mengalir dengan cara konduksi dari benda padat ke partikel fluida di dekat dinding. Energi yang berpindah meningkatkan energi dalam fluida dan terangkut oleh gerakan fluida sehingga menimbulkan perpindahan kalor secara konveksi. Dalam perpindahan kalor biasanya melibatkan angka tak berdimensi yang sering disebut angka Nusselt yang persamaannya adalah ; Nu d = ( h.d ) / k.. (2.5) (Ref : J.P. Holman Hal. 237) Untuk suatu fluida tertentu, bilangan Nusselt tergantung pada kondisi aliran, yang bercirikan bilangan Reynolds (Re). Dari bilangan Reynold dapat diketahui jenis aliran fluida dalam saluran atau alat penukar kalor. Jenis aliran dapat dibagi menjadi dua bagian yaitu : Gambar 2.2 a. Aliran Laminer Gambar 2.2 b. Aliran Turbulen ( Ref : F. Keith, hal. 311 ) Koefisien perpindahan kalor di dalam dan di luar pipa bergantung kepada jenis perpindahan kalor yang terjadi. Perpindahan kalor pada permukaan luar dan permukaan dalam dapat berupa konveksi alam, konveksi paksa, dan pengembunan. 1. Koefisien konveksi di luar pipa, dengan aliran turbulen, yaitu : Universitas Mercu Buana 6
Nu d = 0,0296. Re 4/5. Pr 1/3, untuk 0,6 < Pr, 60 Nud. k ho = d k = konduktivitas fluida diluar pipa. 2. Koefisien konveksi di dalam pipa aliran turbulen yaitu : Nu d = 0.023. Re 0,8. Pr 0,4 (Ref : J.P. Holman Hal.229) Persamaan untuk koefisien perpindahan kalor di dalam pipa adalah : hi = (Nu d. k) / d 1....(2.6) Kalor yang diserap dapat ditentukan melalui persamaan : q = h. A (Tg To)...(2.7) Perpindahan panas secara konveksi (convection heat transfer) dapat dibagi dua cara diantaranya : 1. Perpindahan panas konveksi alami (natural convection) atau konveksi bebas (free convection). 2. Perpindahan panas konveksi paksa (forsed convection). 2.1.2.1. Perpindahan Kalor konveksi alami ( bebas ) Perpindahan panas konveksi alami atau konveksi bebas merupakan perpindahan panas yang tidak ada pengaruh dari luar terhadap pengaruh lingkungannya. Perpindahan panas konveksi alami terjadi karena bila sebuah benda ditempatkan dalam suatu fluida yang temperaturnya lebih tinggi atau lebih rendah dari pada benda tersebut. Sebagai akibat dari perbedaan temperatur tersebut, panas mengalir antara fluida dan benda, sehingga mengakibatkan perubahan densitas (kerapatan) pada lapisan lapisan fluida didekat permukaan. Perbedaan densitas (kerapatan) menyebabkan fluida yang lebih berat mengalir ke bawah dan fluida yang lebih ringan mengalir ke atas. 2.1.2.2. Perpindahan Kalor Konveksi Paksa Perpindahan panas konveksi paksa adalah perpindahan panas secara konveksi yang tidak dapat diselesaikan secara analitis, tetapi harus dengan cara Universitas Mercu Buana 7
experimental untuk mendapatkan data perencanaan. Karena itu kita dapat menggunakan data experimental untuk mendapatkan nilai nilai konstanta atau eksponen untuk parameter parameter penting seperti angka Reynolds dan angka Prandtl. Untuk status fluida tertentu, billangan Nusselt tergantung pada kondisi aliran, yang bercirikan bilangan Reynolds (Re), untuk fluida dalam saluran panjang. Panjang karakteristik bilangan Reynoldnya adalah : ρ. V. D Re = µ...(2.8) ( Ref : F. Keith hal, 417 ) Re < 2300 maka alirannya laminar Re > 4000 maka alirannya turbulen Pada Re = 2300 4000 terdapat daerah transisi, aliran dapat bersifat laminer atau turbulen tergantung pada kondisi pipa dan aliran. Setelah dipakai beberapa lama, maka perpindahan panas yang terjadi pada alat penukar panas akan berkurang, sehingga menyebabkan menurunnya kemampuan kerja alat tersebut. Faktor yang menyebabkan terjadinya penurunan kemampuan kerja alat tersebut disebabkan oleh pengotor yang di bawa, oleh aliran fluida yang digunakan. Untuk mengetahui nilai menurunnya perpindahan panas yang terjadi oleh adanya faktor pengotor dapat menggunakan persamaan di bawah ini. 1 1 Rf = h k h b...(2.9) Pada penukar panas jenis kondensor, selain terjadi perpindahan panas terhadap fluida pendingin, juga terjadi proses pengembunan, dimana proses pengembunan berfungsi untuk merubah fasa uap menjadi fasa cair, Untuk menghitung besarnya pengembunan yang terjadi dapat menggunakan persamaan dibawah ini. Universitas Mercu Buana 8
0,25 2 3 g. p. h fg. k ho = 0,725. T = Tg To...(2.10) N d T µ.. 1. ( Ref : J. P. Holman hal.485/487 ) 2.1.3. Perpindahan Kalor Secara Radiasi Perpindahan kalor yang terjadi secara pancaran, mengalir dari benda (padat, cair, gas) yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah, tanpa memerlukan media. Perpindahan kalor radiasi terjadi secara gelombang elektromagnetik. Proses ini terjadi akibat perbedaan suhu dan pengangkutan energi melalui medium yang tembus cahaya atau melalui ruang. Semua benda memancarkan kalor radiasi secara kontinu. Intensitas pancaran tergantung pada suhu dan sifat permukaan. Kalor radiasi dipancarkan oleh suatu benda dalam bentuk kumpulan energi terbatas. Gerakan kalor radiasi di dalam ruangan mirip perambatan cahaya. Bila gelombang radiasi menjumpai benda lain maka energinya diserap di dekat permukaan benda tersebut. Bila energi radiasi menimpa permukaan maka sebagian akan terserap (absorbsi), dan sebagian dipantulkan (refleksi), sedangkan sebagian lagi akan diteruskan (transmisi) melalui benda itu. Radiasi datang Refleksi absorbsi Transmisi Gambar 2.3 Bagan yang menunjukkan pengaruh radiasi datang ( Ref : J.P. Holman Hal. 311) Universitas Mercu Buana 9
Jumlah energi meninggalkan suatu permukaan sebagai pancaran radiasi tergantung kepada sifat permukaan. Benda hitam memancarkan energi radiasi dari permukaannya dengan laju perpindahan kalor sebagai berikut : q r =. A. T 4 ;...(2.11) (Ref : J.P. Holman Hal 14) Sedangkan untuk proses perpindahan panas pada benda benda nyata yang tidak mempunyai spesifikasi radiator ideal dan pancaran radiasi dengan laju yang rendah dari pada benda hitam atau benda kelabu. q =. A. (T 4 1 - T 4 2 )...(2.12) 2.2. Siklus Rankine Suatu Pembangkit Listrik Tenaga Uap terdiri dari serangkaian peralatan yang berfungsi merubah energi termal menjadi energi mekanis untuk selanjutnya diubah menjadi energi listrik. Siklus fluida kerja pada sistem ini dikenal dengan SIKLUS RANKINE. Instalasi utama dari suatu pembangkit listrik tenaga uap adalah : 1. Instalasi Boiler / Ketel 2. Instalasi Turbin 3. Instalasi Kondensor 4. Instalasi Pompa Peralatan peralatan utama ini dapat digambarkan pada gambar 2.4 : Boiler Generator Pompa Turbin Kondensor Gambar 2.4 Peralatan peralatan utama PLTU ( Ref : [ 6 ] ) Universitas Mercu Buana 10
Adapun siklus fluida kerja yang terjadi digambarkan dibawah ini : 3 2 1 4 Gambar 2.5 Proses pada siklus Rankine ( Ref : Ir. Supraman Hara. hal, 184-187 ) Secara thermodinamika, proses proses yang terjadi dari setiap peralatan utama siklus rankine yang sederhana dapat diuraikan sebagai berikut : 1. Proses 1-2 : Pemompaan isentropis dari pompa pengisi air ketel. Proses ini berfungsi untuk menaikkan tekanan kerja air ke dalam ketel untuk dilakukan pemanasan. 2. Proses 2-3 : Pemanasan dengan tekanan konstan di dalam ketel. Proses ini lebih dikenal dengan proses pemasukan energi panas dari luar ke air, serta mengubah fasa air menjadi fasa uap. 3. Proses 3-4 : Ekspansi uap secara isentropis dalam turbin. Proses ini mengubah energi termal dari uap menjadi energi mekanis dari rotor turbin, yang selanjutnya diubah menjadi energi listrik di generator. 4. Proses 4-1 : Pengkondensasian (pengembunan) uap pada tekanan konstan. Universitas Mercu Buana 11
Proses ini dikenal dengan proses pengeluaran energi panas dari uap keluar, serta mengubah fasa uap menjadi fasa air yang siap untuk selanjutnya dipompakan ke dalam ketel. 2.3. Alat Penukar Kalor Penukar kalor adalah peralatan untuk melaksanakan perpindahan energi termal dari suatu fluida ke fluida yang lain. Fenomena dasar yang terjadi pada alat ini adalah perpindahan kalor antara dua jenis fluida yang mengalir. Jadi teori dasarnya bertumpu pada aliran fluida dan pada proses perpindahan panas. 2.3.1. Jenis jenis penukar kalor menurut arah aliran Jenis jenis penukar kalor menurut arah alirannya adalah : a. Aliran silang (cross flow) jika kedua fluida mengalir dengan arah yang berpotongan (tegak lurus). b. Aliran sejajar (parallel flow) jika kedua fluida mengalir menurut arah yang sama. c. Aliran lawan arah (counter flow) jika kedua fluida mengalir berlawanan arah To ti to ti To to Ti Ti Gambar 2.6 a. Aliran Silang Ti ti to Gambar 2.6 b. Aliran sejajar To Gambar 2.6 c. Aliran lawan arah ( Ref : P. N. Nag. hal, 535 ) Universitas Mercu Buana 12
2.3.2 Perpindahan Kalor Di dalam alat penukar kalor, kalor berpindah dari fluida panas ke fluida lain melalui mekanisme perpindahan kalor konduksi, konveksi, radiasi atau kombinasi dari jenis jenis mekanisme perpindahan kalor tersebut. Pada umumnya jenis perpindahan kalor yang dominan dalam alat penukar kalor adalah konveksi dan konduksi, kecuali pada tungku atau pemanas dengan proses pembakaran jenis perpindahan panas yang dominan adalah konveksi dan radiasi. Dua jenis aliran fluida, yang dikenal dengan aliran laminar dan aliran turbulen. Sifat aliran laminar tenang, kecepatannya rendah, partikelnya mempunyai aliran yang seragam. Sifat aliran turbulen masing masing partikelnya mempunyai kesempatan yang sama untuk menyentuh permukaan atau dinding saluran, dengan demikian kesempatan fluida mengambil atau mentransfer kalor pada dinding saluran menjadi besar. Dalam alat penukar kalor selalu diinginkan alirannya turbulen, sehingga kapasitas perpindahannya meningkat. Aliran turbulen dapat diperoleh seperti pemasangan baffle atau dengan membuat saluran kasar, atau dengan memperbesar kecepatan. Dilihat dari segi perpindahan kalor jumlah kalor yang dipindahkan sama dengan jumlah energi kalor yang berpindah secara konveksi dari fluida panas ke dinding pipa dan sama besarnya dengan jumlah kalor yang berpindah secara konveksi dari dinding luar pipa ke fluida dingin di dalam pipa. Secara matematis perpindahan kalor dapat ditulis : q = h.a (Tp Td )..(2.13) 2.3.2.1 Beda Suhu Rata - Rata Temperatur fluida di dalam alat penukar kalor pada umumnya tidak konstan, tetapi berbeda dari satu titik ke titik lainnya pada waktu panas mengalir dari fluida yang lebih panas ke fluida yang lebih dingin. Maka dari itu untuk tahanan termal yang konstan laju aliran panas akan berbeda beda sepanjang lintasan penukar kalor karena harganya tergantung pada beda temperatur antara fluida yang panas dan yang dingin pada penampang tertentu. Universitas Mercu Buana 13
Persamaan untuk menentukan pertukaran kalor dengan metode LMTD (Log Mean Temperature Difference). Q = U x A x LMTD..( 2.14 ) ( Ref : J. P. Holman. hal, 490 ) Tm = LMTD = ( Th Tc ) ( Th Tc ) in out Th Ln Th in out Tc out out Tc in in Dengan diketahuinya temperatur masuk dan keluar setiap aliran fluida pada penukar kalor. Pada keadaan yang sebenarnya di dalam penukar kalor tidak ada aliran fluida yang benar benar menyilang, berlawanan atau searah. Oleh sebab itu harga LMTD yang dihitung atau ditentukan dari perhitungan aliran harus dikoreksi, besarnya factor koreksi ini tergantung kepada jenis penukar kalor. 2.3.2.2 Metode Efektivitas NTU Apabila pada suatu alat penukar kalor salah satu temperatur masuk atau keluar tidak diketahui, maka untuk analisa perpindahan panas yang terjadi dengan metode LMTD tidak akan bisa digunakan, karena harus melibatkan prosedur iterasi, karena metode LMTD merupakan suatu fungsi logaritma. Sehingga untuk menganalisa perpindahan panas yang terjadi, maka metode yang dapat digunakan adalah metode efektivitas. Persamaan yang digunakan untuk menghitung perpindahan panas yang terjadi sebagai berikut : q akt =. q mak... ( 2.15 ) ( Ref : G. F. Hewit, G L. Shires, T. R. Boot hal. 659 ) Universitas Mercu Buana 14