Dasar Perpindahan Kalor - Perpustakaan Universitas Mercu Buana

BAB ll - TINJAUAN PUSTAKA
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
BAB ll - TINJAUAN PUSTAKA
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
BAB ll - TINJAUAN PUSTAKA
Untuk menentukan laju perpindahan kalor dengan konveksi secara umum
dapat digunakan rumus :
q = h. A . T..........................................................................(2.3)
q = h . A (Tw - 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 ;
Nud = ( 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
BAB ll - TINJAUAN PUSTAKA
Nud = 0,0296. Re 4/5 . Pr 1/3 , untuk 0,6 < Pr , 60
ho =
Nud .k
d
k = konduktivitas fluida diluar pipa.
2. Koefisien konveksi di dalam pipa aliran turbulen yaitu :
Nud = 0.023. Re0,8 . Pr0,4
(Ref : J.P. Holman Hal.229)
Persamaan untuk koefisien perpindahan kalor di dalam pipa adalah :
hi = (Nud . k) / d1………………………………………..……..(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
BAB ll - TINJAUAN PUSTAKA
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 :
Re =
ρ .V .D ....................................................................(2.8)
µ
( 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.
Rf =
1
1
−
hk hb
.............................................................................(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
BAB ll - TINJAUAN PUSTAKA
ho = 0,725.
g . p 2 .h fg .k 3
0 , 25
∆T = Tg − To ............................................(2.10)
µ.N .d 1 .∆T
( 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
BAB ll - TINJAUAN PUSTAKA
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 :
qr =
. A . T4……………………………………;…...(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.
. A . (T 14 - T 2 4) ...............................................................(2.12)
q=
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
Turbin
Pompa
Kondensor
Gambar 2.4 Peralatan–peralatan utama PLTU
( Ref : [ 6 ] )
Universitas Mercu Buana
10
BAB ll - TINJAUAN PUSTAKA
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
BAB ll - TINJAUAN PUSTAKA
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
To
ti
ti
to
to
Ti
Ti
Gambar 2.6 a. Aliran Silang
Gambar 2.6 b. Aliran sejajar
Ti
ti
to
To
Gambar 2.6 c. Aliran lawan arah
( Ref : P. N. Nag. hal, 535 )
Universitas Mercu Buana
12
BAB ll - TINJAUAN PUSTAKA
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
BAB ll - TINJAUAN PUSTAKA
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 =
(Thin
− Tc out ) − (Thout − Tc in )
Ln
Thin − Tc out
Thout − Tc 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 :
qakt = . qmak ………………………………………………....……( 2.15 )
( Ref : G. F. Hewit, G L. Shires, T. R. Boot hal. 659 )
Universitas Mercu Buana
14