usul penelitian hibah bersaing perguruan tinggi tahun

Logo
TRANSFER PANAS
KK. 1412 / 2 SKS
Dr. Ir. Heru Setyawan, M.Eng.
Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Tujuan dan Materi Pokok
„
Tujuan
¾ Mahasiswa mampu menganalisa dan menginterpretasikan masalah-masalah
fisika dengan menggunakan prinsip transfer panas.
„
Materi Pokok
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
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.
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Pustaka
„
„
„
„
„
Bird, R.B., Stewart, W.E., Lightfoot, E.N., “Transport
Phenomena”, John Wiley & Son, Singapore, 1960.
Brodkey, R.S. & Hersey, H.C., “Transport Phenomena” –A
Unified Approach, McGraw Hill, 1958.
Brown, A.I. & Marco, S.M.,“Introduction To Heat Transfer”,
McGraw Hill, 1958.
Geankoplis, C.J., “Transport Proses And Unit Operation”,
Prentice Hall, 4 ed.
McAdam, W.H., “Heat Transmission” 3rd ed. McGraw Hill.
1954.
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Garis Besar Perkuliahan
Mg
Pokok Bahasan
Uraian
Persamaan dasar untuk perpindahan momentum,
panas, dan massa
1
Analogi proses transfer
momentum, panas dan massa
2
Dasar mekanisme perpindahan Prinsip dasar, mekanisme perpindahan panas,
panas
hukum Fourier
3
Prinsip perpindahan panas
konduksi steady
4
Perpindahan panas konduksi
keadaan tidak steady
Konduksi melalui lapisan datar atau dinding,
silinder berlubang, bola berlubang, padatan
tersusun seri, perpindahan panas gabungan,
konduksi dan konveksi, konduksi dengan
adanya generasi
Persamaan dasar, sistem dengan hambatan
dalam diabaikan
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Garis Besar Perkuliahan
5
6
Perpindahan panas konduksi
keadaan tidak steady
Perpindahan panas konduksi
dua dimensi
Perpindahan panas konveksi
7
8
9
Konduksi pada berbagai geometri
Metode grafik untuk konduksi dua dimensi,
faktor bentuk, metode numerik untuk dua
dimensi
Prinsip konveksi bebas, konveksi babas untuk
berbagai macam geometri, korelasi empiris
Quis 1
Perpindahan panas konveksi
paksaan
Prinsip konveksi paksaan, bilangan tidak
berdimensi, koefisien perpindahanpanas untuk
aliran laminar, transisi, dan turbulen pada pipa;
koefisien transfer panas pipa non-circular
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Garis Besar Perkuliahan
Persamaan dasar, kombinasi perpindahan panas
radiasi dan konveksi
10
Perpindahan panas konveksi
paksaan
11
Pengantar, aliran paralel pada plat datar,
Transfer panas pada berbagai
silinder dengan sumbu aliran tegak lurus aliran,
geometri pada konveksi
aliran melalui satu bola
paksaan
12
13
14
Perpindahan panas radiasi
Idem
Perpindahan panas
total/gabungan
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
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Garis Besar Perkuliahan
15
Perpindahan panas terjadi
perubahan fase
Pendidihan dan kondensasi (boiling
and condensation)
Alat perpindashan panas
Jenis alat perpindahan panas, log
meantemperaturdifference, faktor
koreksi suhu, faktor kotoran.
16
17
Quis 2
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Evaluasi
„
„
„
„
„
Quiz (1&2)
Short test
Tugas
Absen
Ujian
Bobot (%)
40
0
20
10
30
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Proses Perpindahan
Momentum
Energi
PROPERTY
Masa
Gradient dalam property menyebabkan FLUX dari
Property tersebut MENURUNI gradient dalam property.
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
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.
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Proses Perpindahan
+
Bahan
murni
+
T
H
T1
T0
z
z
Pemanas listrik yang
diset pada T0 untuk
semua waktu
Pemanas listrik yang
Mula-mula diset pada T0,
kemudian dirubah ke T１.
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Proses Perpindahan
CA
Larutan yang
diperhatikan
H
CA1
CA0
z
z
Penampung dengan
fluida yang
konsentrasinya CA0
Penampung dengan
fluida yang konsentrasi
awalnya CA0, yang
Kemudian dirubah ke CA1
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Proses Perpindahan
vx
Fluida kental,
Mis.: madu
H
vx1
vx0
z
x
Pelat dengan
kecepatan vx0 = 0
Pelat dengan kecepatan
mula-mula vx0 = 0 yang
kemudian dirubah ke vx1 = V
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
z
Analogi perpindahan
Flux - definisi: (formatnya sama untuk semua tipe perpindahan,
momentum, energi, massa)
flux ⎛ dalam arah
⎞
⎜ yang diberikan ⎟
⎝
⎠
⎛ 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
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Analogi perpindahan
Viskositas
τ zx
Flux momentum:
Flux momentum = shear stress
µ d (ρv x )
=−
ρ dz
(
Difusivitas panas
d ρC p T
qz
= −α
A
dz
Flux panas:
Hukum Newton
)
Hukum Fourier
Difusivitas molar
J *Az = − D AB
Flux molar:
Flux
dC A
dz
Koefisien transport
Hukum Fick
Gradien
Laju proses perpindahan =
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
driving force
resistance
Aplikasi Transfer panas dalam proses industri
„
Reaksi kimia
¾
¾
¾
¾
¾
„
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
¾ Pendinginan dan pembekuan makanan
¾ Pasteurisasi dan pemurnian
¾ Fermentasi
„
Perubahan fisik
¾
¾
¾
¾
„
„
„
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
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Konfigurasi proses/pertukaran panas
Menyatu dengan proses
Proses
Fluida pemanas
Terpisah dengan proses
Fluida
Proses
Proses
Fluida pemanas
Untuk rekoveri panas buangan
Fluida Proses
masuk
Fluida
Proses keluar
Proses
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Mekanisme Perpindahan panas
Perpindahan panas dari sumber ke penerima
Laju total
aliran panas
Q
Sumber pada
Suhu T1
Penerima pada
Suhu T2
Fluks panas
q = Q/A
Proses perpindahan panas:
Aliran energi dalam bentuk panas antara sumber dan penerima yang
disebabkan oleh beda suhu antara mereka.
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Mekanisme Perpindahan panas
Panas:
¾ Ekspresi energi yang merupakan sifat bawaan dalam gerak mikroskopis atom dan
molekul.
¾ Secara fundamental hanya dapat ditransfer oleh kontak fisik (konduksi panas) atau oleh
transmisi gelombang elektromagnetik (radiasi panas).
Solid:
¾ Atom dan molekul dibatasi oleh struktur lattice bahan.
¾ Konduksi dan radiasi mencakup semua mode perpindahan panas.
Liquida atau gas:
¾ Fluida bebas bergerak pada skala makroskopis.
¾ Derajat kontak fisik, dan dari sini perpindahan panas sangat dipengaruhi oleh pola aliran
(dinamika fluida).
¾ Kebebasan bergerak dan pertukaran energi yang terkait dengannya mengarah kepada
bermacam-macam mode perpindahan panas yang diklasifikasikan sebagai konveksi.
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Mekanisme perpindahan panas
Konduksi
Konveksi
Radiasi
Kontinuitas bahan
Kontinuitas bahan
Mungkin tanpa adanya
kontinuitas bahan
Tidak perlu gerakan
Tergantung pada
Tidak perlu gerakan
gerakan fluida (dinamika
fluida)
Terjadi dalam solid,
liquida dan gas
Terjadi dalam liquida,
gas dan campuran
multifasa
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Terjadi dalam media
transparan, terutama gas
Hukum Fourier tentang konduksi
(Transport energi molekuler)
T0
Y
T1
t<0
Solid mula-mula
pada suhu T0
t=0
Pelat bawah secara
mendadak dinaikkan
suhunya menjadi T1
t kecil
• Pada kondisi steady state, diperlukan laju aliran panas
konstan Q melalui slab untuk menjaga beda suhu ∆T =
T1 – T0.
• Untuk ∆T kecil:
Q
∆T
=k
y
A
Y
• Jika Y → 0:
x
T1
qy
dT
= −k
Perkembangan profil suhu steady state
A
dy
untuk slab padat diantara dua pelat
sejajar.
t besar
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Konduktivitas panas
Hukum Fourier
Hukum Fourier
Bentuk lain persamaan konduksi panas:
(
d ρ C pT
= −α
A
dy
qy
α=
k
ρC p
)
(Difusivitas panas)
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Rangkuman satuan untuk besaran dalam persamaan konduksi
panas
SI
c.g.s
British
qy
W/m2
cal/cm2⋅s
Btu/jam⋅ft2
T
K
C
F
y
m
cm
ft
k
W/m⋅K
cal/cm⋅s⋅C
Btu/jam⋅ft⋅F
Cp
J/K⋅kg
cal/C⋅g
Btu/F⋅lbm
α
m2/s
cm2/s
ft2/s
µ
Pa.s
g/cm⋅s
lbm/ft⋅jam
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Konduktivitas panas dan kapasitas panas beberapa gas pada
tekanan 1 atm.
Gas
Suhu
T (K)
Konduktivitas panas
k (W/m⋅K)
Kapasitas panas
Cp (J/kg⋅K)
H2
100
200
300
0,06799
0,1282
0,1779
11.192
13.667
14.316
O2
100
200
300
0,00904
0,01833
0,02657
910
911
920
NO
200
300
0,01778
0,02590
1015
997
CO2
200
300
0,00950
0,01665
734
846
CH4
100
200
300
0,01063
0, 02184
0,03427
2073
2087
2227
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Konduktivitas panas dan kapasitas panas beberapa liquida bukan
logam pada tekanan jenuhnya
Liquida
T
(K)
k
(W/m⋅K)
µ × 104
(Pa⋅s)
Cp × 104
(J/kg⋅K)
CCl4
250
300
350
0,1092
0,09929
0,08935
20,32
8,828
4,813
0,8617
0,8967
0,9518
(C2H5)2O
250
300
350
0,1478
0,1274
0,1071
3,819
2,213
1,387
2,197
2,379
2,721
C2H5OH
250
300
350
0,1808
0,1676
0,1544
30,51
10,40
4,486
2,120
2,454
2,984
Glycerol
300
350
400
0,2920
0,2977
0,3034
H2O
300
350
400
0,6089
0,6622
0,6848
7949
365,7
64,13
8,768
3,712
2,165
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
2,418
2,679
2,940
4,183
4,193
4,262
Konduktivitas panas beberapa solid
Zat
Suhu T (K)
Konduktivitas panas k (W/m⋅K)
Aluminium
373,2
573,2
873,2
205,9
268
423
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
---
63
Beton
---
92
Kaca
473,2
0,71
Grafit
---
5,0
Pasir
---
0,389
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
Problem: Konduktivitas panas
„
Sebuah panel plastik luasnya A = 1 ft2 dan tebalnya Y = 0,252
in. didapatkan memindahkan panas pada laju 3,0 W pada
keadaan steady dengan suhu T0 = 24,00°C dan T1 = 26,00°C
yang dikenakan pada dua permukaan utamanya. Berapakah
konduktivitas plastik dalam cal/cm⋅s⋅K pada 25°C?
Dr. Heru Setyawan, Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS