BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pengertian Perpindahan Panas

Perpindahan kalor dari suatu zat ke zat lain seringkali terjadi dalam industri proses. Pada kebanyakan proses diperlukan pemasukan atau pengeluaran ka1or untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Kondisi pertama yaitu mencapai keadaan yang dibutuhkan untuk pemrosesan, terjadi umpamanya bila pengerjaan harus berlangsung pada suhu tertentu dan suhu ini harus dicapai dengan jalan pemasukan atau pengeluaran kalor. Kondisi kedua yaitu mempertahankan keadaan yang dibutuhkan untuk operasi proses, terdapat pada pengerjaan eksoterm dan endoterm. Secara umum perpindahan panas merupakan berpindahnya energi panas dari satu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari perbedaan suhu diantara kedua daerah tersebut.

Secara umum ada tiga cara perpindahan panas yang berbeda yaitu: konduksi, radiasi dan konveksi. Jika kita berbicara secara tepat, maka hanya konduksi dan radiasi dapat digolongkan sebagai proses perpindahan panas, karena hanya kedua mekanisme ini yang tergantung pada beda suhu. Sedangkan konveksi tidak secara tepat memenuhi definisi perpindahan panas, karena untuk perpindahannya bergantung pada transport massa mekanik. Tetapi karena konveksi juga menghasilkan perpindahan energi dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang lebih rendah, maka istilah konveksi telah diterima secara umum.

Berdasarkan penyelidikan fenomena di alam, panas itu dapat merambat dari suatu bagian ke bagian lain melalui zat atau benda yang diam. Panas juga dapat dibawa oleh partikel-partikel zat yang mengalir

.

Pada radiasi panas, tenaga panas berpindah melalui pancaran gelombang elektromagnetik. Ada beberapa alat penukar panas yang umum digunakan pada industri

.

Alat-alat penukar panas tersebut antara lain: double pipe, shell and tube, plate-frame, spiral, dan lamella.

Penukar panas jenis plate and frame mulai dikembangkan pada akhir tahun 1950. Banyak penelitian yang dilakukan pada penukar panas jenis ini,

namun umumnya fluida operasi yang digunakan adalah air. Pada percobaan ini kita akan membahas perpindahan panas secara konduksi. Joseph Fourier adalah salah seorang yang mempelajari proses perpindahan panas secara konduksi. Pada tahun 1822, Joseph Fourier telah merumuskan hukumnya yang berkenaan dengan konduksi. Tinjauan terhadap peristiwa konduktif dapat diambil dengan berbagai macam cara.

Pada prinsipnya berakar dari hukum Fourier, mulai dari subjek yang sederhana yaitu hanya sebatang logam (composite bar). Banyak faktor yang mempengaruhi peristiwa konduksi. Diantaranya pengaruh luas penampang yang berbeda, pengaruh luas penampang yang berbeda, pengaruh geometri, pengaruh permukaan kontak, pengaruh adanya insulasi dan lain-lainnya

.

Faktor-faktor tersebut nantinya akan sangat berpengaruh pula pada saat kita melakukan perhitungan dalam panas konduksi ini.

Selain itu, sering kali ditemui kesulitan dalam membuktikan penerapan hukum Fourier untuk berbagai variasi kondisi percobaan

.

Oleh karena itu pada percobaan ini diatur sedemikian rupa, yakni percobaan dilakukan dalam empat tipe yang tentunya dengan menggunakan rumus-rumus yang berbeda dan dengan

asumsi-asumsi yang sesuai

.

Dengan demikian tentu akan mengurangi kesulitan dalam melakukan percobaan

.

Sehingga peristiwa perpindahan panas secara konduksi ini nantinya akan diketahui pula bagaimana hasil dari panas perhitungan yang didapat berdasarkan perhitungan hasil percobaan dengan besarnya jumlah panas yang disupplai

.

Hal ini tentunya akan lebih dipahami setelah percobaan

mengenai panas konduksi ini dilakukan

.

2.2. Sifat – Sifat Perpindahan Kalor

Bila dua buah benda yang memiliki temperatur yang berbeda berada dalam kontak termal, maka kalor akan mengalir dari benda yang bertemperatur

lebih tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah

.

Ada 3 cara mekanisme perpindahan panas yang dapat terjadi yaitu: 1) Konduksi

2) Konveksi 3) Radiasi

2.3.1. Konduksi

Konduksi adalah perpindahan kalor melalui zat penghantar tanpa disertai perpindahan bagian-bagian zat itu. Perpindahan kalor dengan cara konduksi pada umumnya terjadi pada zat padat. Suatu zat dapat menghantar kalor disebut konduktor, seperti berbagai jenis logam. Sedangkan zat penghantar kalor yang buruk disebut isolator, pada umumnya benda-benda non logam. Contoh konduksi

adalah memanaskan batang besi di atas nyala api

.

Apabila salah satu ujung besi dipanaskan, kemudian ujung yang lain dipegang, maka semakin lama ujung yang

dipegang semakin panas

.

Hal ini menunjukkan bahwa kalor atau panas berpindah dari ujung besi yang dipanaskan ke ujung besi yang dipegang

.

Dalam konduksi, energi juga dapat dipindahkan oleh elektron bebas, yang mana juga cukup penting

pada material solid

.

Contoh perpindahan panas secara konduksi yaitu perpindahan panas melalui dinding heat exchangers atau sebuah refrigerator, perlakuan panas

pada steel forgins, pendinginan tanah sepanjang musim dingin

,

dan lain-lain

.

2.3.2. Konveksi

Konveksi adalah perpindahan panas yang disertai dengan perpindahan

zat perantaranya

.

Perpindahan panas secara konveksi terjadi melalui aliran zat, contoh yang sederhana adalah proses mencairnya es batu yang dimasukkan ke dalam air panas

.

Panas pada air berpindah bersamaan dengan mengalirnya air panas ke es batu

.

Panas tersebut kemudian menyebabkan es batunya meleleh

.

Contoh lainnya yaitu ketika kita sedang memasak air

.

Air yang berada di bagian bawah mendapatkan panas lebih dahulu, kemudian pindah ke bagian atas tempat

suhu dingin

,

dengan demikian suhu yang dingin indah ke bawah

.

Begitu

membuktikannya

,

saat memasak air

,

masukkan biji kacang hijau

,

lihat bagaimana kacang hijau tersebut bergerak naik turun

.

Syarat terjadinya perpindahan panas secara konveksi yaitu:

1) Ada medium.

2) Medium ikut berpindah.

3) Driving force : beda temperatur

Perpindahan panas secara konveksi antara batas benda padat dan fluida terjadi dengan adanya suatu gabungan dari konduksi dan angkutan (transport) massa. Jika batas tersebut bertemperatur lebih tinggi dari fluida, maka panas terlebih dahulu mengalir secara konduksi dari benda padat ke partikel-partikel fluida di dekat dinding. Energi yang di pindahkan secara konduksi ini meningkatkan energi di dalam fluida dan terangkut oleh gerakan fluida. Bila partikel-partikel fluida yang terpanaskan itu mencapai daerah yang temperaturnya lebih rendah, maka panas berpindah lagi secara konduksi dari fluida yang lebih panas ke fluida yang lebih dingin. Konveksi dibedakan menjadi 2 yaitu:

a) Konveksi Alami

Konveksi alami yaitu proses perpindahan kalor melalui zat yang disertai perpindahan partikel – partikel zat tersebut akibat perbedaan massa jenis. Jika arus itu terjadi sebagai akibat gaya apung yang disebabkan oleh perbedaan densitas dan perbedaan densitas ini adalah akibat dari adanya gradien suhu di dalam massa fluida itu, maka peristiwa itu disebut konveksi alamiah ( natural convection ). Contoh konveksi alamiah ialah aliran udara melintas radiator panas.

b) Konveksi Paksa

Konveksi paksa yaitu proses perpindahan kalor melalui suatu zat yang disertai dengan perpindahan partikel – partikel zat tersebut akibat suatu paksaan terhadap partikel bersuhu tinggi tersebut. Jika arus itu digerakkan oleh suatu peranti mekanik seperti pompa dan agitator ( pengaduk ), aliran itu tidak bergantung pada gradien densitas, dan disebut dengan konveksi paksa ( forced convection ). Contoh konveksi paksa ialah aliran kalor melalui pipa panas.

Radiasi adalah perpindahan panas tanpa melalui perantara. Untuk

memahami ini, dapat kita lihat kehidupan kita sehari-hari

.

Ketika matahari bersinar terik pada siang hari, maka kita akan merasakan gerah atau kepanasan

.

Ketika kita duduk dan mengelilingi api unggun, kita merasakan hangat walaupun tidak bersentuhan dengan apinya secara langsung

.

Dalam kedua peristiwa di atas, terjadi perpindahan panas yang dipancarkan oleh asal panas tersebut sehingga disebut dengan radiasi. Contoh lainnya, yaitu ketika kita mendekatkan tangan kita

pada bola lampu yang sedang menyala

.

Rasa panas lampu akan memengaruhi

tangan kita sehingga tangan kita terasa panas

.

Hal ini menunjukkan bahwa rasa

panas dari lampu dipindahkan secara radiasi atau pancaran

.

Radiasi merupakan istilah yang digunakan untuk perindahan energi melalui ruang oleh gelombang-gelombang elektromagnetik. Jika radiasi melalui ruang kosong, ia tidak ditranformasikan menjadi kalor atau bentuk-bentuk lain energi, dan ia tidak pula akan terbelok dari lintasannya

.

Tetapi sebaliknya, bila terdapat zat pada lintasannya, radiasi itu akan mengalami transmisi (diteruskan), refleksi (dipantulkan), dan absorpsi (diserap)

.

2.4. Hukum Fourier

Hubungan dasar yang menguasai aliran kalor melalui konduksi ialah berupa kesebandingan yang ada antara laju aliran kalor melintas permukaan isotermal dan gradien suhu yang terdapat pada permukaan itu

.

Hubungan umum ini, yang berlaku pada setiap lokasi di dalam suatu benda

,

pada setiap waktu

disebut hukum fourier

.

Hukum itu dapat dituliskan sebagai :

dq

dA _{= -k} ∂T ∂n

(1)

Keterangan :

A = Luas permukaan isotermal

q = Laju aliran kalor melintas permukaan itu pada arah normal terhadap permukaan

T = Suhu

k = Konstanta proporsionalitas ( tetapan kesebandingan )

2.5. Perpindahan Panas Secara Konduksi

Perpindahan energi yang terjadi pada medium yang diam ( padat atau zat yang mengalir) apabila ada gradien temperatur dalam media tersebut. Laju perpindahan panas konduksi melalui suatu lapisan material dengan ketebalan tetap adalah berbanding lurus dengan beda suhu di pangkal dan ujung lapisan tersebut, berbandung lurus dengan luas permukaan tegak lurus arah perpindahan panas dan berbanding terbalik dengan ketebalan lapisan. Hukum Fourier untuk heat konduksi ini sesuai untuk seluruh jenis solid, liquid dan gas. Koefisien k adalah sifat transport dari suatu material dan disebut thermal conductivity, sesuai untuk beberapa analisa. Banyak peristiwa – peristiwa terjadinya konduksi yang sering kita temui,dapat kita jadikan contoh antara lain adalah peristiwa kehilangan energi dari ruangan yang dipanaskan terhadap udara luar melalui dinding .

Dinding tersebut memisahkan udara dalam ruangan dengan udara luar pada suatu medium yang dingin, peristiwa dicelupkannya besi dengan tiba-tiba kedalam air panas, peristiwa ini menyebabkan besi tersebut menjadi panas sebagai akibat dari adanya konduksi energi dari air panas melalui besi tersebut

.

Peristiwa ini dapat memindahkan energi dari daerah panas ke daerah dingin dari substansi dengan interaksi molekuler. Dalam fluida pertukaran energi adalah dengan persentuhan secara langsung. Dalam solid, mekanisme yang utama adalah vibrasi lattice relatif. Terjadinya peristiwa perpindahan energi dari suatu bagian bertemperatur tinggi ke bagian bertemperatur rendah, disebabkan jika pada suatu benda terdapat gradien suhu (temperature gradient)

.

dalam elemen sama dengan perubahan dalam energi dalam + energi yang dikonduksi muka kanan luar

.

2.6. Indirect Contact

Alat penukar kalor kontak tak langsung

,

pada alat ini fluida panas tidak

berhubungan langsung (indirect contact) dengan fluida dingin

.

Jadi proses perpindahan panasnya itu mempunyai media perantara, seperti pipa, plat, atau peralatan jenis lainnya

.

Misalnya kondensor

,

ekonomiser air preheater dan

lain-lain

.

Perpindahan panas terjadi antar fluida melalui dinding pemisah

.

Dalam sistem ini kedua fluida akan mengalir

,

kalor mengalir dari fluida

yang bertemperatur tinggi ke fluida yang bertemperatur rendah

.

Salah satu bentuk dari indirect contact adalah ekonomiser terdiri dari pipa-pipa air yang di tempatkan pada lintasan gas asap setelah pipa evaporator

.

Pipa-pipa ekonomiser dibuat dari bahan baja atau besi tuang yang sanggup untuk menahan panas dan tekanan tinggi

.

Ekonomiser berfungsi untuk memanaskan air pengisi sebelum memasuki steam drum dan evaporator sehingga proses penguapan lebih ringan dengan memanfaatkan gas buang dari HRSG yang masih tinggi sehingga memperbesar efisiensi HRSG karena dapat memperkecil kerugian panas pada HRSG tersebut

.

Air yang masuk pada evaporator sudah pada temperatur tinggi sehingga pipa-pipa evaporator tidak mudah rusak karena perbedaan temperatur tidak terlalu tinggi

.

Definisi dari Indirect Contact adalah panas pada dinding menuju fluida, selain itu juga didalam peristiwa itu timbul pula energi difisasi yaitu

,

energi yang ditambahkan terhadap fluida yang perpindahan panasnya mengalir tergantung pada media pipanya

.

Didalam ilmu Teknik Kimia, media pemanas tersebut terdiri dari tiga bagian yaitu :

a) Panas Laten (Constant Wall Temperature)

b) Panas Sensible (Linier Wall Temperature)

Dimana yang terjadi adalah temperatur didalam pipa berbeda/berubah dan tidak terjadi perubahan fase.

c) Energi Listrik (Constant Wall Heat Flux)

Panas yang ditimbulkan oleh listrik pada dindingnya (pipa) menimbulkan pipa menjadi panas yang sama

.

2.7. Konduksi Steady State Pada One Dimensional

Steady state merupakan kondisiketika beberapa variabel proses seperti tekanan

,

temperatur

,

letak atau posisi tidak berubah terhadap waktu yang diberikan

.

Keadaan steady state ini sangat diharapkan dalam terjadinya suatu

proses

.

Dengan keadaan steady state, suatu proses akan semakin mudah diatur dan direncanakan

.

Keadaan unsteady state seringkali tidak diharapkan karena akan mempersulit perencanaan proses

.

Hal tersebut dikarenakan adanya aspek ketidakpastian baik dari segi teknis maupun non teknis

.

Oleh karena itu, keadaan steady yang paling diharapkan oleh para perancang proses. Pada heat conduction, keadaan konduksi panas pada keadaan steady state dibedakan menjadi dua yaitu one dimensional dan multi dimensional. Pada keadaan steady state one dimensional, beberapa hal akan diabaikan. Pada sistem ini kita akan mengabaikan kerja tambahan yang akan diberikan pada sistem dan sistem tidak boleh berubah berubah atau tidak ada akumulasi, sehingga pada kasus ini hukum thermodinamika I dapat dituliskan sebagai berikut

.

dQ / dT = 0 (2)

Keterangan : Q = Kalor (Joule) T = Suhu (Kelvin)

pada batas sistem

.

One-dimensional berarti bahwa variabel yang terdapat pada sistem seperti t atau waktu, hanya berbeda pada satu dimensi atau spasi koordinat

,

hal tersebut biasanya kita dinotasikan dengan x

.

Hukum Fourier mengatakan

,

bahwa sistem satu dimensi ini dapat diaplikasikan untuk mengembangkan persamaan hukum thermodinamika I akan menjadi persamaan - persamaan yang lain termasuk persamaan differensial biasa pertama dalam notasi x

.

Pada bagian

dalam dan luar dinding boundary kita asumsikan bahwa sistem tersebut terisolasi

.

Apabila pada permukaan dalam dan luar temperaturnya dinyatakan sama, pendekatan satu dimensi terbagi menjadi tiga bentuk

,

pendekatan tersebut diantaranya adalah sebagai berikut

.

1) Hollow sphere

2) Hollow cylinder panjang 3) Plane slab tipis

Dalam kasus konduksi terdapat beberapa persamaan yang dibuat untuk

menghitung konduktivitas dalam one dimensional

.

Ada tiga persamaan yang dibuat oleh para ahli untuk menghitung konduktivitas steady state pada keadaan

one dimensional

.

Persamaan tersebut terbagi menjadi tiga yaitu persamaan

Fourier

,

persamaan Poisson, dan persamaan Laplace

.

Misalnya kondensor

,

ekonomiser air preheater dan lain-lain

.

Perpindahan panas terjadi antar fluida melalui dinding pemisah.

2.8. Konduktivitas Termal

Untuk gas-gas pada suhu agak rendah, pengolahan analitis teori kinetika gas dapat dipergunakan untuk meramalkan secara teliti nilai-nilai yang diamati dalam percobaan. Untuk meramalkan konduktivitas termal zat cair dan zat padat, ada teori yang dapat digunakan dalam beberapa situasi tertentu, tetapi pada umumnya, dalam zat cair dan zat padar terdapat banyak masalah yang masih memerlukan penjelasan.

Konduktivitas termal tergantung pada suhu dan ketergantungan agak

kuat untuk berbagai konstruksi dan bahan teknik lainnya

.

Ketergantungan ini

biasanya dinyatakan dengan suatu hubungan linier

.

Akan tetapi suhu rata-rata

bahan itu sering tidak diketahui

.

Hal ini pada umumnya benar untuk dinding berlapis banyak, dimana halnya beda suhu menyeluruh yang pada mulanya ditentukan

.

Dalam hal-hal demikian,jika data memungkinkan, masalah ditangani dengan mengandaikan nilai-nilai yang dianggap wajar untuk suhu-suhu antar muka, sehingga k untuk masing-masing bahan bisa didapatkan dan fluks kalor per satuan luas dapat ditentukan

.

Dengan menggunakan nilai yang didapatkan, nilai-nilai yang diandaikan untuk suhu antar muka dapat diperbaiki dengan menerapkan Hukum Fourier pada setiap lapisan, dimulai dengan suhu permukaan yang diketahui

.

Prosedur ini dapat diulangi terus hingga didapatkan kesamaan yang memuaskan antara suhu antar muka yang sebelumnya dengan nilai-nilai baru yang didapatkan dari perhitungan. Distribusi untuk dinding datar yang konduktivitas termalnya berbanding lurus dengan suhu, didapatkan secara analitis, sedangkan perhitungan untuk dinding silinder, k tergantung secar linier pada suhu.

dalam derajat Fahrenheit. Dengan demikian satuan konduktivitas termal adalah Btu/h . ft. o_F.

Konstanta kesebandingan dimiliki oleh setiap material. Dalam bentuk

matematiknya dengan menganggap bahwa temperatur bervariasi dalam arah –x

.

Bila bahan/material adalah isontropis maka konduktivitasnya tidak bervariasi terhadap arah x, catatan bahwa tanda negatif pada persamaan Fourier diatas diperoleh dari Hukum II Termodinamika untuk meyakinkan bahwa laju panas

positif dalam arah penurunan temperatur (dari daerah panas kedaerah dingin)

.

Gradien suhu (temperature gradient) yang terdapat dalam suatu bahan homogen akan menyebabkan perpindahan energi didalam medium itu

.

Sifat linierseperti ini selalu ditemukan pada medium homogen yang mempunyai k tertentu dalam perpindahan kalor benda itu termasuk titik-titik pada permukaan

benda

.

1) Konduktivitas termal zat padat

Konduktivitas termal logam dalam fase padat yang diketahui komposisinya

bergantung terutama pada suhu saja

.

Konduktivitas termal logam dalam jangkau suhu yang cukup luas biasanya dinyatakan dengan rumus :

K = ko ( 1 + bθ + cθ2 ) (3)

Keterangan :

θ = T- T rujukan dan

ko = konduktivitas pada suhu rujukan T rujukan.

Kisaran suhu ini, pada berbagai penerapan teknik

,

biasanya cukup kecil, biasanya hanya beberapa ratus derajat

,

sehingga :

K = Ko ( 1 + h0 ) (4)

Keterangan :

θ = T- T rujukan dan

Konduktivitas termal bahan yang homogen biasanya sangat bergantung pada densitas lindak semu (aparent bulk density)

,

yaitu massa bahan dibagi dengan volume total

.

2) Konduktivitas termal zat cair

Dalam hal ini k bergantung pada suhu, tetapi tidak peka terhadap tekanan

.

Konduktivitas thermal kebanyakan zat cair berkurang bila suhu makin tinggi

,

kecuali air dimana k bertambah sampai 300o_{F dan berkurang pada suhu yang lebih}

tinggi

.

Air mempunyai konduktivitas termal paling tinggi diantara semua zat-cair

,

kecuali logam cair

.

3) Konduktivitas termal gas

Pada suhu yang semakin tinggi pada tekanan disekitar tekanan atmosfir

,

maka konduktivitas termal akan semakin bertambah

.

Hampir tidak dipengaruhi oleh tekanan jika berada pada tekanan tinggi yaitu pada saat tekanan mendekati kritis atau lebih tinggi lagi

.

Adapun gas yang terpenting pada konduktivitas termal ini ialah udara dan uap air

.

2.9. Peristiwa Konduksi Untuk Sistem Radial

Konduktivitas termal tergantung pada suhu dan ketergantungan agak

kuat untuk berbagai konstruksi dan bahan teknik lainnya

.

Sebuah dinding satu lapis

,

berbentuk silinder

,

terbuat dari bahan homogen dengan konduktivitas termal tetap dan suhu permukaan dalam dan suhu permukaan luar seragam

.

Pada jari-jari tertentu luas yang tegak lurus terhadap aliran kalor konduksi radial adalah 2prL

,

dimana L adalah panjang silinder

.

Contoh yamg umum untuk sistem ini adalah silinder, yang memiliki permukaan luar dan permukaan dalam yang diekspos pada fluida yang memilki perbedaan temperatur.

Perpindahan panas terbagi menjadi beberapa kondisi

.

Salah satu yang paling rumit ialah perpindahan panas pada dinding berlapis

.

Dianggap paling rumit karena dinding berlapis memiliki konduktivitas bahan yang berbeda-beda disetiap bahan lapisan yang digunakan

.

Rangkaian termal biasadigunakanyaitu

pada sistem yang kompleks

,

seperti dinding berlapis

.

Dinding berlapis semdiri

terdiri dari beberapa jenis rangkaian

.

Penukar panas untuk fluida kerja yang memiliki rapat massa besar (fluida cair), energi yang hilang akibat gesekan reletif lebih kecil daripada energi yang dibutuhkan sehingga pengaruh yang merugikan

ini jarang diperhitungkan

.

Sedangkan untuk fluida yang rapat massanya rendah seperti gas, penambahan energi mekanik dapat lebih besar dari laju panas yang

dipertukarkan

.

Pada sistem pembangkit daya termal, energi mekanik dapat mencapai 4 sampai 10 kali energi panas yang dibutuhkan

.

Proses pertukaran panas di industri digunakan untuk pemenuhan kebutuhan unit proses dan untuk konservasi energi

.

Penukar panas yang baik adalah yang memiliki laju perpindahan panas seoptimal mungkin

.

Ketidakoptimalan laju perpindahan panas ditentukan nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan (U)

.

Hasil-hasil penelitian yang telah dipublikasikan menunjukkan bahwa perubahan fluks massa udara dapat meningkatkan nilai U untuk setiap laju alir massa flue gas konstan pada alat penukar panas jenis plat

.

Marriot (1971) membatasi rentang bilangan Reynolds yang efektif untuk fluida operasi gas-gas adalah 10-400

.

Pada bilangan Reynolds yang terlalu tinggi, laju alir fluida juga akan tinggi

,

yang akan menyebabkan perpindahan panas tidak