BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Sejarah Rockwoll
Pada tahun 1987, Komisi Brundtland mendefinisikan keberlanjutan sebagai pembangunan yang memenuhi dengan kebutuhan saat ini tanpa mengorbankan kemampuan generasi mendatang untuk memenuhi kebutuhannya sendiri (Brundtland, 1987). Untuk bahan isolasi, ini berarti bahwa mereka harus diproduksi dan digunakan dengan cara yang menghemat sumber daya yang paling dengan dampak sekecil mungkin pada sumber daya, manusia dan alam selama siklus hidup penuh produk. Energi yang paling berkelanjutan disimpan energi. Rockwool produk insulasi mungkin solusi yang paling berkelanjutan untuk daftar panjang, alasannya:
1. Penggunaan bahan baku alami dan terbaru yang melimpah diproduksi insulasi rockwool Sifat tahan api yang unik.
2. Rockwool isolasi yang dikombinasikan dengan kinerja thermal jangka
panjang, dimensi stabilitas, penyerapan suara / isolasi dan air repellence. 3. Fitur unik dari daya tahan eksternal (dalam isolasi, fasad eksternal dan atap)
dan bio-kelarutan dalam tubuh. 4. Tidak ada klasifikasi berbahaya (s).
5. Fakta bahwa rockwool tidak menggunakan bahan baku atau mengandung zat yang bersifat karsinogenik, mutagenik atau beracun untuk reproduksi (CMR bahan lainnya) atau kepedulian sangat tinggi atau BPO.
6. Bahkan ketika tidak lagi digunakan, isolasi rockwool dapat didaur ulang ketika sebuah bangunan didekonstruksi pada akhirnya hidup. Produk insulasi Rockwool mungkin yang paling solusi yang berkelanjutan.
minyak mineral murni adalah kemudian ditambahkan untuk membuat material yang stabildan anti air. Diperlakukan wol batu kemudian dipanaskan sampai 200-250 º C untuk menyembuhkan pengikat.
Bahan baku utama batu wol adalah basalt, anorthosite, dan briket disemen dapat diakses cadangan bahan ini cukup besar untuk memasok permintaan manusia saat selama jutaan tahun yang pada dasarnya tak ada habis-habisnya (Dahl et al.). Batu proses manufaktur wol sangat baik cocok untuk produk daur ulang limbah tertentu di pabrik Rockwool Group, mendaur ulang sampah kita, wol batu bangunan-situs sampah, dan bahan baku sekunder industri lain menjadi batu produk wol isolasi baru (Dahl et al.). Setiap tahun, sekitar 400.000 ton anorganik atau bahan mudah terbakar residu dari industri lain digunakan dalam pembuatan produk rockwool. Seleksi yang ketat dan prosedur pengurangan yang dipelihara untuk memastikan kontrol emisi mudah terbakar limbah dan coke yang dibakar dalam cungkup untuk mencairkan baku bahan kokas sendiri terbuat dari batubara, yang merupakan bahan bakar fosil yang paling melimpah di dunia (International Energy Outlook).
2.1.1 Dampak Terhadap Lingkungan
Percaya bahwa energi yang paling berkelanjutan disimpan energi, Grup Rockwool juga berkomitmen untuk proses yang berkesinambungan untuk mengurangi dampak negatif dari kegiatan produksinya. Hal ini dicapai dengan melakukan investasi pada teknologi mutakhir (misalnya, efisiensi tinggi sistem filter dan tanaman after-burner) untuk meminimalkan penggunaan sumber daya dan untuk mengurangi emisi polutan ke udara, air dan tanah. Dengan memenuhi Uni Eropa Clean Air batas directive, itu dipastikan bahwa emisi dari pabrik tidak akan menimbulkan resiko terhadap kesehatan penduduk setempat.
terencana dan terkoordinasi dengan hati-hati, menggunakan kolaboratif sistem perencanaan dengan perusahaan operator profesional untuk memaksimalkan efisiensi dan meminimalkan dampak lingkungan. Dimanapun memungkinkan, modus transportasi yang paling berkelanjutan (kereta atau perahu, misalnya) digunakan. Rockwool juga di balik upaya untuk mempromosikan Sistem Modular Eropa (EMS), yang menggunakan hemat energi truk besar volume dan saat ini menjalani pengujian di Uni Eropa.
Tabel 2.1. Penghematan energi dan penghematan CO2 untuk 100 m2 insulasi loteng untuk bangunan di Denmark.
Konstruksi
Tabel 2.1 menunjukkan bagaimana menggunakan rockwool untuk melindungi loteng dirumah Denmark dapat menyimpan sejumlah besar energi lebih dari 50 tahun. Kolom 1 memberikan 'U-value' (panas Nilai transmisi komponen bangunan) menurut untuk setiap tingkat (atau tidak) isolasi. Baris 1 menunjukkan apa terjadi jika loteng tidak terisolasi sama sekali, di sini, panas kerugian selama periode 50-tahun datang ke 55.440 besar liter minyak pemanas, dan tidak ada energi atau CO2 yang disimpan sepanjang waktu itu. Baris 3 menunjukkan bahwa jika 250 mm insulasi rockwool diinstal, kehilangan panas ini berkurang sepuluh kali, menghasilkan penghematan 50.300 liter pemanasan minyak, dibandingkan dengan loteng uninsulated investasi ini menghasilkan penghematan 135 ton CO2 untuk 100 m2 loteng lebih dari 50 tahun.
2.1.2. Manfaat Rockwoll 2.1.2.1. Fire Safety
Sebuah fitur unik dari rockwool produk wol batu sifat tahan api
Gambar 2.1. Biaya energi (hilang) karena 5% kinerja termal berkurang dibandingkan dengan biaya energi membuat isolasi.
2.1.2.2. Daya Tahan Tinggi
Produk insulasi rockwool dahulu sangat tahan lama karena mempertahankan mekanik mereka properti, memiliki stabilitas dan dimensi tinggi kekakuan, yang tidak terpengaruh oleh perubahan suhu atau kelembaban. Akibatnya, baik digunakan secara internal atau eksternal, insulasi rockwool mempertahankan aslinya ketebalan sepanjang masa bangunan. ini benar bahkan di bawah beban berkelanjutan dan berat jutaan - m² lantai beton telah diletakkan di atas rockwool isolasi di seluruh dunia, dengan tidak ada bukti jangka panjang merayap.
2.1.2.3. Kemampuan yang tinggi untuk menyesuaikan
2.1.2.4. Pengurangan Kebisingan
Produk rockwool dapat memberikan tingkat yang sangat tinggi penyerapan suara (Laboratoire du Trois), properti yang digunakan secara efisien di akustik langit-langit. Isolasi rockwool di dinding, atap dan di bawah lantai mencegah kebisingan dari luar atau dari yang berdekatan kamar menembus bangunan. Sebuah konstruksi dinding baik menggunakan insulasi rockwool akan membantu mengurangi transmisi kebisingan lebih dari 50 desibel (dB), sekitar 20 dB lebih dari konstruksi tanpa isolasi. Untuk menempatkan ini dalam konteks, bagi manusia, suatu 10 Perbedaan dB terdengar sebagai penggandaan (atau mengurangi separuh) dari suara terdengar (Iklim & Environment).
2.1.2.5. Repellence Air dan Pertumbuhan Jamur
Produk insulasi rockwool keduanya anti air dan tahan kelembaban. Hambatan difusi bahan isolasi rockwool sesuai dengan yang masih udara. Karena itu, insulasi rockwool tidak menjebak kelembaban, tetapi
membantu melepaskannya. Kelembaban dan nutrisi adalah kondisi yang diperlukan untuk pertumbuhan jamur. Sejak lebih dari 95% dari rockwool produk insulasi terbuat dari serat anorganik, ada sedikit sumber nutrisi untuk memungkinkan pertumbuhan jamur. karena ini dan repellence air produk, tidak ada perlu menambahkan fungisida (Klamer et al.).
2.1.2.6. Permeabilitas
2.1.2.7. Tahan Cuaca
Rockpanel bahan papan yang digunakan dalam hujan layar cladding konstruksi dan menggambarkan sifat resistansi udara dari serat wol batu.
2.1.3. Aspek Kesehatan Dari Produk Rockwoll
Rockwool telah mengembangkan sebuah alumina tinggi, silika rendah wol batu untuk menggantikan wol batu tradisional (Guldberg et al.; IARC Monografi). Ketika diuji pada hewan, jenis wol batu ditemukan menjadi non-karsinogenik (IARC Monografi; IARC Siaran Pers, Kamstrup dkk):, komposisi kimia meningkatkan biosolubility dan hasil dalam penghapusan cepat dari serat dari paru-paru. Tinggi alumina, silika rendah wol menghilang sekitar 10 kali lebih cepat dari paru-paru dibandingkan wol batu tradisional (Guldberg et al;. IARC Monografi).
Dua contoh dari Swiss menggambarkan lebih jauh penurunan permintaan energi. Contoh pertama dari Basel menunjukkan bagaimana
rumah keluarga beberapa direnovasi sehingga membutuhkan energi nol untuk pemanas, air panas dan sistem ventilasi udara dengan pemulihan panas. Renovasi ini melibatkan isolasi tambahan, batu wol fasad eksternal (tebal 20 cm), dan wol batu ekstra di loteng (U-value <0,10 W / m² K). Kolektor panas, 40 besar penyimpanan air m³, pompa panas dan fotovoltaik sel juga diinstal.
bio-kelarutan high alumina, serat silika rendah hanya terjadi di dalam tubuh (karena kehadiran asam karboksilat polivalen).
Jadi, meskipun serat hilang dengan cepat dari paru-paru, mereka tetap sangat tahan lama di luar tubuh. Selain itu, selama pengujian laboratorium, rockwool isolasi produk telah ditandai sebagai non-berdebu ketika dibandingkan dengan bahan isolasi lain (National Institut Kesehatan Kerja). Dalam beberapa keadaan, serat kasar dapat menyebabkan gatal sementara pada kulit. Dalam rangka meminimalkan paparan debu, praktek kerja yang direkomendasikan, termasuk piktogram, disediakan pada kemasan semua produk insulasi rockwool.
2.2. Aluminium
Aluminium adalah logam yang paling banyak terdapat di kerak bumi, dan unsur ketiga terbanyak setelah oksigen dan silikon. Aluminium terdapat di kerak bumi sebanyak kira-kira 8,07% hingga 8,23% dari seluruh massa padat dari kerak bumi, dengan produksi tahunan dunia sekitar 30 juta ton pertahun dalam bentuk
bauksit dan bebatuan lain (corrundum, gibbsite, boehmite, diaspore, dan lain-lain) (USGS). Sulit menemukan aluminium murni di alam karena aluminium merupakan logam yang cukup reaktif.
Selama 50 tahun terakhir, aluminium telah menjadi logam yang luas penggunaannya setelah baja. Perkembangan ini didasarkan pada sifat-sifatnya yang ringan, tahan korosi, kekuatan dan ductility yang cukup baik (aluminium paduan), mudah diproduksi dan cukup ekonomis. Yang paling terkenal adalah penggunaan aluminium sebagai bahan pembuat pesawat terbang, yang memanfaatkan sifat ringan dan kuatnya.
Resistansi terhadap korosi terjadi akibat fenomena pasivasi, yaitu terbentuknya lapisan aluminium oksida ketika aluminium terpapar dengan udara bebas. Lapisan aluminium oksida ini mencegah terjadinya oksidasi lebih jauh. Aluminium paduan dengan tembaga kurang tahan terhadap korosi akibat reaksi galvanik dengan paduan tembaga.
Aluminium juga merupakan konduktor panas dan elektrik yang baik. Jika dibandingkan dengan massanya, aluminium memiliki keunggulan dibandingkan dengan tembaga, yang saat ini merupakan logam konduktor panas dan listrik yang cukup baik, namun cukup berat.Aluminium murni 100% tidak memiliki kandungan unsur apapun selain aluminium itu sendiri, namun aluminium murni yang dijual di pasaran tidak pernah mengandung 100% aluminium, melainkan selalu ada pengotor yang terkandung di dalamnya. Pengotor yang mungkin berada di dalam aluminium murni biasanya adalah gelembung gas di dalam yang masuk akibat proses peleburan dan pendinginan/pengecoran yang tidak sempurna, material cetakan akibat kualitas cetakan yang tidak baik, atau pengotor lainnya akibat kualitas bahan baku yang tidak baik (misalnya pada proses daur ulang
aluminium). Umumnya, aluminium murni yang dijual di pasaran adalah aluminium murni 99%, misalnya aluminium foil.
Pada aluminium paduan, kandungan unsur yang berada di dalamnya dapat bervariasi tergantung jenis paduannya. Pada paduan 7075, yang merupakan bahan baku pembuatan pesawat terbang, memiliki kandungan sebesar 5,5% Zn, 2,5% Mg, 1,5% Cu, dan 0,3% Cr. Aluminium 2014, yang umum digunakan dalam penempaan, memiliki kandungan 4,5% Cu, 0,8% Si, 0,8% Mn, dan 1,5% Mg. Aluminium 5086 yang umum digunakan sebagai bahan pembuat badan kapal pesiar, memiliki kandungan 4,5% Mg, 0,7% Mn, 0,4% Si, 0,25% Cr, 0,25% Zn, dan 0,1% Cu.
2.2.1. Sifat-sifat Aluminium
seng, kromium, mangan, timah dan titanium.Besi adalah elemen biasanya hadir dan biasanya dianggap sebagai pengotor.
Aluminium-dasar paduan mungkin secara umum akan ditandai sebagai sistem eutektik, mengandung bahan intermetalik atau unsur-unsur sebagai fase berlebih. Karena kelarutan relatif rendah sebagian besar elemen paduan dalam aluminium dan paduan kompleksitas yang dihasilkan, salah satu paduan dasar aluminium dapat berisi beberapa fase logam. Fase ini biasanya lebih larut lumayan dekat suhu eutektik dari pada suhu kamar, sehingga memungkinkan untuk panas mengobati beberapa dari paduan oleh solusi dan penuaan panas perawatan.
Dalam pengertian kimia aluminium merupakan logam yang reaktif. Apabila di udara terbuka akan bereaksi dengan oksigen, jika reaksi berlangsung terus maka aluminium akan rusak dan sangat rapuh. Permukaan aluminium sebenarnya bereaksi bahkan lebih cepat daripada besi.Namun lapisan luar aluminium oksida yang terbentuk pada permukaan logam itu merekat kuat sekali pada logam dibawahnya, dan membentuk lapisan yang
kedap.Oleh karena itu dapat dipergunakan untuk keperluan kontruksi tanpa takut pada sifat kimia yang sangat reaktif. Tapi jika logam bertemu dengan alkali lapisan oksidanya akan mudah larut. Lapisan oksidanya akan bereaksi secara aktif dan akhirnya akan mudah larut pada cairan sekali. Sebaliknya berbagai asam termasuk asam nitrat pekat tidak berpengaruh terhadap aluminium karena lapisan aluminium kedap terhadap asam.
Aluminium merupakan logam ringan yang mempunyai ketahan korosi yang sangat baik karena pada permukaannya terhadap suatu lapisan oksida yang melindungi logam dari korosi dan hantaran listriknya cukup baik sekitar 3,2 kali daya hantar listrik besi. Berat jenis aluminium 2,643 kg/m3 cukup ringan dibandingkan logam lain.
pangerjaan panas maka dapat diperoleh paduannya dengan kekuatan melebihi 700 MPa paduannya.
Aluminium dapat ditempa, diekstruksi, dilengkungkan, direnggangkan, diputar, dispons, dirol dan ditarik untuk menghasilkan kawat. Dengan proses pemanasan dapat diperoleh aluminium dengan bentuk kawat foil, lembaran pelat dan profil. Semua paduan aluminium ini dapat dimampu bentuk (wrought alloys) dapat dimesin, dilas dan dipatri.
2.3. Isolasi
Isolasi panas ditandai dengan konduktivitas panasnya yang rendah dan oleh karena itu mampu menjaga panas tertahan didalam atau diluar sistim dengan mencegah perpindahan panas ke atau dari lingkungan luar. Bahan- bahan isolasinya berpori dan mengandung sejumlah besar sel-sel udara yang tidak aktif. Sejumlah besar energi bisa hilang tanpa menggunakan isolasi atau jika isolasinya tidak efisien atau pemasangannya tidak benar.
Ada berbagai macam bahan isolasi yang tersedia di pasar, tetapi
kebanyakan terutama terbuat dari fiberglass, wol mineral, polietilen, busa, atau kalsium silikat. Seperti Ethafoam Polyethylene Foam terpal, Solimide Polimide Foam Lembar, FPC Fiberglass Reinforced Silicone Foam terpal, Silicone Sponge Karet Lembar, fiberglass / wol mineral isolasi selimut, mineral kawat-diperkuat isolasi wol, Reflect-Semua Isolasi, pasir curah minera isolasi wol, gabus lembaran isolasi, foil berwajah isolasi fiberglass, dicampur spons lembaran karet, dan banyak lainnya.
Isolasi panas dapat menurunkan kehilangan panas, memberikan keuntungan sebagai berikut:
1. Penurunan pemakaian bahan bakar.
2. Pengendalian proses yang lebih baik dengan mencapai suhu proses pada tingkatan yang konstan.
3. Pencegahan korosi dengan menjaga permukaan terbuka sistim pendinginan diatas titik embun.
5. Peredaman terhadap getaran
Disamping itu kondisi kerja para karyawan menjadi lebih baik karena isolasi melindungi mereka dari kotak langsung dengan permukaan panas dan panas radian dan sebab isolasi dapat mengurangi tingkat kebisingan.
2.3.1. Tipe-tipe isolasi
Isolasi dapat diklasifikasikan berdasarkan pada tiga kisaran suhu yang digunakan masing – masing :
1. Isolasi Suhu Rendah (sampai 90oC), yang digunakan untuk lemari es, sistim air panas dan dingin, tangki penyimpanan, dll. Bahan yang paling banyak digunakan adalah gabus, kayu, magnesia 85 persen, serat mineral,
polyurethane dan gabus putih EPS /expanded polystyrene
2. Isolasi Suhu Menengah (90 – 325oC), yang digunakan dalam pemanasan suhu rendah dan peralatan pembangkit steam, jalur steam, saluran cerobong, dll. Bahan yang paling banyak digunakan adalah magnesia 85 persen, asbes, kalsium silikat dan serat mineral.
3. Isolasi Suhu Tinggi (325oC dan diatasnya), yang biasanya digunakan untuk boiler, sistim steam lewat jenuh, pemanggang oven, pengering dan tungku. Bahan yang paling banyak digunakan adalah asbes, kalsium silikat, serat mineral, mika, vermiculite, semen tahan api, silika dan serat keramik.
2.3.2. Alasan Untuk Isolasi
Berbagai alasan untuk menggunakan isolasi dapat diringkas sebagai berikut:
a) Konservasi Energi Konservasi energi dengan mengurangi tingkat panas aliran adalah alasan utama untuk permukaan isolasi. Bahan isolasi yang akan menunjukkan hasil yang memuaskan dalam kisaran suhu 268 ° C sampai 1000 ° C ( 450 ° F sampai 1800 ° F) banyak tersedia.
itu dari sengaja menyentuh permukaan panas dan membakar diri (Gambar 7-33). Untuk mencegah bahaya ini dan untuk mematuhi Keselamatan OSHA (dan Kesehatan Kerja Administrasi) standar, suhu permukaan panas harus dikurangi menjadi di bawah 60 ° C (140 ° F) oleh isolasi. Juga, berlebihan panas datang dari permukaan yang panas menciptakan lingkungan tidak menyenangkan pekerja, yang merugikan mempengaruhi kinerja atau produktivitas para pekerja, terutama di musim panas.
c) Mempertahankan Suhu Proses Beberapa proses dalam kimia industri adalah suhu-sensitif, dan mungkin menjadi perlu untuk mengisolasi tangki proses dan bagian aliran besar-besaran untuk mempertahankan yang sama suhu di seluruh.
d) Mengurangi Suhu Variasi dan Fluktuasi Suhu di sebuah kandang dapat bervariasi antara bagian tengah dan tepi jika kandang tidak terisolasi. Sebagai contoh, suhu di dekat dinding rumah buruk terisolasi jauh lebih rendah dari suhu di midsections. Juga, suhu
dalam kandang yang tidak diisolasi akan mengikuti perubahan suhu di lingkungan erat dan berfluktuasi. Isolasi meminimalkan suhu nonuniformity dalam kandang dan memperlambat fluktuasi.
e) Kondensasi dan Pencegahan Korosi uap air di udara mengembun pada permukaan yang suhunya di bawah titik embun, dan permukaan luar dari tangki atau pipa yang berisi fluida dingin sering jatuh di bawah suhu titik embun kecuali mereka memiliki isolasi yang memadai. Cairan air di permukaan terbuka dari tangki logam atau pipa dapat mempromosikan korosi serta pertumbuhan alga. f) Perlindungan Kerusakan Api saat kebakaran dapat diminimalkan
dengan mempertahankan mudah terbakar berharga dalam kotak pengaman yang terisolasi dengan baik. Isolasi dapat menurunkan laju aliran panas ke tingkat sedemikian rupa sehingga suhu di kotak tak pernah naik ke tingkat yang tidak aman saat kebakaran.
membekukan dan meledak sebagai hasilnya perpindahan panas dari air ke lingkungan dingin. Pecahnya pipa sebagai akibat dari pembekuan dapat menyebabkan kerusakan besar. Memadai isolasi akan memperlambat hilangnya panas dari air dan mencegah pembekuan selama paparan terbatas pada suhu subfreezing. Sebagai contoh, meliputi sayuran selama malam yang dingin akan melindungi mereka dari pembekuan, dan mengubur pipa air di dalam tanah pada kedalaman yang cukup akan menjaga mereka dari pembekuan selama seluruh musim dingin. Mengenakan sarung tangan tebal akan melindungi jari dari kemungkinan radang dingin. Juga, logam cair atau plastik dalam wadah akan memperkuat pada permukaan bagian dalam jika wadah tidak benar terisolasi.
h) Mengurangi Kebisingan dan Getaran Manfaat tambahan dari isolasi termal adalah kemampuannya untuk meredam kebisingan dan getaran (Gambar 7-34). Itu bahan isolasi berbeda dalam kemampuan mereka untuk mengurangi kebisingan dan getaran, dan jenis yang
tepat dapat dipilih jika pengurangan kebisingan adalah penting pertimbangan.
2.4. Perpindahan Panas
Panas dapat berpindah dari suatu tempat atau benda ketempat atau ke benda lain. Panas dapat berpindah dari suatu zat yang lebih panas ke zat yang lebih dingin. Dengan kata lain, panas hanya akan berpindah dari satu benda ke benda lainnya bila terdapat perbedaan temperatur diantara dua benda tersebut. Atau panas akan berpindah dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang temperatur lebih rendah. Karena itu dapat disimpulkan bahwa perbedaan
temperatur (Δt) adalah merupakan potensial pendorong bagi proses perpindahan
2.4.1. Konduksi
Konduksi adalah perpindahan panas suatu benda yang partikel-partikel dalam benda tersebut menstransfer energi melalui tumbukan. Konduksi Panas hanya terjadi apabila terdapat perbedaan temperatur.
Panas yang mengalir secara konduksi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah. Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum Fourrier .
�̇ = −�� ��2−�1
� �
Dimana, �̇ = Laju perpindahan panas (W)
k = Konduktivitas Termal ( W / (m.K))
A = Luas penampang yang terletak pada aliran panas (m2)
T2 = Temperatur akhir (°C)
T1 = Temperatur awal (°C)
L = Tebal plat (m)
Persamaan (2.1) dapat disederhanakan menjadi persamaan yang dikenal dengan konsep resistansi thermal yang dianalogikan dengan resistansi listrik. Hal ini karena laju aliran kalor dianggap sebagai sebuah aliran listrik yang mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah (perbedaan temperatur). Konsep resistansi thermal juga berlaku untuk kedua jenis perpindahan panas yang lain. Dengan demikian, persamaan (2.3) menjadi:
�̇ = − ��2−�1
� �
� = ��
���
Dimana, �̇ = Laju perpindahan panas (W)
k = Konduktivitas Termal ( W / (m.K))
A = Luas penampang yang terletak pada aliran panas (m2)
T2 = Temperatur akhir (°C)
T1 = Temperatur awal (°C)
R = Resistansi thermal ( °C/m)
2.4.2. Konveksi
Perpindahan panas konveksi terjadi di antara permukaan benda dan suatu fluida. Dengan kata lain, perpindahan panas konveksi adalah perpaduan perpindahan panas konduksi dengan suatu aliran fluida. Perpindahan panas konveksi terdiri dari tiga jenis, yaitu konveksi paksa
aliran dalam, aliran luar, dan alamiah. Apabila aliran fluida disebabkan oleh blower/fan maka disebut konveksi paksa dan apabila disebabkan oleh gradien massa jenis maka disebut konveksi alamiah. Pada umumnya laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan hukum persamaan pendinginan Newton,yaitu sebagai berikut:
�̇ =ℎ���� − ���
Dimana, �̇ = Laju perpindahan panas (Watt)
h = Koefisien konveksi ( W / m2. K )
A = Luas permukaan kolektor surya m2
Ts = Temperatur plat ( K )
Tf = Temperatur fluida ( K )
Nilai koefisien konveksi dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut ini:
ℎ= ��� � Dimana, h = koefisien konveksi ( W / m2. K )
Nu = Bilangan Nusselt
k = konduktivitas termal (W/m.K)
L = panjang plat (m)
Secara umum, pola aliran terbagi menjadi tiga jenis, yaitu aliran
Aliran transisi merupakan pola aliran yang berada diantara aliran laminar dan turbulen.
Persamaan yang digunakan untuk menghitung bilangan Reynold adalah sebagai berikut:
�� = ����
Dimana, Re = bilangan Reynold
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
U = kecepatan aliran fluida (m/s)
L = Panjang pipa (m)
μ = viskositas (Ns/m2)
2.4.3. Persamaan Empirik Konveksi Natural permukaan Luar
Persamaan mencari bilangan Nu yang diturunkan secara analitik dan menghasilkan persamaan:
Di dapat dengan asumsi bahwa aliran adalah laminar. Validasi yang dilakukan dengan cara eksperimen membuktikan adanya penyimpangan dari persaman tersebut dengan hasil eksperimen. Hal ini, salah satunya diakibatkan adanya efek turbulensi. Penentuan kondisi aliran pada kasus konveksi natural adalah menggunakan bilangan Ra yang telah didefenisikan pada persamaan:
informasi bahwa bilangan Nu dari suatu masalah konveksi natural dapat
Dimana C dan m adalah konstanta yang tergantung pada permukaan, jenis fluida dan besar bilangan Rayleigh.
Permasalahannya sekarang adalah mencari konstanta C dan m yang sesuai untuk suatu kasus konveksi natural. Kedua konstanta ini dihitung dengan menggunakan data eksperimen. Dengan menggunakan data-data eksperimen yang baik maka seorang peneliti dapat mengajukan konstanta yang sesuai, cara inilah yang dikenal dengan cara membangun persamaan empirik. Beberapa peneliti telah mengajukan persamaan untuk beberapa kasus yang akan ditampilkan pada bagian berikut. Persamaan akan dibagi berdasarkan bentuk permukaan dan kondisi permukaan apakah untuk temperatur konstan atau untuk flux konstan.
2.4.3.1. Bidang vertikal
Arah aliran fluida akibat konveksi natural pada bidang vertikal mempunyai dua kemungkinan. Pertama temperatur bidang lebih tinggi dari temperatur fluida sehingga fluidanya mengalir ke atas atau sebaliknya temperatur bidang lebih rendah dari temperatur fluida, sehingga arah aliran ke bawah. Secara kuantitatif persamaan mencari nilai bilangan Nu adalah sama, hanya arahnya saja yang berbeda.
a. Untuk bidang vertikal dengan Ts konstan
Parameter bilangan Rayleigh dihitung dengan menggunakan panjang bidang L dan dinyatakan dengan RaL. Untuk kasus ini ada
beberala alternatif yang dapat digunakan. Persamaan yang paling sederhana dapat dijumpai pada McAdams (1954), Warner dan Arpaci (1968), dan Bayley (1955), yaitu:
Kedua persamaan benar-benar sangat mirip dengan persamaan. Keunggulan dari persamaan ini adalah bentuknya yang sangat sederhana sehingga mudah untuk digunakan. Tetapi kedua persamaan ini kurang teliti. Untuk meningkatkan ketelitiannya persamaan yang direkomendasikan Churchill dan Chu (1975) dapat digunakan.
2
Persamaan ini diklaim berlaku untuk semua rentang bilangan
RaRLR. Dan jika ingin lebih teliti lagi, untuk bilangan Rayleigh yang
lebih rendah 9 10
≤
L
Ra , Churchill dan Chu (1975) menyarankan
persamaan berikut:
Meskipun kedua persamaan ini mempunyai bentuk yang sangat berbeda dengan hasil analitik pada persamaan (2.17), tetapi pada kasus tertentu dapat memberikan hasil yang sama. Telah disebutkan bahwa penyelesaiaan analitik didapatkan dengan asumsi bahwa aliran yang terjadi adalah laminar dimana bilangan RaRLR
kecil. Jika bilangan ini kecil, bagian kanan dari persamaan (2.12) dan persamaan (2.13) akan bisa diabaikan. Sebagai hasilnya bilangan Nu untuk kedua persamaan akan mendekati 0,68 dan 0,825P2P ≈0,68. Demikian juga hasil analitik pada persamaan (2.17) akan mendekati 0,678. Kesimpulannya memberikan angka yang sama. Tetapi sebaliknya jika bilangan Ra RL R besar masing-masing persamaan ini
akan menyimpang dan disarankan menggunakan yang sesuai rekomendasi.
b. Bidang vertikal dengan flux q′′ konstan
Plat vertikal yang dipanasi dengan flux panas q′′ [W/mP2P]
Karena memang temperatur tidak diketahui, maka temperatur yang digunakan pada persamaan adalah temperatur rata-rata, dan dirumuskan dengan persamaan:
Dengan menggunakan persaman ini bilangan RaRLR dapat
dihitung. Kemudian, bilangan Nu dapat dihitung dengan menggunakan persaman yang diajukan oleh Churchill dan Chu (1975).
Meskipun semua parameter dapat dihitung tetapi permasalahannya tidak sederhana untuk diselesaikan. Perhatikan persamaan (2.14) untuk menghitung beda temperatur harus diketahui koefisien konveksi rata-rata h. Sementara ini masih harus dihitung pada persamaan (2.15). Oleh karena itu masalah ini harus diselesaikan dengan trial and error dengan menebak dulu nilai h, kemudian
dilanjutkan dengan menghitung beda temperatur. Beda temperatur ini akan digunakan menghitung RaRLR, dan akhirnya Nu dapat dihitung.
Nilai h hasil tebakan harus dicek lagi dengan menggunakan nilai Nu yang baru didapat. Jika tidak berbeda jauh atau bedanya dapat diterima, maka perhitungan bisa dihentikan. Tetapi jika tidak maka perhitungan harus diulang lagi sampai hasilnya sama atau perbedaannya dapat diterima.
2.4.3.2. Bidang miring
jelasnya sebuah plat yang panas dimiringkan dengan sudut kemiringan
terhadap vertikal ditampilkan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.2 Konveksi natural pada bidang miring
Pada gambar dapat dilihat bahwa pada bidang miring dengan sudut
kemiringan terhadap vertikal, percepatan gravitasi dapat diproyeksikan menjadi yang sejajar dengan bidang. Ini berarti bidang miring dapat
dianggap sebagai plat vertikal tetapi percepatan gravitasinya menjadi . Maka untuk bidang miring semua persamaan pada kasus bidang
vertikal dengan dan konstan dapat digunakan. Tetapi gravitasi
harus diganti menjadi saat menghitung bilangan Ra.
Setelah menghitung bilangan Ra, maka semua persamaan untuk plat vertikal, persamaan (2.10) sampai dengan persamaan (2.15) dapat digunakan. Kita tinggal memilih persamaan mana yang sesuai untuk kasus yang sedang dibahas.
2.4.3.3. Bidang horizontal
adalah bagaimana mendefenisikan panjang perpindahan panas. Hal ini perlu dijelaskan karena percepatan gravitasi adalah tegak lurus terhadap bidang horizontal. Pada kasus konveksi natural pada bidang horizontal panjang yang digunakan menghitung bilangan RaRLR adalah panjang
karakteristik yang didefenisikan dengan persamaan:
Dimana menyatakan luas bidang horizontal dan adalah kelilingya. Dengan menggunakan panjang karakteristik ini bilngan RaRLR
dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.8). Pola konveksi natural pada permukaan horizontal dapat dibagi dua. Masing-masing dijelaskan pada bagian berikut:
1. Permukaan atas yang panas atau permukan bawah yang dingin.
Pola ini ditunjukkan pada Gambar 2.2 Pada bagian kiri gambar tersebut bidang horizontal yang panas berada pada fluida yang lebih dingin. Sebagai akibatnya fluida yang bersentuhan dengan permukaan akan lebih ringan karena lebih panas dan akan mengalir naik. Pada bagian kiri digambarkan sebaliknya bidang horizontal yang dingin berada pada fluida yang lebih panas. Fluida yang bersentuhan dengan bidang akan lebih dingin. Karena lebih dingin akan menjadi lebih berat dan akan mengalir turun.
Gambar 2.3 Konveksi natural pada bidang horizontal (type a)
bilangan Nu dapat digunakan persamaan yang diajukan oleh Llyod dan Moran (1974):
Untuk :
Untuk
2. Permukaan atas yang dingin atau permukaan bawah yang panas
Pola ditunjukkan pada Gambar 2.3 Pada bagian kiri gambar ditunjukkan bahwa fluida yang panas akan terdesak dari permukaan yang panas dan mengalir ke sebelah luar. Untuk mengisi kekosongan akibat aliran ini maka fluida dibawahnya akan mengalir ke atas. Hal yang sama tetapi dengan arah yang berbeda ditampilkan pada bagian kanan gambar tersebut.
Gambar 2.4 Konveksi natural pada bidang horizontal (type b)
Persamaan menghitung bilangan Nu untuk kasus ini dapat digunakan persamaan yang dituliskan pada buku Incropera (2006).
Persamaan ini berlaku untuk .
membentuk ruang tertutup persegi yang miring dan didalamnya terjadi konveksi natural. Bilangan Nusselt (Nu) untuk kasus ini dapat dihitung berdasarkan persamaan diajukan oleh Holland dkk (1976) dengan RaL <
105, yaitu [23]:
��= 1 + 1,44�1−1708
����
+
+ ����
1/3
18 −1� +
Dimana, NuL = Bilangan Nusselt
RaL = Bilangan Rayleigh
