TRANSFER PANAS KK / 2 SKS

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 Analogi proses transfer momentum, panas, dan massa

¾ Dasar mekanisme perpindahan panas

¾ Perpindahan panas konduksi keadaan steady

¾ Perpindahan panas konduksi keadaan tidak steady

¾ Perpindahan panas konduksi dua dimensi

¾ Perpindahan panas konveksi bebas

¾ Perpindahan panas konveksi paksaan

¾ Perpindahan pada berbagai geometri pada konveksi paksaan

¾ Perpindahan panas radiasi

¾ Perpindahan panas total/gabungan

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.

Garis Besar Perkuliahan

Mg Pokok Bahasan Uraian

1 Analogi proses transfer

momentum, panas dan massa

Persamaan dasar untuk perpindahan momentum, panas, dan massa

2 Dasar mekanisme perpindahan panas

Prinsip dasar, mekanisme perpindahan panas, hukum Fourier

3 Prinsip perpindahan panas konduksi steady

Konduksi melalui lapisan datar atau dinding, silinder berlubang, bola berlubang, padatan tersusun seri, perpindahan panas gabungan, konduksi dan konveksi, konduksi dengan adanya generasi

4 Perpindahan panas konduksi keadaan tidak steady

Persamaan dasar, sistem dengan hambatan dalam diabaikan

Garis Besar Perkuliahan

5 Perpindahan panas konduksi keadaan tidak steady

Konduksi pada berbagai geometri

6

Perpindahan panas konduksi dua dimensi

Metode grafik untuk konduksi dua dimensi, faktor bentuk, metode numerik untuk dua dimensi

7

Perpindahan panas konveksi

Prinsip konveksi bebas, konveksi babas untuk berbagai macam geometri, korelasi empiris

8 Quis 1

9 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

Garis Besar Perkuliahan

10 Perpindahan panas konveksi paksaan

Persamaan dasar, kombinasi perpindahan panas radiasi dan konveksi

11

Transfer panas pada berbagai geometri pada konveksi

paksaan

Pengantar, aliran paralel pada plat datar,

silinder dengan sumbu aliran tegak lurus aliran, aliran melalui satu bola

12 Perpindahan panas radiasi

Pengantar dan persamaan dasar radiasi, perpindahan panas gabungan konveksi dan radiasi

13 Idem

Prinsip perpindahan panas lanjutan, spektrum radiasi, penurunan faktor bentuk pada berbagai geometri

14

Perpindahan panas total/gabungan

Perpindahan panas total secara umum, penentuan luas perpindahan panas

Garis Besar Perkuliahan

15 Perpindahan panas terjadi_{perubahan fase} Pendidihan dan kondensasi (_{and condensation)} boiling

16

Alat perpindashan panas Jenis alat perpindahan panas, log meantemperaturdifference, faktor koreksi suhu, faktor kotoran.

Evaluasi

Bobot (%)

„

Quiz (1&2) 40

„

Short test 0

„

Tugas

20

„

Absen

10

„

Ujian

30

Proses Perpindahan

Momentum

Energi

Masa

PROPERTY

Gradient dalam property menyebabkan FLUX dari

Property tersebut MENURUNI gradient dalam property.

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.

Proses Perpindahan

z z H -+ -+ T Bahan murni T1 T₀

Pemanas listrik yang diset pada T₀ untuk semua waktu

Pemanas listrik yang Mula-mula diset pada T₀, kemudian dirubah ke T_１.

Proses Perpindahan

z z C_A C_A1 C_A0 H Larutan yang diperhatikan Penampung dengan fluida yang Penampung dengan fluida yang konsentrasi

Proses Perpindahan

z z v_x v_x1 v_x0 H Fluida kental, Mis.: madu x

Pelat dengan kecepatan mula-mula v_x0 = 0 yang

kemudian dirubah ke v_x1 = V Pelat dengan

Analogi perpindahan

Flux -

definisi

: (formatnya sama untuk semua tipe perpindahan,

momentum, energi, massa)

(

waktu

)( )

luas

n

dipindahka

yang

property

Besaran

flux

diberikan yang arah dalam

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

≡

⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛

Analogi perpindahan

Viskositas

( )

dz

v

d

_x zx

ρ

ρ

µ

τ

=

−

Flux momentum:

Hukum Newton

Flux momentum = shear stress

(

)

dz

T

C

d

A

q

_z

₌

₋

_α

ρ

p Difusivitas panas

Hukum Fourier

Flux panas:

Difusivitas molar

dz

dC

D

J

*_Az

=

−

_AB A

Hukum Fick

Flux molar:

Koefisien transport _Gradien Flux

Aplikasi Transfer panas dalam proses industri

„

Reaksi kimia

¾ Pembakaran dan gasifikasi

¾ Pirolisa, polimerisasi, dan sintesa

¾ Pemurnian dan pemisahan kimia

¾ Peleburan biji mineral, membuat alloy logam dan sintering

¾ Pembakaran keramik, glaze dan pelapisan

„

Reaksi biologi

¾ Pendinginan dan pembekuan makanan

¾ Pasteurisasi dan pemurnian

¾ Fermentasi

„

Perubahan fisik

¾ Penguapan dan kondensasi

¾ Peleburan dan pembekuan

¾ Pembentukan padatan: pencetakan, penempaan, dsb.

¾ Kristalisasi dan pengeringan

Konfigurasi proses/pertukaran panas

Menyatu dengan proses

Proses Fluida pemanas

Terpisah dengan proses

Fluida Proses

Fluida pemanas

Proses

Untuk rekoveri panas buangan

Fluida Proses

Mekanisme Perpindahan panas

Perpindahan panas dari sumber ke penerima

Laju total aliran panas Q Fluks panas q = Q/A Sumber pada Suhu T₁ Penerima pada Suhu T₂

Proses perpindahan panas:

Aliran energi dalam bentuk panas antara sumber dan penerima yang

disebabkan oleh beda suhu antara mereka.

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.

Mekanisme perpindahan panas

Konduksi

Konveksi

Radiasi

Kontinuitas bahan

Kontinuitas bahan

Mungkin tanpa adanya

kontinuitas bahan

Tidak perlu gerakan

Tergantung pada

gerakan fluida (dinamika

fluida)

Tidak perlu gerakan

Terjadi dalam solid,

liquida dan gas

Terjadi dalam liquida,

gas dan campuran

multifasa

Terjadi dalam media

transparan, terutama gas

Hukum Fourier tentang konduksi

(Transport energi molekuler)

dT k q_y − = Y T k A Q ∆ = T₀ Y Solid mula-mula pada suhu T₀ t < 0

Pelat bawah secara mendadak dinaikkan suhunya menjadi T₁ t = 0 T₁ T₁ y x t kecil t besar

Perkembangan profil suhu steady state

• Pada kondisi steady state, diperlukan laju aliran panas konstan Q melalui slab untuk menjaga beda suhu ∆T = T₁ – T₀.

• Untuk ∆T kecil:

• Jika Y → 0: Konduktivitas panas Hukum Fourier

Hukum Fourier

Bentuk lain persamaan konduksi panas:

(

)

dy

T

C

d

A

q

_y

ρ

_p

α

−

=

p

C

k

ρ

α

=

(Difusivitas panas)

Rangkuman satuan untuk besaran dalam persamaan konduksi

panas

SI

c.g.s

British

q

_y

W/m

2

_cal/cm

2

⋅

_s

_Btu/jam

⋅

_ft

2

T

K

C

F

y

m

cm

ft

k

W/m

⋅

K

cal/cm

⋅

s

⋅

C

Btu/jam

⋅

ft

⋅

F

C

_p

J/K

⋅

kg

cal/C

⋅

g

Btu/F

⋅

lb

_m

α

m

2

_/s

_cm

2

_/s

_ft

2

_/s

µ

Pa.s

g/cm

⋅

s

lb

/ft

⋅

jam

Konduktivitas panas dan kapasitas panas beberapa gas pada

tekanan 1 atm.

Gas Suhu T (K) Konduktivitas panas k (W/m⋅K) Kapasitas panas C_p (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

Konduktivitas panas dan kapasitas panas beberapa liquida bukan

logam pada tekanan jenuhnya

Liquida T (K) k (W/m⋅K) µ × 104 (Pa⋅s) C_p × 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 7949 365,7 64,13 2,418 2,679 2,940 H₂O 300 0,6089 8,768 4,183

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

Problem: Konduktivitas panas

„

Sebuah panel plastik luasnya

A

= 1 ft

2

dan tebalnya

Y

= 0,252

in. didapatkan memindahkan panas pada laju 3,0 W pada

keadaan steady dengan suhu

T

₀

= 24,00

°

C dan

T

₁

= 26,00

°

C

yang dikenakan pada dua permukaan utamanya. Berapakah

konduktivitas plastik dalam cal/cm

⋅

s

⋅

K pada 25

°

C?