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 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.


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


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


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


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


Evaluasi

Quiz (1&2) Short test Tugas Absen Ujian

Bobot (%) 40 0 20 10 30


Proses Perpindahan

Momentum Energi

PROPERTY

Masa

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

+

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.


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


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


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


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.


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 Tidak perlu gerakan gerakan fluida (dinamika fluida)

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) 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


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)


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


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


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


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


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?


2 SKS

Recommend Documents