BAB II LANDASAN TEORI. baja tahan karat austenit, baja tahan karat ferit, baja tahan karat martensit, dan baja

BAB II LANDASAN TEORI

2.1 Pemilihan Baja Tahan Karat. Salah satu cacat pada penggunaan baja adalah terjadinya karat, yang biasanya dicegah dengan menggunakan pelapisan dan pengecatan. Baja tahan karat adalah semua baja yang tidak dapat berkarat. Baja ini digolongkan secara metalurgi menjadi baja tahan karat austenit, baja tahan karat ferit, baja tahan karat martensit, dan baja tahan karat tipe pengerasan presipitasi. 2.1.1

Pengaruh Unsur-Unsur Paduan Pada Ketahanan Karat Dan Besi Jika Cr dipadukan pada besi diatas 12-13 %, karat yang berwarna merah tidak

terbentuk, karena oleh adanya oksigen diudara terjadi permukaan yang stabil (permukaan pasif). Oleh karena itu baja yang mengandung unsur tersebut dinamakan baja tahan karat. Kalau baja mengandung lebih dari 17 % Cr akan terbentuk suatu lapisan yang stabil. Karat dari lasan baja tahan karat 17 % Cr sering terjadi disebabkan karena presipitasi karbida Cr pada batas butir dan oksidasi Cr dari permukaan karenanya lapisan permukaan menjadi kekurangan Cr yang mengurangi ketahanan karatnya. Kalau Ni dipadukan pada besi, kehilangan berat yang disebabkan korosi didalam asam berkurang dan ketahanan korosi bisa diperbaiki. Baja tahan karat adalah baja paduan yangmemanfaatkan keefektifan unsur paduan tersebut seperti Cr dan Ni dan dapat dibagi menjadi sistim Fe-Cr dan Fe-Cr-Ni. Yang pertama termasuk

Universitas Sumatera Utara

dalam baja martwensit dan ferit dan yang terakhir baja tahan karat austenit. Biasanya Mo, Cu, dsb. Ditambahkan pada baja ini untuk memenuhi maksud tertentu pada penggunaan. 2.1.2 Struktur Baja Tahan Karat Unsur Cr menjadi komponen utama pada baja tahan karat, diagram fasa Fe-Cr ditunjukkan pada diagram dibawah. Cr dapat larut dalam besi memperluas daerah α (ferit). Dalam baja dengan 12 % Cr pada temperature diatas 900 ºC terjadi fasa γ (austenit). Dalam paduan yang nyata, C dan N juga terkandung, jadi fasa γ duiperluas kedaerah yang mempunyai Cr lebih tinggi. Baja tahan karat 12% Cr biasa dipakai, diaustenitkan dari 900 sampai 1000 ºC tergantung kadar C nya, dan dicelup dingin pada minyak. Sehingga mempunyai struktur martensit menjadi baja tahan karat. Pada diagram dibawah, Baja 18% Cr seharusnya mempunyai fasa α dimulai dari temperature pembekuan sampai pada temperature kamar, tetapi karena sebenarnya mengandung 0,003-0,10% dan 0,01-0,02%N, maka kira-kira diatas 930 ºC terbentuk fasa γ. Oleh karena itu perlakuan panas untuk mendapat fasa α dilakukan dibawah 850 ºC, baja itu dinamakan baja tahan karat ferit.


Sumber : Lit. 1 Hal. 102 Gambar 2.1 Diagram fasa Fe-Cr 2.1.3 Jenis baja tahan karat. Ada beberapa jenis baja tahan karat berdasarkanjumlah nikel yang ditambahkan kedalam unsurnya, yaitu : 

baja tahan karat austenit baja tahan karat austenit adalah baja tahan yang unsurnya terdiri atas 0,15 % karbon, sedikitnya 16% unsure logam pelapis nikel, hal ini berfungsi agar baja tersebut tahan sampai dengan temperature lebur baja itu.



Baja tahan karat ferrit Baja tahan karat ferrit lebih baik kualitasnya dibandingkan dengan baja austenit. Pada Baja ferrit terdapat unsure pelapis logam antara 10,5-


27%.sedangkan unsur nikelnya sangat kecil. Secara umum nilai dari baja ferrit meliputi : 18Cr-2Mo, 26Cr-4Mo, dan 29Cr-4Mo-2Ni. 

Baja tahan karat martensit Baja martensit merupakan yang kuat walaupun diberikan pengerjaan keras. Unsurnya terdiri atas pelapis 12-14%, molybdenum 0,2-1%, nikel kurang dari 2% dan karbon 0,1-1%. Sehingga dalam hal ini baja ferrit agak lebih rapuh dibandingkan yang lainnya.



Baja tipe pengerasan presipitasi Baja ini merupakan baja yang paling kuat dibandinkan dengan tipe baja lainnya. Baja ini memiliki unsur pelapis sebesar 17% dan nikel 4%.

Tabel 2.1 Daftar Standarisasi Baja EN – Standart

EN – Standart

ASTM /

No. Baja

Nama Baja

AISI

UNS

Tipe Baja 1.4016

X6Cr 17

430

S43000

1.4512

X6CrTi 12

409

S40900

1.4130

X10CrNi 18-8

301

S30100

1.4318

X2CrNiN 18-7

301LN

N/A

1.4307

X2CrNi 18-9

304L

S30403

1.4306

X2CrNi 19-11

304L

S30403

1.4311

X2CrNiN 18-10

304LN

S30453

1.4301

X5CrNi 18-10

304

S30400

1.4948

X6CrNi 18-11

304H

S30409


1.4303

X5cRNi 18-12

305

S30500

1.4541

X6CrNiTi 18-10

321

S32100

1.4878

X12CrNiTi 18-9

321H

S32109

1.4404

X2CrNiMo 17-12-2

316L

S31603

1.4401

X5CrNiMo 17-12-2

316

S31600

1.4406

X2CrNiMoN 17-12-2

316LN

S31653

1.4432

X2CrNiMo 17-12-3

316L

S31603

1.4435

X2CrNiMo 18-14-3

316L

S31603

1.4436

X3CrNiMo 17-13-3

316

S31600

1.4571

X6CrNiMoTi 17-12-2

316Ti

S31635

1.4429

X2CrNiMoN 17-13-2

316LN

S31653

1.4438

X2CRNIMO 18-15-4

317L

S31703

1.4539

X1NICRMOCU 25-20-5

904L

N08904

1.4547

X1CrNiMoCuN 20-18-7

N/A

S31254

Sumber : Lit. 11 Hal. website

2.2 Alat Perpindahan Panas. Pemindah panas yang khas adalah alat yang dapat memindahkan panas atau energi dari suatu fluida ke fluida yang lain melalui suatu permukaam yang padat. Analisis perubahannya dan perancangannya melibatkan konveksi dan konduksi. Dengankata lain, alat pemindah panas di industrui, terutama industri proses, kebanyakan hanya melibatkan peristiwa konduksi dan konveksi. Alat pemindah panas tersebut adalah panas penukar (Heat Exchanger = HE).penukar panas dibedakan beberapa jenis yaitu :




HE untuk memanasi ( contoh pemanas = heater)



HE untuk mendinginkan ( contoh pendingin = cooler )



HE untuk menguapkan ( contoh penguap = evaporator, ketel uap = boiler)



HE untuk mengembunkan ( contoh pengembun = condensor)

Di dalam HE selalu melibatkan dua fluida melalui batasan dibawah ini : 

Fluida pendingin dan yang didinginkan



Fluida pemanas dan yang dipanaskan

2.2.1 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh Koefisien perpindahan panas menyeluruh (overall heat transfer coefficient ) dimana perpindahan kalor melalui dinding bidang datar .

Gambar 2.2 perpindahan panas menyeluruh


Gambar 2.3 Analogi aliran listrik

Dimana TA dan TB masing-masing ialah suhu fluida pada kedua sisi dinding itu. Koefisien perpindahan-kalor menyeluruh U- didefinisikan oleh hubungan : q = UA ∆Tmenyeluruh 2.2.2 Penukar Panas Dengan Pipa Ganda Dari sudut pandang perpindahan kalor, dinding bidang datar jarang ada penerapan nya. Kasus yang lebih penting untuk mendapatkan perhatian ialah penukar kalor pipa ganda, dalam penerapan ini salah satu fluida mengalir didalam tabung yang lebih kecil, sedang fluida yang satu lagi mengalir didalam ruang anulus diantara kedua tabung. Koefisien konveksidihitung dengan metode yang telah diuraikan.

Gambar 2.4 HE dengan pipa ganda


Gambar 2.5 Analogi listrik Tabel 2.2 Nilai Kira-Kira Perpindahan – Kalor Menyeluruh Situasi Fisis

U Btu / h. ft 2 .0 F

U W / m 2 .0 C

0,45

2,55

Tanpa isolasi

0,25

1,42

Dengan isolasi wol bantuan

0,07

0,4

Jendela kaca lempeng

1,10

6,2

Jendela kaca lempeng rangkap dua

0,40

2,3

Kondensor uap

200-1000

1100-5600

Pemanas air umpan

200-1500

1100-8500

Kondensor Freon 12 dengan mesin pendingin

50-150

280-850

Penukar kalor air ke air

150-300

850-1700

Penukar kalor tabung bersirip, air didalm tabung

5-10

25-55

Penukar kalor air ke minyak

20-60

110-350

Uap ke minyak baker ringan

30-60

170-340

Uap ke minyak baker berat

10-30

56-170

Uap ke minyak tanah atau bensin

50-200

280-1140

5-50

28-280

Diniding luar bata,bagian dalam plester Dinding luar kayu,bagin dalam plester

Penukar kalor tabung bersirip udara ,uap dalam tabung


Kondensor ammonia,air didalam tabung

150-250

850-1400

Kondensor alcohol, air didalam tabung

45-120

255-680

2-8

10-40

Penukar kalor gas ke gas

Sumber Lit. 8 Hal. 124

2.2.3 Faktor Pengotoran

Setelah dipakai beberapa lama, permukaan kalor perpindahan kalor penukar kalor mungkin dilapisi oleh berbagai endapan yang biasa terdapat dalam system aliran atau permukaan yang mungkin mengalami korosi sebagai akibat interaksi antara fluida dengan bahan yang digunakan dalm konstruksi penukar kalor. Dalam kedua hal diatas, lapisan itumemberikan tahanan tambahan terhadap aliran kalor, dalam hal ini menyebabkan penurunan kinerja dari alat itu. Factor pengotoran harus didapatkan dari percobaan yaitu dengan menentukan U, untuk kondisi bersih dan kotor pada penukar kalor itu. Factor pengotoran didefinisikan sebagai :

Rf =

1 1 Ukotor Ubersih


Tabel 2.3 Harga Faktor Pengotoran Normal Jenis fluida

Faktor kekotoran

m 2 . 0 C/W

h-fr 2 . 0 F/Btu Air laut 125 F

0.0005

0.00009

Diatas 125 F

0.001

0.0002

Treated boiler feedwater above 125 F

0.001

0.0002

Minyak bahan baker

0.005

0.00009

Minyak

0.004

0.0007

Uap alcohol

0.0005

0.00009

Steam,non oil bearing

0.0005

0.00009

Industrial air

0.002

0.0004

Refrigating liquid

0.001

0.0002

Sumber Lit. 8 Hal. 126 Perbedaan temperature rata-rata logaritmatik Dalam rangkaian pipa ganda,laju perpindahan panas didefenisikan : q

= UA ∆ Tm

Keterangan : U = koefisien perpindahan panas menyeluruh A = luas perpindahan panas ∆Tm = perbedaan temperature rata-rat yang melintasi plat penukar Untuk aliran paralel, laju perpindahan panas melalui elemen dA : Dq

0

0

= - m h Ch dTh = m c Cc dTc


Keterangan : q = laju perpindahan panas () 0

m h = laju aliran fluida panas 0

m c = laju perpindahan fluida dingin Cc = kapasitas panas fluida dingin Ch = kapasitas fluida panas dTh = beda temperature fluida panas dTc = beda temperature fluida dingin Tipe panas penukar (HE) 

Pipa ganda (double pipe) Contoh : penukar panas



Selongsong dan tabung Contoh : banyak digunakan dalam penukar, pengembunan, penguap (evaporator) dan pemanasan (reboiler).



Coil (koil = lilitan) Contoh : bejana berkoil.

2.2.4 Jenis-jenis Penukar Kalor

Satu jenis penukar kalor yang telah disebutkan ialah susunan pipa ganda. Dalam penukar kalor jenis ini dapat digunakan aliran searah atau aliran lawan arah, baik dengan zat cair panas ataupun zat cair dingin tedapat dalam ruang anulus dan zat cair yang lain didalam pipa dalam. Sejenis penukar kalor yang banyak dipakai dalam


industri kimia ialah model selonsong atau cangkang dan tabung (shell and tube). Suatu fluida mengalir didalam tabung, sedang fluida yang satu lagi dialirkan melalui selonsong melintasi luar tabung. Untuk menjamin bahwa fluida disebelah selonsong mengalir melintasi tabung dan dengan demikian menyebabkan perpindahan kalor lebih tinggi, maka didalam selonsong itu dipasang sekat-sekat (baffles). Bergantung pada konstruksi bagian kepala yang terletak diujung penukar kalor, dapatlah digunakan satu atau dua lintas dalam tabung. Penukar kalor aliran silang banyak dipakai dalam pemanasan dan pendinginan udara atau gas. Dalam penukar kalor ini, fluida yang mengalir melintas tabung disebut arus campur (mixed stream), sedang fluida didalam tabung disebut arus takcampur (unmixed). Gas itu dikatakan bercampur karena dapat bergerak dengan bebas didalam alat itu sambil menukar kalor. Fluida yang satu lagi terkurung didalam tabung saluran penukar kalor dan tidak dapat bercampur selama proses perpidahan kalor. Penukar kalor arus silang jenis lain, gas mengalir melintas berkas tabung bersirip dan arena terkurung didalam saluran-saluran diantara sirip-sirip, tidak bercampur pada waktu mengalir melalui penukar kalor.

2.3 Faktor Pendinginan

Dalam pendinginan faktor kinerja dari instrument yang dipakai sangat berpengaruh besar terhadap hasil pendinginan. Oleh sebab itu dalam penyesuaian


pemakaian komponen yang akan dipakai, harus diketahui karakteristik dari komponen tersebut.

2.3.1 Koil Pendingin

Salah satu fungsi utama sistem refrigerasi adalah meurunkan suhu aliran udara. Satu hal yang selalu terjadi secara alami bersamaan dengan penurunan suhu, yaitu pengurangan kelembaban. Pada pengkondisian udara untuk kenyamanan atau industri, penurunan kelembaban biasanya dianggap sebagai sasaran yang diinginkan. Dalam hal ini di titik beratkan pada pemdinginan dan penurunan kelembaban udara pada daerah suhu antara 5 hingga 35 oC. Sebagian besar koil pendingin biasanya tersusun atas pipa dengan sirip-sirip yang dilekatkan dibagian luarnya, dengan maksud untuk memperluas permukaan yang bersentuhan dengan udara yang pada umumnya koefisien konveksinya lebih rendah dibanding dengan air. Air mengalir didalam pipa, dan udara mengalir dibagian luar pipa yang bersirip. Beberapa istilah dan pengertian tentang konstruksi koil yang sering digunakan adalah : 

Luas bidang muka koil (face area of the coil) : yaitu luas penampang aliran udara pada jalan masuk koil.



Kecepatan udara (face velocity of the air) : yaitu laju volume aliran udara dibagi dengan luas bidang muka koil.




Luas permukaan koil (surface area of the coil) : yaitu luas permukaan perpindahan kalor yang bersentuhan dengan udara.



Jumlah jajar pipa (number of rows of tubes) : yaitu jumlah jajaran (tabung, pipa) yang berada dalam arah aliran udara.

2.3.2 Sirip

Dalam penerapan praktis, luas penampang sirip tidak seluruhnya seragam. Dan juga sirip tersebut tidak mungkin terpasang pada permukaan bundar. Dalam hal demikian luas bidang sirip harus dianggap sebagai variabel. Untuk menunjukkan efektifitas sirip dalam memindahkan sejumlah kalor tertentu dirumuskan sebuah parameter baru, yang disebut efisiensi sirip (fin efficiency) : Efisiensi sirip =

kalor yang sebenarnya dipindahkan  f kalor yang dipindahkan kalau seluruh muka sirip berada pada suhu dasar

Maka efisiensi sirip menjadi :

f =

hPkA o tanh mL tanh mL  hPL o mL

Sirip yang dibahas diatas diandaikan cukup dalam sehingga aliran kalor dapat dianggap satu dimensi. Maka mL dapat dinyatakan sebagai berikut :

mL =

hP L kA

h(2 z  2t ) L kzt


dimana z ialah kedalaman sirip dan t tebalnya. Jika sirip cukup dalam maka suku 2z menjadi sangat besar dibandingkan dengan 2t, sehingga :

mL =

2hz L ktz

2h L kt

jika pembilang dan penyebut dikalikan dengan L1/2, maka kita dapatkan :

mL =

2h 3 2 L kLt

Lt ialah profil bidang sirip, yang kita definisikan sebagai : Am = Lt Sehingga : mL =

2h 3 2 L kAm


(a)

(b)

(e)

(f)

(c)

(g)

(d)

(h)

(i)

Gambar 2.6 berbagai jenis muka sirip menurut kern dan Kraus. (a) sirip longitudinal profil siku empat, (b) tabung silinder profil bersiku empat, (c) sirip longitudinal profil trapezoid, (d) sirip longitudinal profil parabola, (e) tabung silinder sirip radial profil siku empat, (f) tabung silinder sirip radial profil kerucut, (g) duri berbentuk silinder, (h) duri berbentuk kerucut terpotong, (i) duri berbentuk parabola

2.3.3 Kipas

Dalam perencanaan saluran kipas diperlukan kajian yang tepat terhadap penempatan ruang yang sesuai dengan kipas, karena motor kipas banyak menyerap energi.


Hukum-hukum Kipas

Hukum-hukum kipas adalah kumpulan relasi untuk menaksir pengaruh kuantitas seperti kondisi udara, kecepatan putar dan ukuran kipas terhadap prestasi kipas tersebut. 

Hukum I : kecepatan putar berubah-ubah massa jenis udara tetap. Q~ 



SP ~  2

Hukum II : massa jenis udara berubah-ubah, laju alir volume tetap. Q = tetap



P~ 3

SP ~ 

P~ 

Hukum III : massa jenis udara berubah-ubah, tekanan statik tetap. Q~

1



SP = tetap

 ~

1



P~

1



Manfaat dari hukum-hukum ini terletak pada kemampuannya untuk meramalkan perubahan dari kondisi dasar. Hukum I mengisyaratkan apa yang terjasi bila kecepatan kipas berubah-ubah. Hukum II mengantarkan pada perhitungan perubahan tekanan statik dan daya pada kecepatan tetap. Hukum III menyatakan perubahan kecepatan diperlukan untuk mempertahankan suatu kenaikan tekanan yang tetap, bila massa udara berbeda dari kondisi dasar. 2.3.4 Saklar kontrol temperatur

Saklar kontrol temperatur juga disebut dengan : cold control, cooling control, thermostat, saklar termal. Saklar kontrol temperatur dapat mempertahankan suhu yang konstan dalam ruangan pada batas suhu yang telah ditentukan. Alat tersebut


dapat dipakai untuk mengatur suhu : udara, air, air garam, cairan, dan sebagainya didalam : kamar, cold storage, show case, lemari es, bejana air garam dan lain-lain. Saklar kontrol temperatur dapat mengatur suhu dalam suatu ruangan, tanpa haru banyak diperhatikan. Alat tersebut dapat secara otomatis memutuskan dan menghubungkan kembali arus listrik dari saklar magnetik ke motor listrik, katup solenoid, pemanas listrik dan lain-lain. Saklar kontrol temperatur untuk mesin pendingin, apabila suhu ruangan turun, titik kontaknya akan membuka. Setelah suhu ruangan naik lagi, kontaknya akan menutup kembali. Mesin pendingin yang besar untuk mengatur suhu ruangan sekarang sudah tidak banyak yang memakai saklar pemutus tekanan rendah, tetapi memakai saklar kontrol temperatur. Saklar kontrol temperatur dapat dipakai untuk mengatur suhu rendah (cooling) dan suhu tinggi (heating). Alat tersebut dapat ditempatkan didalam ruangan yang sedang dikontrol suhunya atau ditempatkan diluar ruangan yang tidak diatur suhunya, tetapi tabung sensor termal harus ditempatkan didalam ruangan atau pada benda yang harus dikontrol suhunya. Saklar kontrol temperatur untuk refrigerasi komersial, sensor termalnya ditempatkan dalam ruangan yang didinginkan, sedangkan tombol dan alat pengaturnya dapat ditempatkan diluar ruangan. 2.3.5 Tabung Sensor Termal

Tabung sensor termal juga disebut sensor temperatur, feeler bulb, sensing bulb, remote bulb, control bulb, thermal bulb. Sensor termal untuk mengatur suhu berbentuk tabung, diisi dengan fluida yang mudah menguap. Bulb ada juga yang


tidak berbentuk tabung hanya merupakan ujung pipa kapiler atau ujung pipa kapiler tersbut dililit. Ujung pipa kapiler dapat dibuat : lurus (straight), dipilin (twisted) digulung (coiled), untuk memperluas permukaan yang berhubungan dengan bagian yang sedang diukur suhunya. Pipa kapiler panjangnya 1-5 m untuk memindahkan tekanan dari sensor termal ke bellow atau diafragma.

Isi Elemen Daya (Power Element Fill)

Elemen daya harus diisi dengan jumlah dan macam cairan yang tertentu, agar dapat dipakai pada suhu yang berlainan. Cairan yang diisikan untuk suhu tinggi harus ada batasnya dengan maksimum tekanan yang masih dapat diterima oleh bellow. Saklar control temperatur tidak perlu bekerja sampai tekanan didalam elemen daya lebih rendah dari pada tekanan atmosfir, karena diferensial pada suhu rendah sangat sulit diatur. Saklar control temperatur agar dapat dipakai secara luas, elemen termal harus diisi dengan cairan yang tertentu dan dipakai untuk batas suhu yang tertentu. Ada 3 macam pengisian yang banyak dipakai sesuai dengan batas temperatur yang diperlukan : 1. Pengisian suhu rendah (-50 – -10oC) dengan gas. 2. Pengisian suhu tinggi (90 - 190oC) dengan cairan. 3. Pengisian cross ambient (-20 – 100oC) atau pengisian khusus.


2.3.6 Termostat

Termostat adalah alat control untuk mengatur suhu udara dalam ruangan pada batas suhu yang tertentu dengan membuka dan menutup kontak listrik secara automatic. Mengatur suhu dapat dilakukan dari tombol, sedangkan diferensialnya tertentu (fixed) dan telah ditentukan di pabrik. Thermostat dapat dipakai untuk refrigerasi komersial dan untuk mengatur suhu dingin atau panas. Thermostat banyak sekali perencanaannya dengan berbagai model dan bentuk. Thermostat bekerjanya sangat sensitif terhadap perubahan tenperatur, maka harus memakai sensor termal yang juga sensitif terhadap perubahan temperatur. Elemen yang sensitif terhadap perubahan suhu dan dapat menyebabkan kontak listrik atau alat mekanik yang lain membuka atau menutup, yaitu Bimetal.

Gambar 2.7 batang bimetal dengan dengan salah satu ujungnya dipegang (A) pada suhu ruang, lurus dan sama panjang, (B) dipanasi melengkung kea rah invar, (C) didinginkan melengkung ke arah kuningan.

Bimetal dibuat dari 2 logam yang tidak sama jenisnya, tetapi pada suhu ruang mempunyai panjang yang sama. Apabila kedua logam tersebut dipanasi, yang satu


menjadi lebih panjang daripada yang lain. Hal ini disebabkan kedua logam tersebut mempunyai koefisien muai yang berlainan. Logam untuk bimetal dibuat dari kuningan dan invar yang dilekatkan menjadi satu dengan las, sehingga pada suhu ruang membentuk batang yang lurus dan rata. Invar adalah nama dagang, terdiri dari campuran nikel, besi dan logam lain yang mempunyai koefisien muai yang sangat kecil. Kuningan mempunyai koefisien muai yang relatif lebih besar, jadi perubahan muai kuningan lebih besar daripada invar. Apabila bimetal dipanasi, akan melengkung kearah invar. Sebaliknya dengan menurunkan suhunya akan menyebabkan bimetal melengkung kearah kuningan. Setiap kali terjadi perubahan temperatur, juga diikuti oleh perubahan arah lengkungan dari bimetal. Besarnya perubahan lengkungan dapat dipakai secara langsung atau tidak langsung untuk mengubah kedudukan mekanik dan membuka kontak listrik. Untuk mendapatkan gerakan yang lebih besar, bimetal digulung memutar (spiral). Ujung bagian dalam diikat dan dihubungkan dengan rumahnya, sedangkan ujung bagian luar dapat bergerak bebas memutar sesuai dengan perubahan suhu yang diterimanya.

2. 4 Konsep Dasar Perpindahan Kalor

Perpindahan panas mencakup mengenai perpindahan energi karena perbedaan temperature diantara dua benda atau material. Disamping itu perpindahan panas juga meramalkan laju perpindahan panas pada kondisi tertentu.


Persamaan fundamental didalam perpindahan panas merupakan persamaan kecepatan yang menghubungkan kecepatan perpindahan panas sebagai diantara dua sistem dengan sifat termodinamis dalam sistem tersebut. Gabungan persamaan kecepatan,

kesetimbangan

energi,

dan

persamaan

keadaan

termodinamis

menghasilkan persamaan yang dapat memberikan distribusi temperature dan kecepatan perpindahan panas. Jadi, pada dasarnya teori perpindahan panas adalah termodinamika dengan persamaan kecepatan yang ditambahkan.

2.4.1 Hukum Thermodinamika

Thermodinamika merupakan ilmu yang mempelajari tentang

hubungan

( pertukaran ) antara panas dan kerja. Hubungan ini didasarkan pada Hukum Thermodinamika Pertama dan Hukum Thermodinamika Kedua. Prinsip - prinsip dan metode-metode Thermodinamika dipakai pada perencanaan-perencanaan motormotor bakar ( turbin ),pusat-pusat tenaga nuklir, pesawat-pesawat pendingin dengan tenaga listrik, aliran panas dan kesetimbangan reaksi kimia.

Berbagai konsep, model, dan hukum Thermodinamika dan perpindahan kalor dikembangkan dari serangkaian konsep yang di kembangkan dari dunia fisika, model khusus, dan juga hukum yang digunakan untuk memecah masalah dari system rancangan.


2.4.2 Sifat Termodinamika

Bagian penting yang lain dalam menganalisis system termal adalah penentuan sifat termodinamika yang bersangkutan.suatu sifat adalah setiap karakteristik atau cirri bahan yang dijajaki secara kuantatif, seperti suhu, tekanan dan rapat massa. Kerja perpindahan kalor dapat dijajaki dalam hal perubahan sifat-sifatnya, tetapui keduanya bukan merupakan sifat itu sendiri. Suatu sifat adalah segala sesuatu yang dimiliki bahan itu. Kerja dan perpindahan kalor adalah hal yang dilakukan terhadap suatu system untuk mengubah sifat-sifatnya. Kerja dan kalor dapat diukur hanya dengan pembatas system dan jumlah energi yang dipindahkan tergantung pada terjadinya perubahan. Oleh karena termodinamika berkisar pada energi maka seluruh sifat-sifat termodinamika berkaitan dengan energi. Keadaan atau kondisi termodinamika suatu system didefenisikan berdasarkan sifat-sifatnya.

2.4.3 Suhu ( t )

Suhu dari suatu bahan menyatakan keadaan termalnya dan kemampuannya untuk bertukar energi dengan bahan lain yang bersentuhan dengannya. Jadi suatu bahan yang bersuhu lebih tinggi akan memberikan energi kepada bahan lain yang suhunya lebih rendah . titik acuan bagi skala celcius adalah titik beku air ( 0 ºC) dan titik didih air 100 ºC .


Suhu absolute ( T ) adalah derajat diatas suhu nol absolute yang dinyatakan dengan dengan Kelvin : ( K ) ; yaitu T = t ºC + 273. oleh karena itu interval antar suhu pada kedua skala suhu tersebut identik maka beda suhu pada suhu Celcius dinyatakan dengan Kelvin ( K ). 2.4.4 Tekanan ( p )

Tekanan adalah gaya normal (tegak lurus) yang diberikan oleh suatu fluida per-satuan luas benda yang terkena gaya tersebut.tekanan absolute adalah tekanan diatas nol ( tekanan yang sebenarnya yang berada diatas nol ): tekanan pengukuran ( gauge pressure) diukur atas tekanan atmosfer suatu tempat ( nol tekanan pengukuran = tekanan atmosfer ditempat atmosfer ditempat tersebut ). Satuan yang dipakai untuk tekanan adalah newton per-meter kuadrat ( N/m 2 ), juga disebut pascal (Pa).newton adalah satuan gaya. Tekanan atmosfer standart adalah 1,01325 X 105 N/m2 Tekanan dapat diukur dengan dengan instrument seperti tera-ukur tekanan ( pressure gauges) atau manometer yang diperlihatkan secara skematik, dipasang pada suatu saluran udara.oleh karena salah satu ujung manometer terbuka ke atmosfer maka pergeseran muka air dalam manometer hanya menunjukkan tekanan pengukuran.


2.4.5 Kalor Spesifik

Kalor spesifik dari suatu alat bahan adalah jumlah energi yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu-satuan massa bahan tersebut sebesar 1ºK. oleh karena besaran ini dipengaruhi oleh cara proses berlangsung, maka cara kalor ditambahkan atau dilepaskan harus disebutkan. Dua besaran yang umum adalah kalor spesifik pada tekanan tetap (cp). besaran yang kedua lebih banyak berguna bagi kita karena banyak dipakai pada proses pemanasan dan pendinginan dalam teknik refrigasi dan pengkondisian udara. Nilai pendekatan untuk kalor spesifik dari beberapa bahan yang penting adalah sebagai berikut,

1,0kJ / kg.  Cp = 4,19kJ / kg. 1,88kJ / kg. 

Udara kering Air Uap air

Dengan J melambangkan satuan energi, joule.

2.4.6 Entalpi ( h ).

Apabila proses dengan tekanan tetap diatas ditambahkan batasan dengan meniadakan kerja yang dilakukan terhadap bahan, misalnya pada sebuah compressor maka jumlah kalor yang diberikan atau dilepaskan per-satuan massa adalah


perubahan entalpi dari bahan itu. Tabel dan grafik untuk berbagai bahan sudah tersedia. Nilai entalpi ini didasarkan pada sejumlah bidang datar data yang dipilih secara bebas. Sebagai contoh, bidang datar data untuk air dan uap air (steam) adalah suatu nilai entalpi bagi air pada suhu 0 ºC . berlandaskan pada bidang datar tersebut entalpi air pada suhu 100 ºC adalah 419,06 kJ/kg dan uap air pada (steam) pada 100 ºC adalah 2676 kJ/kg.

Sumber Lit. 7 Hal. 16 Gambar 2.8 Diagram Rangka Hubungan Tekanan Tekanan- Entalpi Air


2.4.7 Sifat –Sifat Cairan – Uap

Umumnya sistem pemanasan atau pendingin menggunakan aliran substansisubstansi yang berupa cairan atau uap yang berubah-ubah keadaannya saat menjalani pendauran. Contoh dari substansi ini adalah uap air dan refrigran. Oleh karena tekanan, suhu, dan entalpi adalah sifat penentu selam perubahan, hubungan antara sifat-sifat ini dimuat dalam table atau digambarkan pada grafik misalnya diagram hubungan entalpi yang ditunjukkan pada diagram diatas. Tiga daerah utama dalam diagram ini adalah (1) daerah cairan bawah dingin (subcooled-liquid) pada bagian kiri, (2) daerah cairan uap dibagian tengah, dan (3) daerah uap panas-lanjut (superheated-steam) pada bagian kanan. Dalam daerah 1 hanya terdapat cairan , dalam daerah 3 hanya terdapat uap, dan dalam daerah 2 terdapat cairan dan uap bersama-sama. Daerah 2 dan 3 dipisahkan oleh garis uap jenuh. Bila kita bergeser dari kiri ke kanan sepanjang garis mendatar dengan tekanan konstan, yaitu dari garis cair-jenuh, campuran cairan dan uap berubah dari 100 persen cairan ke 100 persen uap. Tiga garis suhu konstan yang diperlihatkan pada grafik diatas , untuk t = 50 ºC, t = 100 ºC, dan t = 150 ºC . air mendidih pada suhu yang lebih tinggi bila tekanan lebih tinggi. Untuk tekanan pada 12,3 kPa, air mendidih pada suhu 50 ºC, tapi pada tekanan atmosfer standar yaitu 101 kPa, air mendidih pada suhu 100 ºC.


2.5 Pemanasan Dan Pendinginan

Pada kebanyakan proses pemanasan dan pendinginan, misalnya pada pemanas air dan pada ketel., perubahan beberapa bagian energi diabaikan. Sering kali perubahan energi kinetik sebesar  2 /2 dan energi potensial dari titik yang lain sebesar 9,81z

dapat diabaikan jika terlalu kecil dibandingkan dengan besarnya

perubahan entalpi, kerja yang dilakukan atau perpindahan kalor. Apabila dalam proses tidak ada kerja yang dilakukan oleh pompa, compressor atau mesin, maka W = 0. karena itu persamaan energi disederhanakan menjadi.

q + mh1 = mh2

atau

q = m ( h2 - h1 )

artinya, laju perpindahan kalor sama dengan dengan laju aliran massa dikalikan dengan perubahan entalpi. 2.6 Mekanisme Perpindahan Kalor

Mekanisme Perpindahan Kalor dibagi menjadi tiga , yaitu :  Perpindahan Kalor Konduksi  Perpindahan Kalor Konveksi  Perpindahan Kalor Radiasi


2.6.1 Perpindahan Kalor Konduksi

Adanya gradient temperature akan terjadi perpindahan panas. Dalam benda padat perpindahan panas timbul karena gerakan antar atom pada temperature yang tinggi, sehingga atom-atom tersebut dapat memindahkan panas. Didalam cairan atau gas, panas dihantar oleh tumbukan antar molekul.

Gambar 2.9 Diagram Tempertur Vs Posisi

Persamaan Dasar Konduksi :

q = -k A

dT dX

Keterangan : q = laju perpindahan panas k = konduktifitas termal A = luas penampang dT


2.6.1.1 Hukum Umum Konduksi

Hubungan dasar aliran panas melalui konduksi adalah perbandingan antara laju aliran panas yang melintas permukaan isothermal dan gradient yang terdapat pada permukaan tersebut berlaku pada setiap titik dalam suatu benda pada setiap titik dalam suatu benda pada setiap waktu yang dikenal dengan hukum fourier, yaitu :

dq T =-k dA n

Keterangan : A = luas permukaan isotermal n = jarak, diukur normal (tegak lurus) terhadap permukaan q = laju aliran panas yang melintasi permukaan pada arah normal T = temperatur K = konduktifitas termal 2.6.1.2 Konduktivitas Termal

Tetapan kesebandingan (k) adalah sifat fisik bahan atau material yang disebut konduktivitas termal. Satuan yang digunakan dalam konduktivitas termal adalah kal/cm Sk. Untuk mengubah satuan ini ke Btu/ft jam ºR dikalikan dengan 242,9 dan untuk mengubah menjadi W / cm K atau J / cm Sk dikalikan dengan 4,1866. Berdasarkan rumusan itu maka dapatlah dilaksanakan pengukuran dalam percobaan untuk

menentukan

konduktifitas

termal

berbagai

bahan.

Pada

umumnya

konduktivitas termal itu sangat tergantung pada suhu.


Daftar Tabel 2.4 konduktivitas Termal Berbagai Bahan pada 0 0 C Konduktivitas termal

W / m .0 C

Btu/h . ft . ºF

perak ( murni )

410

237

tembaga ( murni )

385

223

aluminium ( murni )

202

117

nikel ( murni )

93

54

besi ( murni )

73

42

Baja karbon, 1% C

43

25

Timbal (murni)

35

20,3

16,5

9,4

kuarsa ( sejajar sumbu )

41,6

24

magnesit

4,15

2,4

marmar

2,08-2,94

1,2-1,7

batu pasir

1,83

1,06

Kaca, jendela

0,78

0,45

Kayu maple atau ek

0,17

0,096

Serbuk gergaji

0,059

0,034

Wol kaca

0,038

0,022

Bahan logam

baja karbon-nikel ( 18% cr, 8% ni )

bukan logam


Zat cair Air-raksa

8,21

4,74

Air

0,556

0,327

Amonia

0,540

0,312

Minyak lumas, SAE 50

0,147

0,085

Freon 12, CCI 2 F2

0,073

0,042

Hidrogen

0,175

0,101

Helium

0,141

0,081

Udara

0,024

0,0139

Uap air ( jenuh )

0,0206

0,0119

Karbon dioksida

0,0146

0,00844

Gas



Sumber Lit. 3 Hal. 9 Gambar 2.10 Konduktifitas Termal Beberapa Zat Cair

2.6.2

Perpindahan Kalor Konveksi

Perpindahan panas terjadi secara konveksi dari pelat ke sekeliling atau sebaliknya. Perpindahan panas konveksi dibedakan menjadi dua yaitu konveksi bebas dan konveksi paksa.


Gambar 2.11 Perpindahan Panas Konveksi

Pada konveksi pelat akan mendingin lebih cepat

Gambar 2.12 Kovensi Paksa


Adapun persamaan dasar konveksi, adalah :

TW > T  q = h A (Tw – T  ) Keterangan :

q = laju perpindahan panas h = koefisien perpindahan panas konveksi A= luas permukaan Tw = temperature dinding T  = temperature sekeliling

2.6.2.1 Prinsip Perpindahan kalor Secara Konveksi

Panas yang dipindahkan pada peristiwa konveksi dapat berupa panas laten dan panas sensible. Panas laten adalah panas yang menyertai proses perubahan fasa, sedang panas sensible adalah panas yang berkaitan dengan kenaikan atau penurunan temperature tanpa perubahan fasa.


2.6.2.2 Jenis Konveksi Menurut Proses Aliran Fluida

Jika proses aliran fluida diinduksi oleh pompa atau sistem sirkulasi yang lain, maka peristiwa konveksi paksa. Jika aliran fluida yang disebabkan oleh pemanasan, maka proses tersebut disebut peristiwa alamiah.

2.6.2.3 Laju Perpindahan kalor

Untuk menyatakan laju perpindahan panas dinyatakan sebagai fluks kalor perhitungannya Didasarkan atas luas perpindahan panas sehingga fluks kalor didefenisikan sebagai laju perpindahan panas persatuan luas dengan satuan Btu / jam s 2 atau Watt / m 2 atas dasar luas bidang tempat berlangsung-nya aliran kalor. Selanjutnya, fluks kalor dihubungkan dengan perbedaan temperature yang ditentukan melalui koefisien perpindahan panas konveksi (konduktans konveksi) h yang didefenisikan sebagai berikut : q = h T A Keterangan : q = fluks kalor A h = konduktan konvektif  T = perbedaan temperature

jika h dan  t diketahui , maka

q dapat dihitung. Untuk sebuah tahanan A

termal dalam peristiwa konveksi didefinisikan sebagai berikut :


R =

1 h

Dimana : R = tahanan termal konvektif h = konduktan konvektif

Daftar Tabel 2.5 Nilai Kira - Kira Koefisien Perpindahan – Kalor Konveksi h Modus

W / m 2 . 0C

Btu . ft 2 . 0F

4,5

0,79

6,5

1,14

Konveksi bebas,ΔT = 30 o Plat vertical, tinggi 0,3 m (1 ft) di udara Silinder horizontal, diameter 5 cm di udara Silinder horizontal, diameter 2 cm

890

157

dalam air Konveksi paksa Aliran udara 2 m/s di atas plat

12

bujur sangkar 0,2 m Aliran udara 35 m/s di atas plat

75

2,1 13,2

bujur sangkar 0,75 m Udara 2 atm mengalir di dalam

26

11,4

tabung diameter 2,5 cm, kecepatan 10 m/s Air 0,5 kg/s mengalir di dalam

3500

tabung 2,5 cm Air udara melintas silinder

180

616

32

Diameter 5 cm, kecepatan 50 m/s


Air mendidih Dalam kolam atau bejana

2500-35.000

440-6200

Mengalir dalam pipa

5000-100.000

880-17.600

Pengembunan uap air, 1 atm 4000-11.300

Muka vertical

9500-25.000

Di luar tabung horizontal

700-2000 1700-4400


2.6.3 Perpindahan Kalor Radiasi

Perpindahan panas oleh perjalanan foton yang tak terorganisasi. Setiap bendabenda terus-menerus memancarkan foton secara serampangan didalam arah,waktu, dan energi netto yang dipindahkan oleh foton tersebut, diperhitungkan sebagai panas. Persamaan Dasar Radiasi :

q =  A (T1 4 - T2 4 )

Keterangan : q = laju perpindahan panas A = luas permukaan

 = tetapan Stefan boltzman T1,T2 = temperature permukaan


Gabungan Konduksi, Konveksi & Radiasi

Gambar 2.13 Gabungan Konveksi, Konduksi, Dan Radiasi

2.6.3.1 Hubungan Persamaan

Kalor Yang Dikonduksi = Kalor Radiasi + Kalor Konveksi

-

kA

dT = FE FG  A (TW 4 -TS 4 ) + h A (TW-T  ) dX

Keterangan : TW = temperatur dinding TS = temperatur sekitar T  = temperatur fluida FE = faktor emisivitas FG = faktor bentuk


2.6.3.2 Analogi Aliran Panas Dan Aliran Listrik

Adapun persamaan dasar untuk aliran panas dan aliran listrik dalam hal ini adalah : Listrik

Panas

V Re

q T = A Rth

i = Keterangan : i

= Arus Listrik

q/A = Arus panas

 V = Beda Potensial  T = Beda Temperatur Re = Tahanan Listrik R

2.7

= Tahanan Panas

Bagian – Bagian Beban Pendingin

Dalam proses pendinginan air, ada beberapa factor yang menjadi beban dalam proses kerjanya. Factor-faktor ini juga sangat besar pengaruhnya. Oleh karena itu pada perencanaan alat pemanas dan pendingin factor-faktor ini harus diketahui.


2.7.1 Beban dari dalam (internal loads)

Sumber- sumber utama perolehan kalor adalah lampu-lampu, penghuni, peralatan-peralatan

yang

dioperasikan

didalam

ruang.beban-beban

internal

merupakan factor utama bagi kebanyakan bangunan bukan rumah tinggal. Jumlah perolehan kalor dari dalam ruang yang disebabkan oleh penerangan bergantung pada daya/wattase lampu-lampu dan jenis/cara pemasangannya. Energi radiasi lampu pertama-tama diserap oleh dinding lantai,dan peralatanperalatan didalam ruangan hingga suhunya naik dengan laju yang ditentukan oleh massanya. Oleh karena suhu permukaan benda tersebut naik dioatas suhu udara , maka dari permukaan tersebut kalor dio dikonveksikan sehingga akhirnya menjadi beban pada sistem pendingin.

Adapun rumusan untuk mengetahui perolehan kalor dari lampu-lampu : q = (daya lampu, watt) (Fu) (Fb) (CLF) Keterangan : Fu = faktor penggunaan atau fraksi penggunaan lampu yang terpasang Fb = factor balas untuk lampu-lampu fluorescent = 1,2 untuk fluorescent biasa. CLF = factor beban pendingin


Tabel 2.6 Faktor Beban Pendinginan Dari Lampu. Lama –jam

Pemasangan X†

Pemasangan Y†

Setelah lampu

Lama-jam penyalaan

Lama-jam penyalaan

Dinyalakan

10

16

10

16

0

0,08

0,19

0,01

0,05

1

0,62

0,72

0,76

0,79

2

0,66

0,75

0,81

0,83

3

0,69

0,77

0,84

0,87

4

0,73

0,80

0,88

0,89

5

0,75

0,82

0,90

0,91

6

0,78

0,84

0,92

0,93

7

0,80

0,85

0,93

0,94

8

0,82

0,87

0,95

0,95

9

0,84

0,88

0,96

0,96

10

0,85

0,89

0,97

0,97

11

0,32

0,90

0,22

0,98

12

0,29

0,91

0,18

0,98

13

0,26

0,92

0,14

0,98

14

0,23

0,93

0,12

0,99

15

0,21

0,94

0,09

0,99

16

0,19

0,94

0,08

0,99

17

0,17

0,40

0,06

0,24

18

0,15

0,36

0,05

0,20



2.7.2 Beban Panas Matahari Pada Permukaan Yang Tidak Tembus Cahaya (opaque surfaces).

Proses perolehan bagi satu dinding opaque dilukiskan secara skematik dalam gambar dibawah ini, sebagian dari energi matahari dipantulkan dan sisanya diserap. Energi diterima ini sebagian dikonveksikan dan sebagian diradiasikan kembali ke luar. Sisanya yang diserap diteruskan ke dalam dengan cara konduksi atau sementara disimpan didalam dinding. Faktor transmisi (penerusan), untuk permukaan yang tak tembus cahaya (opaque) sama dengan nol, karena itu persamaan untuk dinding dan atap,     1 Sehingga persamaan menjadi :

qw 

U w IA h0

Dengan menggunakan suhu udara – matahari, perhitungan beban panas matahari pada permukaan tak tembus cahaya (opaque) lebih mudah dilakukan. Pengaruh penyimpanan termal di dalam dinding – dinding yang tak tembus cahaya tersebut cukup jelas sehingga penggunaan perbedaan suhu dapat menghasilkan penaksiran beban yang berlebih (over estimate). Untuk menyelesaikan pengaruh peyimpanan termal, telah di rumuskan satu beda ekivalen yang disebut beda suhu

beban pendingin (cooling – load temperature difference, CLTD) untuk penampang –


penampang dinding yang umum digunakan. Flux cahaya matahari pada permukaan dan kapasitas termal massa dinding, keduanya diperhitungkan.

Tabel 2.7 Beda Suhu Beban – Pendingin (Cltd) Untuk Atap, 4 K Jenis atap

*

Massa

Kapasitas

persatuan luas,

kalor,

kg/m

kj/m k

2

Waktu matahari 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Atap tanpa langit – langit 1

35

45

3 11 19 27

2

40

75

1

3

90

90

4

150

120

1

5

250

230

6

365

330

34 40 43

44

43

39

33

25 17

10

7 12 17 22

27

31

33

35

34

32

28

2

4

-2 1

5

11

18 25 31

36

39

40

40

37 32

25

0

2

4

8 13 18

24

29

33

35

36 35

32

4

4

6

8

11 15 18

22

25

28

29 30 29

27

9

8

7

8

8 10 12

15

18

20

22

24

25

26

Atap dengan langit – langit 1

45

50

0

5 13 20

2

50

85

1

2

4

3

100

100

0

0

4

150

130

6

4

5

260

240

12 11 11

11 12 13

6

360

340

13 13 13

12 12

28 35 40

43

43

41

37

31 23

15

7 12 17

22 27

31

33

35

34

32

28

2

6 10 16

21 27

31

34

36

36

34

30

4

4

16

20

24

27

29

30

30

15 16

18

19

20

21

21

21

16 17 18

18

6

9 12

13 13

14

15 16


48


BAB II LANDASAN TEORI. baja tahan karat austenit, baja tahan karat ferit, baja tahan karat martensit, dan baja

Recommend Documents