Konveksi-Konduksi Pada Sistem Termal Silindris

Pada beragam instalasi industri, baik pada jenis industri proses, industri energi, ataupun pada jenis industri lainnya banyak ditemui sistem-sistem termal dengan geometri yang berbentuk silindris di mana mekanisme perpindahan panas konveksi-konduksi yang berlangsung secara bersamaan. Pada bagian ini akan dibahas sebuah sistem termal silindris yang memiliki dimensi tertentu, dengan aliran fluida bertemperatur tinggi bersirkulasi di bagian dalam pipa dan pada saat yang bersamaan aliran fluida yang lebih dingin bersirkulasi dan berkontak dengan permukaan luar pipa. Tujuan utamanya adalah melakukan analisis kesetimbangan energi pada masing-masing mekanisme perpindahan panas untuk memperoleh gambaran laju perpindahan panas masing-masing mekanisme serta tahanan termalnya.

Sebagai objek studi adalah sistem termal yang diberikan pada Gambar 1. Proses perpindahan panas dimulai dari adanya sejumlah tertentu energi panas yang dipindahkan dari aliran fluida panas yang bertemperatur T1 ke permukaan bagian dalam pipa yang bertemperatur T2 secara konveksi. Setelah itu, jika sistem dianggap adiabatik maka sejumlah energi panas yang sama akan ditransmisikan secara konduksi dari permukaan bagian dalam pipa ke permukaan luar pipa yang memiliki ketebalan tertentu. Selanjutnya, energi panas yang sampai ke permukaan bagian luar pipa dilepaskan ke aliran fluida yang bersirkulasi di luar pipa secara konveksi.

Gambar 1. Mekanisme Perpindahan Panas Sistem Silindris

Perpindahan  Panas Konveksi Aliran Fluida di Dalam Pipa

Pada Gambar 2, tingkat keadaan (1) adalah tingkat keadaan aliran fluida panas yang mengalir di bagian dalam pipa di mana temperatur rata-ratanya adalah sebesar T1 dan koefisien perpindahan panas konveksinya sebesar h1.

Energi panas yang ditransimisikan secara konveksi dari aliran fluida yang lebih panas di dalam pipa berdiameter di dan panjang L, ke seluruh permukaan bagian dalam pipa yang memiliki luas permukaan perpindahan panas konveksi Ai:

Ai = π di L

Laju perpindahan panas konveksinya dapat diperkirakan menggunakan persamaan:

Q12 = hi (Ai) (T1 – T2)

Gambar 2. Perpindahan Panas Konveksi Aliran Fluida di Dalam Tube

atau

Q12 = (T1 – T2)/Rhi

Dengan Rhi tahanan konveksi aliran fluida di dalam pipa:

Rhi = 1/hi.Ai

Perpindahan Panas Konduksi di Dalam Pipa

Selanjutnya, pada gambar 3 tingkat keadaan (2) adalah tingkat keadaan pada permukaan pipa bagian dalam dimana temperatur rata-rata permukaannya T2. Temperatur rata-rata permukaan pipa bagian luarnya adalah T3. Pipa tersebut memiliki diameter dalam sebesar di dan diameter luar sebesar do, serta memiliki konduktivitas termal sebesar k.

Energi panas yang berasal dari fluida panas yang mengalir di dalam pipa kemudian ditransmisikan dalam arah radial secara konduksi dari permukaan dalam ke permukaan luar pipa, karena adanya beda temperatur antara (T2-T3). Laju perpindahan panas konduksinya dapat diperkirakan dengan menggunakan persamaannya:

Q23 = (T2 – T3)/Rw

Gambar 3. Perpindahan Panas Konduksi di Dalam Tube

dengan Rw adalah tahanan termal dinding pipa:

Rw = ln (do/di)/(2πkL)

Perpindahan Panas Konveksi ke Aliran Fluida di Luar Pipa

Tingkat keadaan (3) adalah tingkat keadaan termodinamika permukaan luar pipa dimana temperatur rata-rata permukaannya adalah sebesar T3. Sementara itu, aliran fluida yang bersirkulasi dan berkontak dengan permukaan tersebut memiliki temperatur T4. Koefisien perpindahan panas konveksinya sebesar ho dan luas permukaan perpindahan panas konveksi yang berkontak dengan aliran fluida di luar pipa adalah sebesar Ao.

Energi panas ditransmisikan secara konveksi dari permukaan luar pipa ke fluida yang bersirkulasi dan berkontak dengan permukaan luar pipa berdiameter do yang memiliki luas permukaan perpindahan panas Ao:

Ao = π.do.L

Laju perpindahan panas konveksinya dapat diperkirakan besarnya dengan menggunakan persamaan:

Q34 = hoAo (T3 – T4)

atau

Q34 = (T3-T4)/Rho

Rho adalah tahanan termal konveksi alirandi luar pipa

Rho = 1/ho.Ao

Pada sistem di atas jika sistem dianggap adiabatik maka energi panas yang dipindahkan secara konveksi oleh aliran fluida panas di dalam pipa ke permukaan bagian dalam pipa, kemudian akan dipindahkan ke permukaan luar pipa dengan laju perpindahan panas yang sama. Setelah itu, energi panas yang sama kemudian dipindahkan lagi ke fluida yang ada di luar pipa dengan laju yang sama juga sehingga:

Q12 = Q23 = Q34

Selanjutnya jika kita tinjau sistem termal secara keseluruhan maka akibat adanya beda temperatur antara aliran fluida di dalam pipa yang bertemperatur sebesar T1, dengan aliran fluida bertemperatur T4 yang bersirkulasi dan berkontak dengan permukaan luar pipa, mengakibatkan adanya sejumlah energi panas tertentu yang berpindah dari T1 ke T4 melewati dinding pipa yang memiliki ketebalan tertentu. Laju perpindahan panas total (Q14) yang terjadi karena adanya beda temperatur antara fluida yang ada di dalam pipa dengan fluida yang berada di luar pipa dapat diperkirakan besarnya menggunakan persamaan berikut:

Q12 = Q23 = Q34 = Q14

Di mana:

Q14 = (T1 – T4)/ (Rhi +Rw + Rho)

Untuk lebih memperoleh gambaran yang lebih baik prinsip-prinsip yang dibahas di atas maka marilah kita bahas contoh soal 1 berikut:

Contoh Soal 1

Pada soal ini sebuah sistem termal silinder memiliki diameter luar 50 mm, tinggi 15 cm, dan temperatur permukaan luarnya 227 °C. Silinder tersebut berada di dalam lingkungan udara atmosfer yang bertemperatur rata-rata 27 °C dengan koefisien perpindahan panas konveksi 50 W/m²K. Pada kasus ini kita ingin memperoleh gambaran seberapa besar laju transmisi energi panas dari permukaan silinder bagian luar ke sirkulasi udara di sekitarnya, dan besarnya tahanan termal konveksinya.

Pembahasan:

Prinsip-prinsip perhitungannya adalah sebagai berikut:

Dalam persoalan ini, kita anggap bahwa perpindahan panas radiasi dianggap kecil sehingga diabaikan. Besarnya laju perpindahan panas konveksi dari permukaan silinder ke udara di sekitarnya dihitung dengan menggunakan persamaan:

Q34 = hoAo (T3 – T4)

Disini:

T3 = temperatur permukaan luar silinder 227 °C

T4 = temperatur udara luar 27 °C

ho = koefisien perpindahan panas konveksi aliran udara 50 W/m²K

Gambar sistem contoh soal 1

Ao adalah luas permukaan luar silinder yang berkontak dengan aliran udara, belum diketahui sehingga harus dihitung terlebih dahulu menggunakan persamaan:

Ao = π do L

Dengan menggunakan data:

do adalah diameter luar silinder, diketahui = 50 mm = 0,05

L tinggi silinder, diketahui = 15 cm = 0,15 m

Maka diperoleh Ao = 0,0236 m²

Selanjutnya dengan menggunakan data-data tersebut, sekarang kita dapat menghitung besarnya laju perpindahan panas konveksi menggunakan persamaan:’

Q34 = ho Ao (T3 – T4)

Maka diperoleh Q34 = 234,5 W.

Contoh Soal 2.

Air panas bertemperatur rata-rata 92 °C dengan koefisien perpindahan panas konveksi 1961 W/m²K mengalir di dalam pipa 2 in standar (diameter dalam 5,25 cm, diameter luar 6,03 cm) yang panjangnya 3,5 m dengan kecepatan 25 cm/s. Temperatur permukaan bagian dalam pipa diketahui sebesar 78 °C, dan pipanya adalah pipa baja dengan konduktivitas termal bahan 50 W/mK. Dalam soal ini kita ingin memperoleh gambara seberapa besar temperatur permukaan luar pipa dan temperatur udara yang bersirkulasi di sekeliling permukaan luar pipa, bila koefisien perpindahan panas konveksinya 58 W/m²K.

Gambar sistem contoh soal 2

Besarnya energi panas dipindahkan secara konveksi dari aliran air panas ke permukaan pipa bagian dalam dapat dihitung menggunakan persamaan:

Q12 = (T1 – T2)/Rhi

dengan Rhi:

Rhi = 1/hi.Ai

Dengan menggunakan data:

T1 temperatur air panas di dalam pipa, diketahui = 92 °C

T2 temperatur permukaan dalam pipa, diketahui = 78 °C

hi koefisien perpindahan panas konveksi aliran di dalam pipa = 1961 W/m²K

Ai luas permukaan bagian dalam pipa: Ai = π di L

Dengan, di = 5,25 cm, dan L = 3,5 m, maka Q12 dan Rhi dapat dihitung.

Tahap selanjutnya adalah laju yang sama ditransmisikan dari permukaan dalam pipa ke permukaan bagian luar pipa secara konduksi dan besarnya laju transmisi energi panas tersebut dapat dihitung dengan persamaan:

Q23 = (T2 – T3)/Rw

Di mana Rw tahanan termal konduksi dinding pipa:

Rw = ln (do/di)/ (2πkL)

Pembahasan:

Dengan menggunakan data diameter dalam pipa 5,25 cm, diameter luar pipa 6,03 cm, panjang pipa 3,5 m dan konduktivitas termal bahan pipa 50 W/mK maka harga tahanan termal konduksi Rw dapat dihitung.

Kemudian dengan menggunakan harga Rw tersebut, serta harga Q23 = Q12 dan T2 temperatur permukaan dalam pipa 78 °C maka temperatur permukaan luar pipa T3 dapat dihitung melalui persamaan:

Q23 = (T2 – T3)/Rw

Perhitungan temperatur rata-rata udara yang berkontak dengan permukaan luar pipa. Temperatur rata-rata udara yang berkontak dengan permukaan luar pipa (T4) dapat dihitung melalui persamaan:

Q34 = (T3-T4)/Rho

Rho tahanan termal konveksi aliran udara di luar permukaan pipa bagian luar dihitung terlebih dahulu menggunakan persamaan:

Rho = 1/ho.Ao

Ao dihitung menggunakan persamaan:

Ao = π do L

Dengan menggunakan data: do = 6,03 cm = 0,603 m, L = 3,5 m serta ho = 58 W/m²K maka harga Rho dapat dihitung.

Kemudian dengan menganggap sistem dianggap adiabatik maka Q23 = Q12 = Q34 dan dengan menggunakan harga T3 yang sudah dihitung sebelum ini, maka besarnya T4 dapat dihitung.

Pengaruh tambahan bahan isolasi. Jika sekarang pipa diisolasi dengan bahan (k = 0,05 W/mK) setebal 4 cm, maka kita dapat memiliki data-data dimensi sebagai berikut:

Diameter permukaan dalam pipa tetap sama, yaitu d2 = di = 5,25 cm

Diamater luar pipa adalah sama dengan diameter dalam isolasi yaitu d3 = do = 6,03 cm.

Diameter luar permukaan isolasi: d4 = d3 +tebal isolasi = 6,03 cm + 4 cm = 10,03 cm

Konduktivitas termal bahan pipa, kp = 50 W/mK

Konduktivtas termal bahan isolasi, Kis = 0,05 W/mK

Panjang pipa sama dengan panjang lapisan isolasi, L = 3,5 m

Koefisien perpindahan panas konveksi udara luar, ho = 58 W/m²K

Oleh karena itu, dengan cara yang sama seperti yang telah dibahas pada bagian sebelum ini kita dapat memperkirakan besarnya temperatur masing-masing permukaan batas dan tahanan termal masing-masing komponen sistem.

Referensi: Teknik Perpindahan Energi Panas, Chandrasa Soekardi

Perpindahan Panas Konduksi Pada Sistem Silindris

Sistem termal berbentuk silinder banyak dipergunakan pada beragam jenis instalasi industri untuk berbagai keperluan proses pemanasan, pendinginan, penguapan, dan lain-lain. Proses pertukaran energi panas di dalam peralatan penukar kalor untuk keperluan berbagai proses tersebut pada umumnya didominasi oleh mekanisme perpindahan panas konduksi dan konveksi. Fokus utama para pelaku industri adalah bagaimana memperoleh rancangan sistem termal yang baik sehingga dapat beroperasi pada kinerja dan efektifitas perpindahan panas yang tinggi. Apabila hal tersebut terealisasi maka dapat memberikan kontribusi terhadap efisiensi energi pada instalasi industri. Agar dapat memberikan kontribusi terhadap upaya tersebut, maka diperlukan pemahaman yang baik tentang konsep dan prinsip perpindahan energi panas pada sistem termal silindris, dan materi pada postingan ini akan mengulas tentang konsep dan prinsip-prinsip tersebut beserta contoh penerapannya.

Perpindahan Panas Konduksi Pada Sistem Silindris

Pada bagian pertama akan dibahas konsep perpindahan panas konduksi pada sebuah sistem termal silindris dengan geometri yang sederhana. Kemudian pada bagian selanjutnya akan diulas prinsip untuk memperkirakan lamanya energi panas dipindahkan pada suatu bahan tertentu dari suatu permukaan lainnya yang bertemperatur lebih rendah, serta konsep tahanan termal bahan.

Kebanyakan sistem termal yang dipergunakan di industri adalah sistem termal berjenis tubular, yaitu sistem termal dengan komponen utama berbentuk kumpulan pipa atau tube dengan permukaan perpindahan panas berbentuk silinder sebagai media tempat terjadinya pertukaran energi panas. Pada Gambar 1 adalah salah satu contoh sederhana tentang gambar proses pertukaran energi panas yang berlangsung pada salah satu pipa yang terdapat di dalam sebuah alat penukar kalor tubular.

Pada gambar tersebut, aliran fluida yang mengalir di bagian dalam pipa adalah aliran fluida pendingin yang akan menyerap sejumlah tertentu energi panas yang berasal dari aliran fluida yang lebih panas yang bersirkulasi dan berkontak dengan permukaan luar pipa.Karena adanya perbedaan temperatur antara aliran fluida di luar pipa dengan aliran fluida yang bersirkulasi di dalam pipa maka terdapat sejumlah tertentu energi panas yang ditransmisikan dari aliran fluida panas ke arah aliran fluida dingin di dalam pipa melalui perantaraan dinding pipa bagian luar ke permukaan dinding pipa bagian dalam.

Gambar 1. Perpindahan panas pada pipa silinder

Energi panas pertama-tama ditransmisikan secara konveksi dari aliran utama ke permukaan pipa bagian luar. Setelah itu, energi panas tersebut ditransmisikan dari permukaan luar pipa ke permukaan dalam pipa secara konduksi sepanjang ketebalan yang dimiliki pipa. Selanjutknya, energi panas yang sama ditransmisikan ke arah aliran fluida pendingin yang mengalir di dalam pipa secara konveksi. Pada kebanyakan peralatan penukar kalor tubular perpindahan panas secara radial di antara fluida panas dan fluida dingin lebih dominan dibandingkan dengan gradien temperatur dalam arah longitudinal. 

Skema sebuah sistem termal silindris sederhana di mana aliran fluida panas bersirkulasi di bagian dalam silinder, sementara permukaan luar pipa berkontak dengan udara atmosfer yang temperaturnya lebih rendah sehingga terdapat sejumlah tertentu energi panas ditransmisikan ke arah fluida udara atmosfer diberikan pada Gambar 2. Sementara Gambar 3 adalah skema sederhana sistem termal pipa silindris di mana berlangsung perpindahan panas konduksi satu dimensi dalam arah radial. Pada sistem tersebut, pipa silindris terbuat dari bahan tertentu memiliki panjang L, permukaan bagian dalam pipa memiliki jari-jari sebesar ri dan temperatur bagian dalam Twi yang lebih besar daripada permukaan bagian luar pipa yang bertemperatur sebesar Two dan berjari-jari ro.

Gambar 2. Sistem termal pipa silindris

Jika perpindahan panas konduksi dianggap hanya berlangsung dalam arah tegak lurus permukaan atau dalam arah radial maka laju perpindahan panas konduksi radial (Qw) per satuan luas permukaan dapat dinyatakan oleh persamaan:

Qw/Ar= -k dT/dr                   (Persamaan 1)

Dimana:

Ar = luas permukaan perpindahan bagi permukaan yang memiliki jari-jari sebesar r

k = konduktivitas termal bahan pipa

dT/dr = gradien atau perubahan temperatur dalam arah r

Sementara itu, karena harga r bervariasi sepanjang arah radial maka luas permukaan Ar dapat dinyatakan dengan persamaan:

Ar = 2 π r L                   (Persamaan 2)

Gambar 3. Perpindahan panas konduksi arah radial

Kemudian dengan menggunakan persamaan (2) maka persamaan (1) dapat ditulis sebagai berikut:

Qw = – K (2 π r L) dT/dr       (Persamaan 3)

atau:

Qw dr/r = -k (2 π L) dT          (Persamaan 4)

Selanjutknya, apabila persamaan tersebut diintegrasikan dari mulai permukaan dalam yang berjari-jari sebesar ri dan bertemperatur Twi, ke permukaan luarnya yang berjari-jari ro dan bertemperatur Two maka kita akan memiliki persamaan:

∫Qw dr/r = ∫ – k 2 π L dT         (Persamaan 5)

(Integral dari ri sampai ro) dan (Integral dari Twi sampai ke Two)

indeks w artinya wall atau dinding.

Gambar 4. Luas permukaan perpindahan panas dalam dan luar pipa

Kemudian, karena besarnya laju perpindahan panas Qw dan harga konduktivitas termal bahan pipa, k dapat dianggap konstan, maka persamaan 5 dapat disederhakan menjadi berbentuk:

Qw ∫dr/r = – 2 π k L∫ dT     (Persamaan 6)

Selanjutnya, jika persamaan 6 tersebut kita integrasikan maka kita akan memiliki persamaan:

Qw ln (ro/ri) = – 2 π k L (Two – Twi)    (Persamaan 7)

Di sini, karena permukaan bagian dalam pipa lebih panas maka Twi lebih besar daripada Two, maka persamaan 7 dapat ditulis menjadi:

Qw ln (ro/ri) = 2 π k L (Twi – Two)              (Persamaan 8)

Persamaan 8 tersebut juga dapat dituliskan dalam bentuk yang lain:

Qw = (Twi – Two)/ [ln(ro/ri)/ 2 π k L]            (Persamaan 9)

atau 

Qw = (Twi – Two)/Rw                                      (Persamaan 10)

Dengan Rw adalah tahanan termal dinding pipa:

Rw = ln (ro/ri) /2 π k L                                      (Persamaan 11)

Persamaan 11 memperlihatkan bahwa semakin tebal dinding pipa maka akan semakin besar pula tahanan termal konduksi yang dimilikinya, sehingga laju perpindahan panasnya atau juga efektifitas perpindahan panasnya dapat menjadi lebih rendah.

Untuk memperoleh pemahaman yang lebih mantab tentang prinsip perpindahan panas yang dibahas di atas maka marilah kita tinjau contoh soal 1 di bawah ini:

Contoh soal 1:

Pada contoh soal ini kita akan menghitung seberapa besar laju perpindahan energi panas secara konduksi dari permukaan dalam pipa ke permukaan luar sebuah pipa penukar kalor. Dalam hal ini dinding pipa penukar kalor kita anggap terbuat dari bahan tertentu yang memiliki konduktivitas termal bahan 52 W/mK.

Pipa tersebut berdiameter dalam 16 mm, diameter luar 20 mm, dan panjang pipa 3 m. Sementara itu, di bagian dalam pipa bersirkulasi aliran fluida oli panas yang menyebabkan temperatur permukaan bagian dalam pipa 80 °C. Sementara itu, temperatur permukaan luar pipa diketahui sebesar 30 °C.

Pembahasan:

Besarnya laju perpindahan energi panas secara konduksi dari permukaan dalam pipa ke permukaan pipa penukar kalor dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 9

Qw = (Twi – Two)/ [ln(ro/ri)/ 2 π k L]   

Sebelum menggunakan persamaan tersebut, terlebih dahulu kita identifikasi besaran-besaran apa saja yang sudah diketahui, kemudian menyetarakan satuan-satuannya.

Di sini kita memilih bekerja dengan satuan SI, sehingga kita memiliki data berikut:

Temperatur dalam pipa, Twi = 80 °C = (80 + 273) K = 353 K

Temperatur luar pipa, Two = 30 °C = (30 + 273) K = 303 K

Konduktivitas termal bahan pipa, k = 52 W/mK

Panjang pipa, L = 3 m

Jari-jari dalam pipa, ri = 16 mm/2 = 8 mm = 0,008 m

Jari-jari luar pipa, ri = 20 mm/2 = 10 mm = 0,01 m

Setelah semua besaran tersebut telah berada dalam sistem satuan standar yang sama, maka barulah kita melakukan perhitungan

(Twi – Two) = 353 K – 303 = 50 K

ln (ro/ri) = 0,22

Selanjutknya dengan menggunakan persamaan:

Qw = (Twi – Two)/ [ln(ro/ri)/ 2 π k L]   

Perhitungan memberikan hasil:

Qw = 219.518 W = 219.518 J/s

Hal tersebut berarti bagi sistem termal dengan kondisi termal seperti yang diberikan di atas, laju perpindahan panasnya adalah sebesar 219.518 J/s atau 219,5 kJ/s

Dalam arti yang lain, pada sistem termal tersebut terdapat sejumlah energi panas sebesar 219.518 Joule yang ditransmisikan per detik dari permukaan bagian dalam ke permukaan bagian luar pipa.

Referensi: Teknik Perpindahan Energi Panas, Chandrasa Soekardi

Menghitung Kehilangan Panas Melalui Jendela

Untuk memahami dengan baik konsep perpindahan panas terutama konduksi, kita bisa mengamati dan mengevaluasi instrumen yang terdekat dengan kita, semisal jendela rumah. Terfikir nggak berapa sih panas yang hilang melalui dinding kaca jendela dalam satu jam, umpamanya. Baik, langsung saja perhatikan baik-baik contoh soal berikut!

Sebuah kantor kecil memiliki jendela berukuran 3×4 ft di satu dinding. Jendela itu terbuat dari kaca satu panel dengan tebal  1/8 in (0,125 in). Saat hendak mengevaluasi sistem pemanasan dan ventilasi gedung, seorang insinyur perlu menghitung kehilangan panas melalui jendela pada hari musim dingin. Meskipun perbedaan suhu udara di dalam dan di luar kantor jauh lebih besar, akan tetapi kedua permukaan kaca (permukan kaca bagian dalam dan luar) hanya berbeda 3 °F.
Dalam satuan watt, berapa jumlah panas yang hilang melalui jendela setiap jam?

Pendekatan
Untuk menghitung aliran panas konduktif melalui jendela, kita dapat  menerapkan Persamaan konduksi. Konduktivitas termal gelas tercantum pada Tabel dibawah yakni 0,50 (Btu / jam) / (ft.F). Setelah menghitung kehilangan energi dalam satuan Btu, kita kemudian akan mengonversi ke satuan SI watt dengan menerapkan konversi faktor 1 Btu = 1055 J

Solusi:

Kita gunakan persamaan:

Q = h . A . ΔT/Δx

Agar satuan dalam persamaan diatas konsisten, maka kita perlu mengkonversi tebal jendela (Δx) sebagai berikut:

Δx = (0,125 in) (1/12 ft/in)

Δx = 0,01042 ft

Kehilangan panas dalam 1 jam menjadi:

Q = (0,5 (btu/h)/(ft F) . (3 ft x 4 ft) (1 h) (3 F) / (0,01042 ft)

Q = 1728 Btu

Jika dinyatakan dalam satuan S1, maka akan menjadi

Q = (1728 Btu) (1055 J/Btu)

Q = 1,823 x 10^6 J

Karena panas mengalir secara kontinyu selama satu jam, maka laju kehilangan panas rata-rata (per detik) menjadi 

Q/Δt = (1,823 x 10^6 J/h) (1/3600 h/s)

Q/Δt = 506, 4 J/s

Q/Δt = 506,4 W

Diskusi
Dalam praktiknya, suhu permukaan jendela sulit diukur karena perpindahan panas konveksi terjadi antara jendela dan suhu udara di sekitarnya. Pemanas listrik kecil dalam kisaran 500-W akan cukup untuk mengimbangi tingkat kehilangan panas ini.

Referensi: an Introduction to Mechanical Engineering, Kemper Lewis & Jonathan Wickert

Perbedaan Baja Roll Panas dan Baja Roll Dingin

Baja roll panas atau baja roll dingin – mana yang harus dipilih? Salah satu bagian penting dari pekerjaan seorang insinyur adalah memilih bahan yang tepat untuk aplikasi mereka. Sudah ada banyak jenis logam untuk dipilih. Masing-masing dengan kelebihan dan kegunaannya sendiri. Beberapa jenis baja sangat cocok untuk peralatan rumah tangga, yang lain untuk industri otomotif atau kelautan, tangki gas, konstruksi, dll.

Namun, masih ada satu lagi perbedaan. Grade material dengan komposisi kimia yang sama mungkin memiliki kualitas yang bervariasi tergantung pada metode pembuatannya. Pelanggan kami telah meminta perbedaannya. 

Baja Roll Panas (Hot Rolled Steel)

Pengerjaan panas lebih banyak digunakan dibandingkan dengan pengerjaan dingin karena membutuhkan sedikit tenaga dan energi. Pengerjaan Panas digunakan dalam metode pembentukan tekan seperti penggulungan, ekstrusi, penempaan, dll.

Metode Penggulungan Panas (Hot Rolling)
Penggulungan panas terjadi pada suhu di atas suhu rekristalisasi material. Pada baja, suhu naik di atas 1000 ° C.

Gambar. Logam panas dalam proses pengerolan panas

Bahan awal biasanya berupa billet baja atau lempengan. Langkah pertama, lempengan dipanaskan di atas suhu yang disebutkan di atas. Langkah selanjutnya adalah memasukkannya ke mesin rolling. Proses Rolling yang kontinu memberikan bentuk akhir yang diinginkan , yakni lembaran logam (3 mm ke atas) atau profil.

Sifat Baja Roll Panas
Karena mudah untuk membentuk logam pada suhu tinggi tanpa penundaan yang lama, maka sangat mungkin untuk memproduksi dalam jumlah yang lebih besar daripada baja roll dingin. Hal ini membuat harga pasar baja roll panas lebih rendah.

Baja mendingin pada suhu kamar. Hal ini dikenal sebagai normalisasi. Normalisasi mengubah struktur mikro material dengan cara menghasilkan peningkatan daktilitas (keuletan) dan ketangguhan. Keuletan sangat penting saat membentuk material (misal Penekukan Lembaran logam) untuk memberikannya bentuk yang dibutuhkan.

Namun, baja roll panas tidak memiliki kualitas terbaik. Karena mereka mengalami penyusutan selama proses pendinginan. Hal tersebut meninggalkan tegangan internal (baca tegangan sisa) pada logam. Hasilnya adalah pengukuran yang tidak seragam dan beberapa distorsi. Toleransi dimensi material dapat bervariasi antara 2 – 5%. Selain itu, permukaannya memiliki lapisan bersisik. Ini adalah sejenis oksida yang terbentuk pada suhu tinggi, yang dikenal sebagai mill scale 

Adalah mudah untuk mengidentifikasi produk roll panas dengan menyentuh permukaan karena hasil yang tidak rata tetapi juga memiliki lapisan berminyak. 

Gambar. I-beams digunakan secara luas dalam bidang konstruksi

Baja roll panas adalah pilihan yang baik bila toleransi yang ketat tidak terlalu dipentingkan. Ada banyak bidang di mana aspek tersebut menjadi perhatian. Keuntungannya yang besar dalam hal harga lebih penting daripada presisi. Beberapa kegunaan umum untuk baja roll panas adalah:

1. Konstruksi
2. Pipa dan tabung
3. Bingkai truk
4. Pintu dan rak
5. Jalur kereta api

Baja Roll Dingin

Cold working (pengerjaan dingin) adalah metode pembentukan logam yang memiliki banyak keunggulan dibandingkan hot working. Secara teknis, pengerjaan dingin termasuk pengerolan dingin dan pembentukan dingin. Yang pertama adalah proses yang digunakan pada lembaran logam. Yang kedua digunakan pada batang persegi panjang dan bulat.

Berbeda dengan hot rolling, cold rolling terjadi pada logam di bawah suhu rekristalisasi. Ini masih setengah kebenaran. Seluruh proses dimulai seperti rolling panas untuk memberikan bentuk awal tanpa banyak perlawanan. Setelah itu, logam dibiarkan dingin pada suhu kamar.

Setengah produk kemudian diumpankan ke pabrik reduksi dingin. Logam digulung dengan ketebalan 0,5 – 3 mm untuk baja ringan dan 0,5 – 5 mm untuk stainless steel. Bahan didinginkan dengan menggunakan minyak yang juga bertindak sebagai pelumas selama proses penggulungan. Saat lembaran logam semakin tipis di antara gulungan, kecepatannya meningkat. Itu berarti keausan material dan deformasi akan meningkat jika film minyak tidak ada di sana untuk meminimalkan kontak. Oleh karena itu, baja diroll dingin dapat diidentifikasi dari permukaannya yang berminyak dan halus.

Saat pengerjaan berlangsung pada suhu di bawah suhu kristalisasi ulang, pengerasan regangan terjadi. Gulungan menyebabkan deformasi plastik. Dengan demikian, kekuatan luluh baja roll dingin lebih tinggi dari baja roll panas. Sebagai contoh, produk baja roll panas bisa memiliki kekuatan luluh 235 MPa. Sebagai perbandingan, produk baja roll dingin dengan komposisi kimia yang sama memiliki kekuatan luluh 365 MPa.

Keuntungan utama dari proses pengerjaan dingin adalah:

1. Dimensi akhir yang  akurat
2. Permukaan yang bersih
3. Sifat kekuatan yang lebih besar

Penggunaan Baja Roll Dingin

Gambar. Furnitur dari baja roll dingin

Walaupun baja roll dingin lebih mahal daripada baja roll panas, keuntungan yang disebutkan di atas membuatnya berguna untuk banyak aplikasi. Produk jadi membutuhkan lebih sedikit finishing tambahan pada permukaannya untuk mencapai hasil yang baik, karena permukaannya sudah cukup halus. Contoh penggunaan baja roll dingin meliputi:

1. Perabot logam
2. Bagian struktur (konstruksi)
3. Peralatan rumah tangga
4. Pemanas air
5. Wadah logam
6. Bilah kipas
7. Panci penggorengan
8. Lemari komputer

Saat memilih bahan yang tepat untuk produk Anda, pastikan anda memahami perbedaan kedua metode pembuatan bahan ini. Tidak ada gunanya menghabiskan lebih banyak uang untuk sesuatu yang sebenarnya tidak Anda butuhkan. Oleh karena itu, baja roll panas adalah pilihan yang lebih baik ketika permintaan tidak tinggi. Jika sebaliknya, gunakan baja roll dingin. 

Referensi: https://fractory.com/hot-rolled-steel-cold-rolled-steel/

8 Proses Dasar Termodinamika

Keadaan sistem termodinamika dapat diubah dengan berinteraksi terhadap sekitarnya melalui kerja dan panas. Ketika perubahan ini terjadi dalam suatu sistem, dikatakan bahwa sistem sedang mengalami proses.

Siklus termodinamika adalah urutan proses yang berbeda yang dimulai dan berakhir pada keadaan termodinamika yang sama.

Ke delapan proses tersebut adalah:

1. Isothermal: temperature konstan, T=C
2. Isobaric: tekanan konstan, P=C
3. Isokhoric, Volume konstan, V=C
4. Adiabatic: tidak ada perpindahan kalor, Q=0
5. Reversible (mampu balik)
6. Irreversible (tak mampu balik)
7. Quasistatic

Gambar 1. Proses Termodinamika Untuk Semua diagram PV

1. Proses isotermal terjadi pada suhu konstan. Karena energi internal gas hanya fungsi dari suhunya saja, maka ΔU = 0 untuk proses isotermal. Untuk ekspansi isotermal gas ideal, kita memiliki W = nRT ln (V2 / V1). W positif jika V2> V1. Karena ΔU = 0, panas yang ditransfer ke gas adalah ΔQ = W.
2. Proses isobarik adalah proses yang terjadi pada tekanan konstan. Kita memiliki W = P (V2 – V1). Jika tekanan gas ideal dijaga konstan, maka suhunya harus meningkat ketika gas mengembang. (PV / T = konstan.) Panas harus ditambahkan selama proses ekspansi.
   Kita mendefinisikan entalpi H sistem dengan persamaan H = U + PV. Entalpi merupakan properti fisik sistem. Entalpi memiliki dimensi energi dan satuan SI entalpi adalah Joule.
   Untuk proses isobarik kita menulis

   ΔU = ΔQ – ΔW = ΔQ – P (V2 – V1)
   

   atau, mengatur ulang istilah, ΔH = ΔQ. Ungkapan ini, sering digunakan dalam kimia, dapat dianggap sebagai bentuk isobarik dari hukum pertama . ΔH = ΔQ hanya berlaku untuk proses isobarik. Reaksi kimia (termasuk yang biologis) sering terjadi pada tekanan konstan, dan kemudian ΔQ sama dengan perubahan dalam sifat fisik sistem.

3. Proses adiabatik adalah proses di mana tidak ada panas yang masuk atau meninggalkan sistem. Kita kemudian memiliki ΔU = -ΔW, misal, ΔW sama dengan perubahan dalam properti fisik sistem. Properti fisik sistem hanya bergantung pada kondisi sistem (P, V, T), bukan pada cara sistem dimasukkan ke dalam kondisi ini.
4. Dalam praktiknya ada dua cara berbeda untuk mencegah perpindahan panas.

   (a) Berikan isolasi termal sistem yang sangat baik.
   (b) Selesaikan proses dalam interval waktu yang sangat singkat, sehingga tidak ada waktu untuk perpindahan panas yang cukup besar. Proses pembakaran di dalam mesin mobil pada dasarnya adiabatik untuk alasan ini.

5. Proses isovolumetrik atau isometrik atau isokhorik berlangsung pada volume konstan. Maka, W = 0 dan ΔU = ΔQ. Semua panas yang ditambahkan ke sistem meningkatkan energi internalnya.
6. Proses reversibel: Proses di mana sistem dan sekitarnya dapat dikembalikan ke keadaan awal dari keadaan akhir tanpa menghasilkan perubahan apa pun dalam sifat termodinamika alam semesta.
7. Proses ireversibel : Proses ireversibel juga disebut proses alami karena semua proses yang terjadi di alam adalah proses ireversibel.
8. Proses quasistatic:
   Sebuah proses quasistatic adalah model ideal dari proses termodinamika yang terjadi secara lambat tanpa batas. Penting untuk dicatat bahwa tidak ada proses nyata yang quasistatic. Dalam praktiknya, proses-proses semacam itu hanya dapat diperkirakan dengan melakukannya secara sangat lambat. Sebuah proses quasistatic sering memastikan bahwa sistem akan melalui urutan keadaan yang sangat dekat dengan kesetimbangan (sehingga sistem tetap dalam kesetimbangan quasistatic), dalam hal ini proses biasanya reversibel.

Sumber: https://learnmech.com/8-basic-thermodynamic-processes-basic-of-thermodynamics/

Jenis-Jenis Penukar Kalor

Penukar panas adalah perangkat yang memfasilitasi pertukaran panas antara dua cairan yang berada pada suhu yang berbeda sekaligus menjaga mereka dari pencampuran satu sama lain. Perpindahan panas pada penukar panas umumnya berupa konveksi pada setiap cairan dan konduksi melalui dinding yang memisahkan kedua cairan. Untuk menjelaskan kontribusi semua efek konveksi dan konduksi, koefisien perpindahan panas keseluruhan, U, digunakan di dalam analisis. Kecepatan perpindahan panas tergantung pada perbedaan suhu antara dua fluida di lokasi dan kecepatan fluida (waktu interaksi) antara fluida-fluida tersebut.

JENIS PENUKAR PANAS

Karena perbedaan jenis penerapan untuk pertukaran panas, diperlukan pula jenis-jenis perangkat keras dan konfigurasi yang berbeda dari penukar panas. Hal ini ini menghasilkan berbagai desain penukar panas yang lain dan tak terbatas.

Penukar panas pipa ganda (penukar panas paling sederhana)

Terdiri dari dua pipa konsentris dengan diameter berbeda. Dalam aplikasi, satu fluida melewati pipa berdiameter lebih kecil sementara yang lain mengalir melalui ruang annular di antara kedua pipa. Aliran cairan dapat disususn menjadi:

• Aliran paralel

Kedua cairan (fluida panas dan fluida dingin) memasuki penukar panas pada sisi yang sama dan bergerak ke arah yang sama untuk meninggalkan sisi lainnya seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

• Aliran balik

Pada jenis susunan ini, fluida dingin dan panas memasuki penukar panas di ujung yang berlawanan dan mengalir dalam arah yang berlawanan seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini:

 

Penukar panas kompak

Jenis penukar panas ini dirancang untuk memungkinkan area permukaan perpindahan panas yang besar per satuan volume. Rasio luas permukaan perpindahan panas dari penukar panas dengan volumenya disebut densitas luas  β. Penukar panas dengan β> 700 diklasifikasikan sebagai penukar panas kompak, misalnya radiator mobil, demikian pula paru-paru manusia adalah yang terpanjang lainnya. Mereka memungkinkan tingkat transfer panas yang tinggi antara cairan dalam volume yang kecil. Oleh karena itu, mereka paling cocok untuk aplikasi dengan batasan ketat pada berat dan volume penukar panas. Mereka sebagian besar digunakan dalam penukar panas gas-ke-gas dan gas-ke-cair untuk menangkal koefisien perpindahan panas yang rendah yang terkait dengan aliran fluida dengan luas permukaan yang meningkat. Dua cairan dalam jenis penukar panas ini bergerak dalam arah yang saling tegak lurus, konfigurasi aliran yang disebut sebagai cross-flow. Jenis aliran ini dapat diklasifikasikan sebagai aliran tidak dicampur atau dicampur.

(i) Aliran yang tidak dicampur

Sirip pelat memaksa cairan mengalir melalui jarak antar sirip tertentu dan mencegahnya bergerak ke arah melintang.

(ii) Aliran campuran
Cairan bebas bergerak ke arah melintang. adanya pencampuran dapat memiliki efek buruk dan signifikan pada karakteristik perpindahan panas penukar panas.

Penukar panas shell dan Tube

Berisi sejumlah besar tabung (tube) yang dikemas dalam cangkang (shell) dengan sumbunya sejajar dengan cangkang. Satu cairan mengalir melalui tabung sementara yang lain mengalir melalui cangkang tetapi di luar tabung. Baffles yang ditempatkan di shell meningkatkan waktu aliran cairan sisi-shell dengan memaksanya mengalir melintasi shell sehingga meningkatkan perpindahan panas selain menjaga jarak seragam antar tabung. Baffle ini juga digunakan untuk meningkatkan turbulensi shell cairan. Tabung terbuka ke beberapa area aliran besar disebut header di kedua ujung shell. Penukar panas jenis ini dapat mengakomodasi berbagai tekanan dan suhu pengoperasian. Mereka lebih mudah untuk diproduksi dan tersedia dengan biaya rendah. Baik cairan tabung maupun cangkang dipompa ke penukar panas dan karenanya perpindahan panas dilakukan dengan konveksi paksa. Karena koefisien perpindahan panas tinggi dengan aliran cairan, maka tidak perlu menggunakan sirip. Mereka juga dapat diklasifikasikan menjadi tipe aliran paralel dan arus balik.

Penukar panas jenis Pelat

Penukar panas jenis ini biasanya terbuat dari pelat tipis yang  halus atau bergelombang. Karena pelat tidak dapat mempertahankan tekanan dan suhu setinggi bak bundar, maka umumnya digunakan untuk tekanan / suhu yang kecil dan rendah hingga sedang. Faktor kekompakan mereka juga rendah dibandingkan dengan jenis penukar panas lainnya. Pelat dapat diatur sedemikian rupa sehingga ada aliran silang yaitu fluida panas dan dingin yang mengalir ke arah yang saling tegak lurus untuk meningkatkan karakteristik perpindahan panas.

Sumber: https://learnmech.com/types-of-heat-exchanger/

Prinsip Dasar Penukar Kalor

Anda mungkin telah mengenal beberapa peralatan industri seperti water heater, boiler, kondensor, evaporator, cooling tower, radiator, air cooler, dan lain-lain. Peralatan-peralatan tersebut merupakan sistem termal alat penukar kalor yang di dalamnya berlangsung proses pemanasan, atau proses pendinginan, atau proses penguapan, ataupun proses pengembunan untuk keperluan industri tertentu. Peralatan penukar kalor memegang peranan yang sangat strategis pada beragam instalasi industri seperti pada instalasi industri energi, industri kimia, industri minyak dan gas, industri makanan, minuman, serta instalasi industri manufaktur. Bagian terbesar dari energi yang diperlukan bagi berlangsungnya beragam proses industri akan diproses atau dikonversikan di dalam peralatan penukar kalor. Tanpa keberadaan peralatan tersebut, beragam proses yang diperlukan bagi proses industri energi, industri proses ataupun jenis industri lainnya tidak dapat direalisasi.

Konsumsi energi di sektor industri di Indonesia pada saat ini telah demikian tinggi dan akan terus meningkat lagi pada tahun-tahun mendatang seiring dengan pertumbuhan ekonomi dan pertumbuhan penduduk. Bagian terbesar dari energi yang diperlukan oleh instalasi industri setelah dipergunakan untuk keperluan berbagai proses di dalam peralatan penukar kalor, sisa energi panas tersebut akhirnya kemudian dibuang ke lingkungan. Apabila efisiensi energi pada beragam peralatan penukar kalor, serta pada mesin-mesin termal lainnya, dapat dijaga pada tingkat yang optimal maka upaya tersebut akan memberikan kontribusi yang signifikan terhadap penghematan energi nasional. Kondisi optimal dapat terjadi apabila peralatan penukar kalor dapat bekerja dengan tingkat kinerja yang sebaik-baiknya. Agar peralatan penukar kalor dapat bekerja dengan tingkat kinerja yang tinggi maka peralatan tersebut harus dirancang dengan optimal. Perekayasaan peralatan penukar kalor, baik yang dilakukan pada saat peralatan masih dalam proses perancangan maupun pada saat dioperasikan pada instalasi industri, bertujuan untuk memperoleh kinerja yang optimal. Agar dapat memberikan kontribusi terhadap upaya tersebut maka pemahaman yang baik tentang teknologi peralatan penukar kalor menjadi modal yang berharga.

Tinjauan Singkat Jenis Penukar Kalor

Di dalam sebuah alat penukar kalor sejumlah tertentu energi panas mengalami proses perpindahan dari suatu aliran fluida panas ke aliran fluida lainnya yang temperaturnya lebih rendah. Proses perpindahan kalor tersebut berlangsung melalui perantaraan suatu permukaan dinding atau media pemisah dengan bentuk dan bahan yang beragam. Jenis dan ukuran alat penukar kalor sangatlah beragam dan masing-masing dirancang untuk memenuhi kebutuhan yang tertentu.

Pada sistem termal yang berfungsi untuk menghasilkan aliran uap air, aliran uap air dihasilkan dari proses pemanasan permukaan bagian luar tube oleh gas pembakaran. Pada bagian dalam tube disirkulasikan aliran air yang menyerap sejumlah energi panas yang berasal dari aliran gas panas melalui perantaraan permukaan dinding tube.

Dengan menyerap energi panas tertentu yang cukup besar jumlahnya maka air yang bersirkulasi di dalam tube dapat mendidih kemudian berubah fase dari cair menjadi uap. Aliran uap yang dihasilkan kemudian dapat dipergunakan untuk berbagai keperluan.

Gambar 1. Skema sederhana alat penukar kalor shell & tube satu dimensi

Sebuah contoh skema sederhana alat penukar kalor shell & tube satu dimensi diberikan pada Gambar 1. Pada alat ini aliran fluida di dalam tube dan aliran fluida yang bersirkulasi di bagian shell arahnya saling berlawanan, dan masing-masing hanya memiliki satu laluan. Di dalam bagian shell terdapat baffles atau sekat-sekat yang dipasang untuk maksud agar aliran fluida yang bersirkulasi di dalam shell melakukan kontak secara optimal dengan seluruh permukaan susunan tube agar efektifitas perpindahan panasnya lebih optimal.

Bagi alat penukar kalor yang berfungsi sebagai pendingin bagi suatu aliran fluida tertentu yang akan didinginkan untuk mencapai temperatur tertentu yang lebih rendah, maka harus memiliki aliran fluida kerja pendingin yang bersirkulasi di dalamnya. Aliran fluida pendingin dapat dialirkan ke dalam bagian tube atau ke dalam bagian shell, bergantung kepada kebutuhan. Namun, apabila dipergunakan air dingin sebagai fluida pendingin maka biasanya aliran fluida tersebut lebih disukai dialirkan ke dalam bagian dalam tube agar lebih mudah dalam hal perawatannya.

Alat penukar panas lain yang cukup populer bagi instalasi industri adalah alat penukar kalor jenis pelat, di mana skema sederhananya diperlihatkan pada Gambar 3. Permukaan dinding pemisah kedua aliran fluida, yang menjadi media perantara proses perpindahan panas, adalah permukaan susunan pelat logam yang terpasang di dalam alat tersebut. Aliran fluida panas maupun yang dingin bersirkulasi secara terpisah pada suatu saluran yang penampangnya terbentuk di antara dua pelat yang berdekatan.

Dinding pemisah di antara aliran fluida panas dan aliran fluida pendingin adalah permukaan pelat datar yang memiliki profil tertentu. Alat penukar kalor jenis ini terkenal sangat kompak, yaitu memiliki dimensi yang kecil sehingga lebih ringan namun memiliki kemampuan termal yang cukup besar. Salah satu faktor kelemahannya adalah bentuknya dengan profil permukaan yang kompleks sehingga tidak mudah dalam pembuatannya.

Gambar 2. Skema sederhana alat penukar kalor jenis pelat

Pertukaran Energi Panas Di antara Dua Aliran Fluida

Pada instalasi pembangkit tenaga uap, aliran uap panas bertekanan yang kemudian dipergunakan untuk menghasilkan daya turbin dihasilkan melalui proses pemanasan aliran air di dalam pipa-pipa boiler oleh gas panas pembakaran. Di dalam boiler terjadi proses pertukaran energi panas dari aliran gas panas ke aliran air melalui perantaraan permukaan dinding pipa-pipanya. Aliran air dingin menerima sejumlah tertentu energi panas dari aliran gas panas sehingga temperaturnya meningkat. Pada saat yang bersamaan, aliran gas panas melepaskan sejumlah tertentu energi panas sehingga temperaturnya menurun.
Pada instalasi pembangkit tenaga uap, aliran uap panas bertekanan yang kemudian dipergunakan untuk menghasilkan daya turbin dihasilkan melalui proses pemanasan aliran air di dalam pipa-pipa boiler oleh gas panas pembakaran. Di dalam boiler terjadi proses pertukaran energi panas dari aliran gas panas ke aliran air melalui perantaraan permukaan dinding pipa-pipanya. Aliran air dingin menerima sejumlah tertentu energi panas dari aliran gas panas sehingga temperaturnya meningkat. Pada saat yang bersamaan, aliran gas panas melepaskan sejumlah tertentu energi panas sehingga temperaturnya menurun.

Sekarang kita tinjau apa yang terjadi pada instalasi mesin pendingin. Di dalam alat evaporator instalasi mesin pendingin, aliran refrigeran yang bertemperatur rendah menyerap sejumlah tertentu energi panas dari aliran udara yang bertemperatur lebih hangat yang mengalir menyelimuti permukaan evaporator sehingga temperatur aliran udara tersebut menjadi lebih dingin. Dalam kasus ini, proses pertukaran energi panas berlangsung di antara aliran udara dengan aliran refrigeran, Aliran udara hangat mengalami proses pendinginan, dan pada saat yang bersamaan aliran refrigeran mengalami proses pemanasan sehingga energi total yang dikandungnya menjadi lebih tinggi. Sebaliknya, di dalam alat kondensor mesin pendingin, energi panas ditransmisikan dari aliran refrigeran yang bertemperatur lebih tinggi ke arah aliran udara yang bersirkulasi di sekitar permukaan kondensor.

Pada kebanyakan sistem termal yang terpasang pada instalasi industri, berlangsung pertukaran energi panas dari suatu aliran fluida ke aliran fluida lainnya yang mengalir di dalamnya, dan untuk memperkirakan laju pertukaran energi panas dapat dilakukan dengan menerapkan prinsip kesetimbangan energi pada kedua aliran fluida yang mengalir di dalamnya. Bagian di bawah ini akan membahas bagaimana menerapkan prinsip kesetimbangan energi pada sistem aliran fluida yang mengalami proses pemanasan dan/atau proses pendinginan, untuk kemudian memperkirakan kinerja termalnya. (bersambung)

Referensi: Teknik Perpindahan Energi Panas, Prof. Chandrasa Soekardi

Konduksi Pelat Datar Bahan Berkomposisi

Sistem termal yang berupa dinding datar yang konstruksinya terdiri dari dua atau lebih bahan yang berbeda konduktivitas termalnya banyak ditemui pada instalasi industri seperti misalnya pada tanur termal bertemperatur tinggi. Permasalahan perpindahan panas pada sistem termal seperti itu dapat diselesaikan dengan menggunakan model analogi tahanan listrik yang tersusun secara seri atau paralel.

Untuk membahas masalah tersebut marilah kita tinjau sistem termal yang terdiri dari dua buah dinding datar yang saling menempel satu dengan lainnya. Kedua dinding termal tersebut memiliki tebal dan konduktivitas termal yang berbeda. Proses perpindahan panas konduksi berlangsung dari permukaan sisi kiri yang bertemperatur lebih tinggi ke sisi permukaan luar dinding yang berada di sisi paling kanan.

Laju perpindahan panas total dari permukaan dinding paling kiri ke permukaan dinding paling kanan dapat dinyatakan dengan persamaan:

Qw = (Twi – Two)/Rw tot

Di sini R wtot adalah tahanan termal total konduksi sistem dinding datar, yang merupakan jumlah dari kedua tahanan termal dinding datar yang ada di dalam sistem:

R wtot = dx1/k1A1 + dx2/k2A2

Untuk lebih memahami prinsip-prinsip yang telah dibahas maka marilah kita bahas contoh soal 1 berikut ini:

Contoh soal 1:

Sebuah oven memiliki jendela berukuran 50 cm x 40 cm tebalnya 40 mm terbuat dari bahan plastik tahan temperatur tinggi dengan konduktivitas termal bahan 0,17 W/mK. Jendela oven tersebut ditempeli bahan plastik jenis lain yang berukuran sama namun dengan tebal 20 mm dan memiliki konduktivitas termal 0,08 W/mK. Temperatur permukaan dalam jendela tersebut adalah 110 °C, sedangkan temperatur permukaan bagian luarnya adalah 50 °C.

Dalam persoalan ini kita akan memperkirakan besarnya:

a) Tahanan termal sistem tersebut

b) Laju transmisi energi panas melalui jendela oven tersebut 

c) Temperatur permukaan batas kedua dinding

Pembahasan:

Sebelum melakukan perhitungan, terlebih dahulu kita harus membuat gambar sistem. Di bawah ini adalah contoh gambar sistem yang merepresentasikan soal diatas.

Besarnya laju perpindahan panas konduksi yang terjadi pada dinding pelat tersebut dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:

Qw = (Twi – Two)/Rw tot

Rwtot adalah tahanan termal konduksi dinding datar total yang merupakan gabungan dari kedua tahanan dinding yang berimpitan pada jendela oven yang besarnya dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:

Qw = (Twi – Two)/Rw tot

Sebelum melakukan perhitungan, terlebih dahulu perlu dilakukan penyetaraan sistem satuan bagi besaran-besaran yang nantinya terlibat dalam perhitungan:

Twi = 110 °C = (110 + 273) K = 383 K

Two = 50 °C = (50 + 273) K = 323 K

dx1 = 40 mm = (40/1000) m = 0,04 m

dx2 = 20 mm = (20/1000)m = 0,02 m

k1 = 0,17 W/mK

k2 = 0,08 W/mK

A1 = A2 = 50 cm x 40 cm = 0,5 m x 0,4 m = 0,2 m²

Perhitungan:

Rw1 = dx1/k1A1 = (0,04 m)/ (0,17 W/mK . 0,2 m2) = 1,18 K/W

Rw2 = dx2/k2A2 = (0,02 m)/ (0,08 W/mK . 0,2 m2) = 1,25 K/W

Rwtot = Rw1 + Rw2 = 1,18 + 1,25 = 2,43 K/W

Qw = (Twi – Two)/Rw tot = (383 K – 323 K) / 2,43 K/W = 24,73 W = 24,73 J/s

Besarnya temperatur permukaan batas kedua dinding dapat dihitung melalui persamaan:

Qw 1= (Twi – TwB)/Rw1

Dengan:

Rw1 = dx1/k1A1 = (0,04 m)/ (0,17 W/mK . 0,2 m2) = 1,18 K/W, dan

Qw1 = Qw = 24,73 W

Maka diperoleh:

TwB = 353,8 K = 80,8 °C

Kesimpulannya adalah bagi persoalan tersebut, energi panas yang ditrasmisikan melalui jendela oven yang memiliki bahan yang berbeda adalah 24,73 joule per detik atau 24,73 W. Sistem tersebut memiliki tahanan termal sebesar 2,43 K/W dan temperatur pada batas di antara kedua dinding adalah 80,8 °C.

Semoga ada manfaatnya….

Referensi: Teknik Perpindahan Energi panas, Chandrasa Soekardi

Kapasitas Panas Spesifik (Panas Jenis)

Kapasitas panas spesifik suatu zat adalah jumlah energi panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 °C pada 1 kg zat. Simbol yang digunakan untuk kapasitas panas spesifik adalah c dan satuannya adalah J /(kg °C) atau J/(kg K). (Perhatikan bahwa satuan-satuan tersebut dapat ditulis juga menjadi J kg^-1 ° C-1 atau J kg^-1 K^-1).

Beberapa nilai khas kapasitas panas spesifik untuk kisaran suhu 0 °C hingga 100 °C termasuk:

Oleh karena itu, untuk kenaikan temperatur 1 ° C untuk 1 kg besi  membutuhkan energi 500 J, untuk menaikkan suhu 1 ° C untuk 5 kg besi membutuhkan energi sebesar (500 × 5) J, dan untuk menaikkan suhu 40 ° C untuk 5 kg zat besi membutuhkan (500 x 5 x 40) J energi, yaitu 100 kJ.

Secara umum, kuantitas energi panas, Q, yang diperlukan oleh massa m kg suatu zat dengan kapasitas panas spesifik (c)  J/(kg ° C) untuk menaikkan suhu dari t1 ° C hingga t2 ° C diberikan oleh:

Q = m.c.(t2 – t1) [Joule]

Contoh Soal 1.

Hitung jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu 5 kg air dari 0 °C hingga 100 ° C. Asumsikan panas jenis air 4200 J / (kg ° C). (Dalam beberapa literatur panas jenis kadang disebut panas spesifik)

Jawab:

Jumlah Energi Panas (Q):

Contoh Soal 2.

Sebuah balok besi cor yang memiliki massa 10 kg mendingin dari suhu 150 °C menjadi 50 ° C Berapa banyak energi yang hilang dari besi cor? Asumsikan panas jenis besi adalah 500 J / (kg ° C).

Jawab:

Jumlah Energi Panas (Q):

(Perhatikan bahwa tanda minus menunjukkan bahwa panas pada zat tersebut keluar atau hilang).

Contoh Soal 3.

Timbal memiliki panas jenis 130 J /(kg ° C) dipanaskan dari 27 ° C hingga titik lelehnya pada 327 °C. Jika jumlah panas yang dibutuhkan adalah 780 kJ, Berapa massa timbal?

Jawab:

Jumlah panas (Q)

Q = m.c (t2 – t1)

780.000 J = m (130 J/kg.C) (327 – 27) C

78.000 J = m (130 J/Kg.C) (300 C)

m = 78.000 J /(130 x 300)

m= 20 kg (Jawab)

Contoh Soal 4.

Energi panas sebesar 273 kJ dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 10 kg tembaga dari 15 ° C hingga 85 ° C. Tentukan panas jenis tembaga?

Jawab:

Jumlah panas (Q)

Q = m.c (t2 – t1)

273.000 J = 10 kg . c . (85 – 15) °C

273.000 J = 10 kg. c. 70 ° C

c = 273.000 J /(700 kg. ° C)

c = 390 J/kg.° C (jawab)

Contoh Soal 5.

Energi panas sebesar 5.7 MJ  adalah dipasok ke 30 kg aluminium pada suhu awal 20 ° C. Jika  panas jenis dari aluminium adalah 950 J / (kg ° C), tentukan temperatur akhirnya?.

Jawab:

Jumlah panas (Q)

Q = m.c (t2 – t1)

5,7 x 10^6 J = 30 kg * (950 J / (kg ° C)) * (t2 – 20) °C

(t2 – 20) °C = 5,7 x 10^6 J / (30 kg * 950 J / (kg ° C)

t2 – 20 = 200

t2 = 200 + 20

t2 = 220 (Jawab)

Semoga tulisan yang sedikit ini ada manfaatnya…

Unisma Bekasi, 8112018/13.30

Referensi: Mechanical Engineering Principles, John Bird and Carl Ross

Menghitung Koefisien Perpindahan Panas Konveksi

Dalam perhitungan laju perpindahan panas konveksi yang dirumuskan dengan formula q = h. A. ΔT,  Seringkali mengalami kendala ketika nilai koefisien perpindahan panas konveksi (h) itu sendiri tidak diketahui. 

Nilai koefisien perpindahan panas konveksi bergantung kepada beberapa faktor diantaranya panjang pelat yang dialiri fluida, koefisien perpindahan panas konduksi, kecepatan aliran fluida serta viskositas kinematis fluida itu sendiri.

Untuk mempermudah memahami perhitungan koefisien perpindahan panas konveksi, saya akan sajikan dalam bentuk soal dan pembahasan. Semoga mudah dipahami.

CONTOH SOAL 1:

Udara mengalir di atas pelat dengan kecepatan aliran bebas 5 m/s. Suhu pelat adalah 100° C dan suhu udara adalah 20 °C. Panjang pelat ke arah aliran adalah 0,34 m. Tentukan koefisien perpindahan panas konveksinya?

Penyelesaian:

Untuk menghitung koefisien panas konveksi, kita dapat menggunakan persamaan di bawah ini:

Dimana:

k = Konduktivitas termal (W/mK)

L = Panjang pelat (m)

Re = Bilangan Reynold

Pr = Bilangan Prandtl

Terlebih dahulu, kita akan menghitung nilai bilangan Reynold untuk fluida (udara) yang mengalir diatas pelat tersebut:

Kita bisa menggunakan rumus:

Re = (V . L) / µ 

Dimana: v = Kecepatan fluida (m/s), L = Panjang pelat (m), dan µ = Viskositas Kinematis (m²/s)

Nilai-nilai seperti k, µ dan Pr diperoleh berdasarkan temperatur film yang merupakan rata-rata dari temperatur pelat dan temperatur udara yakni (100 + 20)/2 = 60 °C.

Nilai tersebut dapat dibaca pada Tabel di bawah ini, dimana pada temperatur 60 °C diperoleh nilai, k= 29,66 x 10^-3, µ = 18,97 x 10^-6, dan Pr = 0,696.

(Catatan: Untuk yang di tabel, nilai v adalah µ dimana yang dimaksud adalah viskositas kinematis dan pangkatnya adalah 10^-6, bukan 10^6)

Sehingga:

Re = (5 m/s)(0,34)/18,97 x 10^-6 = 89615

Maka,

           = 0,0664 (29,66 x 10^-3) (89615^0,5) (0,696^0,333) / 0,34

     h   = 15 W/m²C  (Jawab)

CONTOH SOAL 2:

Air mengalir dalam pipa dengan diameter dalam 0,0475 m pada kecepatan 1,5 m/s.  Hitung koefisien perpindahan panas jika suhu air 60 °C pada inlet pipa dan 40 °C pada outlet pipa, dan temperatur dinding bagian dalam pipa adalah 35 °C.

Penyelesaian:
Langkah #1
Gambar diagram proses:

Langkah #2
Temukan sifat fisik air.
Sifat fisik harus dihitung pada temperatur air rata-rata:

Tm = (60 + 40)/2 = 50 °C

Dimana pada temperatur tersebut (50 °C) dapat diketahui dari sifat fisik air adalah sbb,
ρ50 = 988 kg/m3
μ50 = 0,549 cp
μ35 = 0,723 cp
cp50 = 4183 J/kg°C
k50 = 0,639 W/m°C

Langkah #3
Hitung bilangan Reynolds:

Langkah #4
Identifikasi jenis/mode perpindahan panas:

• konveksi paksa
• aliran di dalam pipa silindris
• aliran bergolak (turbulen)

Langkah #5
Pilih persamaan Nu = f (Re, Pr) yang paling cocok:

Langkah #6
Hitung bilangan Prandtl:

Langkah #7
Substitusi nilai-nilai bilangan Reynolds dan Prandtl dan hitung bilangan Nusselt:

Langkah #8
Hitung h:

Semoga ada manfaatnya…

Unisma Bekasi, 5112018/14.45

Referensi: Fundamental of Heat and Mass Transfer, C.P. Kothandaraman, third Edition

Mode Perpindahan Panas Gabungan

Pada postingan sebelumnya, telah dibahas setiap mode perpindahan panas secara terpisah. Namun dalam prakteknya ketiga mode perpindahan panas (konduksi, konveksi dan radiasi) seringnya terjadi secara bersamaan. Sebagian besar mode perpindahan panas konduksi dan konveksi terjadi secara bersamaan ketika panas dari cairan panas ditransfer ke cairan dingin melalui sebuah penghalang. Perhatikan contoh berikut: Sebuah dinding menerima panas melalui konveksi dan radiasi di satu sisi. Setelah konduksi ke permukaan berikutnya, panas ditransfer ke lingkungan dengan konveksi dan radiasi.

Gambar 1. Mode Perpindahan panas gabungan

Flux Panas (Laju panas per luas penampang) dinyatakan dalam persamaan 1 di bawah ini:

Dimana  hr1 dan  hr2 adalah koefisien radiasi sedangkan h1 dan h2 adalah koefisien konveksi.

Contoh:

Sebuah lempengan setebal 0,2 m dengan konduktivitas termal 45 W/mK menerima panas dari  tungku pada temperatur 500 K secara konveksi dan radiasi. Koefisien konveksi memiliki nilai 50 W/m2K. Temperatur permukaannya adalah 400 K di sisi ini. Panas dipindahkan ke sekitarnya di T∞2 secara konveksi dan radiasi. Koefisien konveksi di sisi ini adalah 60 W /m2K. Tentukan suhu sekitarnya.
Asumsikan F = 1 untuk radiasi.
Solusi: Lihat Gambar 1. Anggap luas penampangnya 1 m2. Kondisi steady state.

Penyelesaian:

Perumnas 3 Bekasi Timur, 3092018, 14.25 WIB

Referensi: Fundamental of heat and mass transfer, Edisi revisi 3, C.P. Kothandaraman