15 slide pendidihan

24
BAB V BAB V PERPINDAHAN PERPINDAHAN KALOR DISERTAI KALOR DISERTAI PERUBAHAN FASA PERUBAHAN FASA KULIAH KE 7

Upload: sonia-wulandari

Post on 01-Jan-2016

47 views

Category:

Documents


3 download

DESCRIPTION

proses perpindahan panas

TRANSCRIPT

Page 1: 15 Slide Pendidihan

BAB VBAB V

PERPINDAHAN PERPINDAHAN KALOR KALOR

DISERTAI DISERTAI PERUBAHAN PERUBAHAN

FASAFASA

KULIAH KE 7

Page 2: 15 Slide Pendidihan

Perubahan fasa mencakup:Perubahan fasa mencakup: Penambahan atau pengurangan energi termal dalam Penambahan atau pengurangan energi termal dalam

jumlag yang agak banyak, pada suhu tetap atau jumlag yang agak banyak, pada suhu tetap atau hampir tetap.hampir tetap.

Perpindahan kalor dari uap yang mengembun Perpindahan kalor dari uap yang mengembun (kondensasi)(kondensasi)

Uap kondensasi mungkin terdiri dari sati zat saja, Uap kondensasi mungkin terdiri dari sati zat saja, mungkin berupa campuran zat mampu kondensasi mungkin berupa campuran zat mampu kondensasi dan zat tak mampu kondensasi, atau campuran dua dan zat tak mampu kondensasi, atau campuran dua zat mampu kondensasi atau lebih.zat mampu kondensasi atau lebih.

Rugi-rugi gesekan di dalam kondenser biasanya Rugi-rugi gesekan di dalam kondenser biasanya cukup kecil, sehingga kondensasi itu dapat dikatakan cukup kecil, sehingga kondensasi itu dapat dikatakan merupakan proses tekanan tetap. merupakan proses tekanan tetap.

Suhu kondensasi hanya bergantung pada tekanan Suhu kondensasi hanya bergantung pada tekanan sehingga proses kondensasi zat murni merupakan sehingga proses kondensasi zat murni merupakan proses isotermal.proses isotermal.

Page 3: 15 Slide Pendidihan

Uap dapat mengembun menurut salah satu Uap dapat mengembun menurut salah satu dari dua cara berikut:dari dua cara berikut:

Kondensasi tetes (Kondensasi tetes (dropwise dropwise condensationcondensation))

Kondensat mula-mula membentuk inti nukleasi Kondensat mula-mula membentuk inti nukleasi (tetesan). Tetesan-tetesan bergabung sehingga (tetesan). Tetesan-tetesan bergabung sehingga membesar dan mengalir ke bawah tabung karena membesar dan mengalir ke bawah tabung karena pengaruh gaya gravitasi.pengaruh gaya gravitasi.

Sangat tidak stabil dan sangat sukar dipertahankan Sangat tidak stabil dan sangat sukar dipertahankan sehingga metode ini jarang dipakai.sehingga metode ini jarang dipakai.

Terjadinya bergantung pada sifat zat cair. Contoh: Terjadinya bergantung pada sifat zat cair. Contoh: logam cair, nitrobenzen, gliserin.logam cair, nitrobenzen, gliserin.

Kondensasi film (Kondensasi film (film-type film-type condensationcondensation))

Lebih sering terjadi Lebih sering terjadi Kondensat cair itu membentuk film atau suatu lapisan Kondensat cair itu membentuk film atau suatu lapisan

sinambung yang lalu mengalir di atas permukaan sinambung yang lalu mengalir di atas permukaan tabung karena pengaruh gaya gravitasi.tabung karena pengaruh gaya gravitasi.

Page 4: 15 Slide Pendidihan

5.1.1. Koefisien untuk kondensasi 5.1.1. Koefisien untuk kondensasi filmfilm

Asumsi:Asumsi: Satu-satunya tahanan terhadap aliran kalor Satu-satunya tahanan terhadap aliran kalor

adalah yang disebabkan oleh lapisan adalah yang disebabkan oleh lapisan kondensat yang mengalir ke bawah dalam kondensat yang mengalir ke bawah dalam aliran laminar karena pengaruh gaya aliran laminar karena pengaruh gaya gravitasi.gravitasi.

Kecepatan zat air pada dinding adalah nol. Kecepatan zat air pada dinding adalah nol. Suhu dinding dan suhu uap konstan. Suhu dinding dan suhu uap konstan. Kondensat meninggalkan tabung pada Kondensat meninggalkan tabung pada

suhu kondensasi.suhu kondensasi.

Page 5: 15 Slide Pendidihan

Tabung VertikalTabung Vertikal

= koefisien lokal= koefisien lokal

= konduktivitas termal untuk = konduktivitas termal untuk kondensat filmkondensat film

= tebal film= tebal film

f

x

kh

xh

fk

Page 6: 15 Slide Pendidihan

Koefisien rata-rata untuk tabung vertikal, selama Koefisien rata-rata untuk tabung vertikal, selama aliran kondensat di dalam film itu laminar, ialah:aliran kondensat di dalam film itu laminar, ialah:

Dimana:Dimana: μμf, f, rrf, kf = viskositas, densitas, f, kf = viskositas, densitas,

konduktivitas lapisan film.konduktivitas lapisan film. g = percepatan gravitasi.g = percepatan gravitasi. = pembebanan kondenat pada = pembebanan kondenat pada

dasar tabung (lb/ft.jam).dasar tabung (lb/ft.jam). Suhu rujukan untuk menentukan Suhu rujukan untuk menentukan μμf, f, rrf, kf :f, kf :

3/13/1

33

24

47,1..

f

b

ff

f

gkh

4

3

4

)(3 oh

whhf

TT

TTTT

b

Page 7: 15 Slide Pendidihan

DimanaDimana Tf = suhu rujukanTf = suhu rujukan Th = suhu uap yang kondensasiTh = suhu uap yang kondensasi Tw = suhu permukaan luar dinding Tw = suhu permukaan luar dinding

tabungtabung

Bentuk ekivalen persamaan (5.1) Bentuk ekivalen persamaan (5.1) dengan yang dieliminasi:dengan yang dieliminasi:

4/123

..

...943,0

fo

ff

LT

gkh

Page 8: 15 Slide Pendidihan

Tabung HorizontalTabung Horizontal

……(5.4)(5.4)

……(5.5)(5.5)

dimana:dimana: Γ= pembebanan kondensat persatuan panjang Γ= pembebanan kondensat persatuan panjang

tabung, lb/ft.tabung, lb/ft. N = jumlah tabung dalam susunan.N = jumlah tabung dalam susunan.

3/1'

3/1

33

24

51,1..

fff

f

gkh

4/123

..

...725,0

foo

ff

DT

gkh

Page 9: 15 Slide Pendidihan

Pada tabung horizontal, aliran film kondensat Pada tabung horizontal, aliran film kondensat itu dapat dikatakan selalu laminar.itu dapat dikatakan selalu laminar.

Catatan:Catatan: Persamaan (5.1) dan (5.3) untuk tabung vertikal Persamaan (5.1) dan (5.3) untuk tabung vertikal

diturunkan dengan pengandaian bahwa aliran diturunkan dengan pengandaian bahwa aliran kondensat itu laminar,kondensat itu laminar,

Bila kecepatan fase uap di dalam kondenser itu Bila kecepatan fase uap di dalam kondenser itu cukup besar, seret uap itu juga dapat menimbulkan cukup besar, seret uap itu juga dapat menimbulkan keturbulenan pada lapisan kondensat sehingga keturbulenan pada lapisan kondensat sehingga koefisien film kondensasi menjadi jauh lebih besar. koefisien film kondensasi menjadi jauh lebih besar. Maka untuk perhitungan praktis, koefisien pada Maka untuk perhitungan praktis, koefisien pada persamaan (5.1) an (5.3) dibuat masing-masing 1,76 persamaan (5.1) an (5.3) dibuat masing-masing 1,76 dan 1,13.dan 1,13.

Page 10: 15 Slide Pendidihan

Contoh 13.1. (Mc Cabe, dkk 1985)Contoh 13.1. (Mc Cabe, dkk 1985) Pada sebuah kondensor selongsong dan tabung Pada sebuah kondensor selongsong dan tabung

((Shell and TubeShell and Tube) yang menggunakan tabung te,baga ) yang menggunakan tabung te,baga vertikal dengan diameter ¾ in 16 BWG, vertikal dengan diameter ¾ in 16 BWG, klorobenzene mengkondensasi pada tekanan klorobenzene mengkondensasi pada tekanan atmosfer di dalam selongsongnya. Kalor laten atmosfer di dalam selongsongnya. Kalor laten kondensasi klorobenzen adalah 139,7 BTU/lb. kondensasi klorobenzen adalah 139,7 BTU/lb. Panjang tabung 5 ft. Air pendingin dengan suhu Panjang tabung 5 ft. Air pendingin dengan suhu rata-rata 175 oF mengalir di dalam tabung. Jika rata-rata 175 oF mengalir di dalam tabung. Jika koefisien sisi air adalah 400 BTU/jam.ftkoefisien sisi air adalah 400 BTU/jam.ft22..ooF.F.

Berapakah laju kondensasi klorobenzen dan pembebanan Berapakah laju kondensasi klorobenzen dan pembebanan kondensat.kondensat.

Berapakah koefisien itu dalam kondenser horizontal yang Berapakah koefisien itu dalam kondenser horizontal yang mempunyai tabung sebanyak itu juga, jika jumlah tabung mempunyai tabung sebanyak itu juga, jika jumlah tabung rata-rata dalam susunan vertikal adalah 6. Abaikan faktor rata-rata dalam susunan vertikal adalah 6. Abaikan faktor pengotoran dan tahanan dinding tabung.pengotoran dan tahanan dinding tabung.

Page 11: 15 Slide Pendidihan

Penyelesaian:Penyelesaian: Persamaan (5.3) berlaku, tetapi sifat-sifat Persamaan (5.3) berlaku, tetapi sifat-sifat

kondensat harus dievaluasi pada suhu rujukan Tf, kondensat harus dievaluasi pada suhu rujukan Tf, yang diberikan oleh persamaan (5.2). Dalam yang diberikan oleh persamaan (5.2). Dalam menghitung Tf, suhu dinding Tw harus ditaksir menghitung Tf, suhu dinding Tw harus ditaksir dari dari hh, yaitu koefisien film kondensat. Karena itu , yaitu koefisien film kondensat. Karena itu diperlukan perhitungan coba-coba (diperlukan perhitungan coba-coba (trial and trial and errorerror).).

Besaran dalam persamaan (5.3) yang dapat Besaran dalam persamaan (5.3) yang dapat langsung ditentukan adalah:langsung ditentukan adalah:

λλ= 139 BTU/lb= 139 BTU/lb g = 4,17.108 ft/jam2g = 4,17.108 ft/jam2 L = 5 ftL = 5 ft

Suhu kondensi Th adalah 270 Suhu kondensi Th adalah 270 ooFF Suhu dinding Tw tentulah berada diantara 175 Suhu dinding Tw tentulah berada diantara 175

dan 270 dan 270 ooF.F.

Page 12: 15 Slide Pendidihan

Dianggap Tw = 205 Dianggap Tw = 205 ooFF Penurunan suhu ΔT = 270 – 205 = 65 Penurunan suhu ΔT = 270 – 205 = 65 ooFF Suhu rujukan, dari persamaan (5.2) ialah:Suhu rujukan, dari persamaan (5.2) ialah: Tf = 27- ¾ (270 – 205) = 221 Tf = 27- ¾ (270 – 205) = 221 ooFF

Densitas dan konduktivitas termal zat cair Densitas dan konduktivitas termal zat cair hanya mengalami perubahan kecil dengan suhu hanya mengalami perubahan kecil dengan suhu sehingga dianggap tetap pada nilai-nilai berikut:sehingga dianggap tetap pada nilai-nilai berikut:

rrf = 65,4 lb/ftf = 65,4 lb/ft33

kf = 0,083 BTU/ft.jam. kf = 0,083 BTU/ft.jam. ooF (lamp. 13 Mc Cabe F (lamp. 13 Mc Cabe dkk, 1985)dkk, 1985)

Viskositas film itu adalah:Viskositas film itu adalah: mmf = 0,3 (2,42) = 0,726 lb/ft.jam f = 0,3 (2,42) = 0,726 lb/ft.jam (lamp. 10 Mc (lamp. 10 Mc

Cabe dkk, 1985)Cabe dkk, 1985)

Page 13: 15 Slide Pendidihan

Taksiran pertama Taksiran pertama hh, dengan , dengan menggunakan koefisien 1,13 sebagaimana menggunakan koefisien 1,13 sebagaimana disarankan:disarankan:

Suhu dinding didapatkan dari Suhu dinding didapatkan dari persamaan :persamaan :

4/18334/123

)726,0)(5)(65(

)7,139)(10.17,4()4,65()083,0(13,1

..

...13,1

fo

ff

LT

gkh

FjamftBTUh o../179 2

ThDDh

hT

ooii

ii

.//1

/1

Do=0,75/12 = 0,0625 ft

Page 14: 15 Slide Pendidihan

Suhu dinding :Suhu dinding : Tw=175+33 = 208 oFTw=175+33 = 208 oF Nilai ini cukup dekat dengan taksiran 205 oF sehingga Nilai ini cukup dekat dengan taksiran 205 oF sehingga

perhitungan selanjutnya tidak diperlukan lagi.perhitungan selanjutnya tidak diperlukan lagi. Koefisien Koefisien h h = 179 Btu/ft2.jam.oF= 179 Btu/ft2.jam.oF Selanjutnya diperiksa apakah aliran itu laminar Selanjutnya diperiksa apakah aliran itu laminar

seluruhnya.seluruhnya. Luas permukaan luar setiap tabung ialah:Luas permukaan luar setiap tabung ialah: Ao = 0,1963 (5) = 0,9815 ft2Ao = 0,1963 (5) = 0,9815 ft2

ftDi 0517,012

)0625,0(20625,0

FT oi 33)175270(

)179(0625,0

0517,0

400

1400/1

ftDi 0517,012

)0625,0(20625,0

FT oi 33)175270(

)179(0625,0

0517,0

400

1400/1

Page 15: 15 Slide Pendidihan

Laju perpindahan kalor menyeluruh menjadi:Laju perpindahan kalor menyeluruh menjadi:

= 179 (0,9815) (270 – 208) = 10.893 = 179 (0,9815) (270 – 208) = 10.893 Btu/jam.Btu/jam.

mT = laju kondensasi total.mT = laju kondensasi total.

Pembebanan kondensat:Pembebanan kondensat:

dandan

TAhq ..

jamlblbBTU

jamBTUqmT /78

/7,139

/10893

jamftlbD

m

o

Tb ./2,397

)12/75,0(14,3

78

.

2188726,0

)2,397(44Re

f

bN

Page 16: 15 Slide Pendidihan

b. Untuk kondensor horizontal digunakan pers. b. Untuk kondensor horizontal digunakan pers. (5.5)(5.5)

Koefisien untuk klorobenzen mungkin lebih besar Koefisien untuk klorobenzen mungkin lebih besar dari bagian (a) sehingga suhu dinding Tw dari bagian (a) sehingga suhu dinding Tw sekarang diperkirakan 215 oF.sekarang diperkirakan 215 oF.

N = 6N = 6∆∆To = 270 – 215 = 55 oFTo = 270 – 215 = 55 oFDo = 0,0625 ftDo = 0,0625 ft

µµf = 0,28 (2,42) = 0,68 lb/ft.jamf = 0,28 (2,42) = 0,68 lb/ft.jam

FT of 229)215270(4/3270

FT of 229)215270(4/3270

4/1

3/2

23

..

...725,0

foo

ff

DTN

gkh

FjamftBTUh o../270)68,0)(0625,0)(55)(6(

)7,139)(10.17,4()4,65()083,0(725,0 2

4/1

3/2

833

Page 17: 15 Slide Pendidihan

ThDDh

hT

ooii

ii

.//1

/1

FT oi 4395

))270)(0625,0/(0517,0(400/1

400/1

Tw = 175 + 43 = 218 oFNilai ini sesuai dengan nilai taksiran 215 oF sehingga tidak diperlukan lagi trial berikutnya.Koefisien h ialah 270 Btu/ft2.jam. oF.

Page 18: 15 Slide Pendidihan

5.2. Perpindahan kalor ke zat cair yang 5.2. Perpindahan kalor ke zat cair yang mendidihmendidih Contohnya pada operasi evaporasi, distilasi, Contohnya pada operasi evaporasi, distilasi,

pembangkitan uap, pengolahan minyak bumi, pembangkitan uap, pengolahan minyak bumi, pengendalian suhu pada reaksi kimia zat cair pengendalian suhu pada reaksi kimia zat cair yang mendidih.yang mendidih.

Untuk tabung horizontal yang terbenam Untuk tabung horizontal yang terbenam didalam zat cair mendidih.didalam zat cair mendidih.

……(5.7)(5.7)

o

c

vlvv

vco Dgk

Th

069,059,0

'.).(.

..4/1

3

Page 19: 15 Slide Pendidihan

oh

v

T

vk

vl ,

'

= koefisien perpindahan panas

= viskositas uap

= penurunan suhu melintas uap

= konduktivitas termal uap

= densitas zat cair, densitas uap

Do = diameter luar tabung pemanasan

= selisih rata-rata antara entalpi zat cair dan entalpi uap panas lanjut.

Dimana:Dimana:

Page 20: 15 Slide Pendidihan

2..34,0

1'

TCp

= kalor laten penguapan

Cp = kalor spesifik uap pada tekanan tetap

c panjang gelombang-gelombang yang terkecil yang amplitudonya dapat berkembang pada antar muka datar yang horizontal.

2/1.

2

vl

cc g

g

= tegangan antarmuka antara zat cair dan uap

Page 21: 15 Slide Pendidihan

Contoh 13.2 McCabe dkk, 1985:Contoh 13.2 McCabe dkk, 1985: Freon (CClFreon (CCl33F) didihkan pada tekanan atmosfer dengan F) didihkan pada tekanan atmosfer dengan

tabung tercelup horizontal yang diameter luarnya 1,25 in. tabung tercelup horizontal yang diameter luarnya 1,25 in. Titik didih normal freon ialah 74,8 Titik didih normal freon ialah 74,8 ooF. Dinding tabung F. Dinding tabung berada pada suhu 300 berada pada suhu 300 ooF. Sifat-sifat freon 11 adalah F. Sifat-sifat freon 11 adalah sebagai berikut:sebagai berikut:

l

v

Tkv510.14,100413,0

= 91,3 lb/ft3

= 78,3 Btu/lb

= 0,013 cP

= 19 dyne/cmCp = 0,145 Btu/lb.oF

Hitung koefisien perpindahan kalor, ho, dan fluks kalor q/A.

Page 22: 15 Slide Pendidihan

Penyelesaian:Penyelesaian: = 0,013 (2,42) = 0,0314 lb/ft.jam= 0,013 (2,42) = 0,0314 lb/ft.jam = 300 – 74,8 = 225,2 = 300 – 74,8 = 225,2 ooFF

Suhu film uap rata-rata = (300+74,8)/2 = Suhu film uap rata-rata = (300+74,8)/2 = 187,4 187,4 ooFF

FjamftBTUk ov ../00627,0))4,187(10.14,1(00413,0 5

l = 91,3 lb/ft3; BM=137,5 ; Do = 1,25/12 = 0,104 ftPada suhu film rata-rata:

3

21

1 /291,0)4604,187(359

)492(5,137

.

.ftlb

TV

TBMv

Page 23: 15 Slide Pendidihan

Pada titik didih:Pada titik didih:

Dari persamaan (5.8) :Dari persamaan (5.8) :

Dari persamaan (5.9) anggap gc/g = Dari persamaan (5.9) anggap gc/g = 1 lb/lbf.1 lb/lbf.

ftlbf /0013,00328,0

10.248,219

6

lbBTU /1,1023,78

)2,225)(145,0(34,013,78'

2

ftc 0238,0)291,01,91(

)1(0013,02

2/1

Page 24: 15 Slide Pendidihan

FjamftBTUh oo ../7,21

)10.17,4)(1,102)(291,03,91)(291,0(00627,0

)2,225)(0314,0)(0238,0( 2

4/1

93

jamftBTUThA

qo ./4887)2,225(7,21. 2