LAPORAN PENDAHULUAN

LABORATORIUM UNIT OPERASI

HEAT CONDUCTION

Oleh :

Kelompok 2

1. Harry Christian 03111003035

2. Ahmad Febriyansyah 03111003051

3. Anissa Nurul Badriyah 03111003075

4. Fifin Sunarlie 03111003082

5. Irvan Rizky 03111003084

6. Amir Mahmud Afandi 03111003085

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SRIWIJAYA

2014

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Joseph Fourier adalah salah seorang yang mempelajari proses perpindahan

panas secara konduksi. Pada tahun 1822, Joseph Fourier telah merumuskan

hukumnya yang berkenaan dengan konduksi.Tinjauan terhadap peristiwa

konduktif dapat diambil dengan berbagai macam cara (yang pada prinsipnya

berakar dari hokum Fourier), mulai dari subjek yang sederhana yaitu hanya

sebatang logam (composite bar). Banyak factor yang mempengaruhi peristiwa

konduksi. Diantaranya pengaruh luas penampang yang berbeda, pengaruh

geometri, pengaruh permukaan kontak, pengaruh adanya insulasi dan lain-lainnya.

Kesulitan dalam membuktikan penerapan hokum Fourier untuk berbagai

variasi kondisi percobaan ini. Oleh karena itu pada percobaan ini diatur

sedemikian rupa, yakni dilakukan dalam empat tipe percobaan yang tentu saja

dengan menggunakan umus-rumus yang berbeda dan dengan asunsi-asumsi yang

sesuai. Dan terdapat hubungan dengan panas konduksi di mana percobaan panas

konduksi ini dilakukan dengan dua cara yaitu secara linier dan radial. Radial

panas yang dapat merambat pada media yang merambat secara linier sedangkan

panas radikal beberapa besar panas yang dapat berpindah secara konduksi bila di

bandingkan dengan sistem yang mengunakan cara linier (garis lurus). Pada sistem

ini panas akan dipindahkan pada arah radial (melalui jari-jari media yang

berbentuk seperti cakram).

Percobaan ini juga bertujuan untuk mengetahui pengaruh dari perubahan

luas penampang, tebal penampang dan jenis bahan terhadap profil temperatur

sepanjang konduktor panas. Ternyata semua hal diatas memberi pengaruh yang

besar dari perhitungan laju perpindahan panas, dimana pada teori luas penampang

tidak mempengaruhi hasil perhitungan laju perpindahan panas. Terjadinya

perbedaan ini disebabkan oleh laju alir Q supply yang selalu berubah-ubah

sehingga pembacaan temperatur menjadi sulit media yang digunakan berbeda

maka daya hantarnya akan berbeda temperatur akan besar.

1.2. Tujuan

1) Untuk mengetahui penerapan hukum Fourier untuk konduksi linier sepanjang

logam.

2) Untuk mengetahui perubahan geometris (cross sectional area) pada profil

temperatur sepanjang konduktor panas.

3) Menghitung panas konduksi untuk system radial dan membandingkannya

dengan Q supply.

4) Untuk menghitung termal konduktivitas.

5) Untuk mengetahui prinsip dan cara kerja heat conduction apparatus.

1.3. Permasalahan.

1) Bagimana mengetahui pengaruh perubahan cross sectional area pada profil

temperatur dan termasuk untuk menghitung koefisien perpindahan panas

overall untuk masing-masing sistem konduksi.

2) Bagaimana kesesuaian antar Q supply dengan Q hasil perhitungan dari rumus

faurier. Mulai dari peristiwa konduksi untuk satu jenis logam sampai untuk

komposisi logam.

3) Bagaimana mekanisme konveksi sebagai perpindahan panas pada liquid atau

gas melalui gerakan molekul-molekul dan pengaruh perbedaan temperatur.

1.4. Hipotesa.

1) Bahwa hukum Fourier berlaku untuk semua system konduksi.

2) Panas disuplai dari sumber arus sedapat mengkin sebanding dengan panas

hasil perhitungan.

3) Zat yang memiliki daya hantar panas atau thermal conductivity tinggi akan

mempunyai heat transfer rate yang tinggi pula.

4) Panas yang didapat dari perhitungan tidak akan berbeda jauh dengan panas

yang disupply dari sumber arus.

1.5. Manfaat.

1) Untuk mengetahui dan membuktikan aplikasi dan hokum fourier pada sistem

konduksi

2) Dapat memahami prinsip kerja alat heat conduction apparatus.

3) Untuk mengetahui faktor-faktor yang dapat mempengaruhi perpindahan

panas suatu bahan.

4) Dapat membaca temperatur untuk setiap supply panas pada sistem konduksi

linear dan radial.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Peristiwa Perpindahan Panas

Panas adalah salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu

tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama sekali.

Dalam suatu proses, panas dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan  suhu suatu

zat, perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan.

Perpindahan panas terjadi dikarenakan perbedaan temperatur driving force

dan aliran panas dari daerah temperatur tinggi ke panas yang rendah. Perpindahan

panas dalam bentuk kalor dapat terjadi diberbagai tipe proses baik secara kimia

maupun fisika. Perpindahan panas sering terjadi dalam berbagai unit operasi,

seperti lumber of foods, alcohol distilation, burning of fuel, and evaporation.

Keseimbangan momentum, keseimbangan energi, dan keseimbangan

massa pada kondisi unsteady state dapat digunakan sebagai dasar perhitungan

keseimbangan proses perpindahan panas, sehingga didapatlah suatu persamaan

keseimbangan heat transfer :

Qin + Qgen = Qout + Qacc …(1)

Termal konduktivitas adalah proses untuk memindahkan energi dari

bagian yang panas kebagian yang dingin dari substansi oleh interaksi molekular.

Dalam fluida, pertukaran energi utamanya dengan tabrakan langsung. Pada solid,

mekanisme utama adalah vibrasi molecular. Konduktor listrik yang baik juga

merupakan konduktor panas yang baik pula.

Persamaan yang berlaku untuk aliran panas konduksi, pertama kali

dinyatakan fourier, sebagai berikut :

...(2)

Konstanta kesebandingan dimiliki oleh setiap material. Dalam bentuk

matematiknya dengan menganggap bahwa temperatur bervariasi dalam arah –x

yang dinotasikan dengan :

…(3)

…(4)

…(5)

Proses terjadinya perpindahan panas dapat dilakukan secara langsung,

yaitu fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin

tanpa adanya pemisah. Sedangkan secara tidak langsung, yaitu bila diantara fluida

panas dan fluida dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh sekat-

sekat pemisah. Perpindahan panas adalah salah satu faktor yang sangat

menentukan operasional suatu pabrik kimia. Penyelesaian soal-soal perpindahan

kalor secara kuantitatif biasanya didasarkan pada neraca energi dan perkiraan laju

perpindahan kalor. Perpindahan panas akan terjadi apabila ada perbedaan

temperatur antara 2 bagian benda. Panas akan berpindah dari temperatur tinggi ke

temperatur yang lebih rendah.

Gambar 1. Unsteady State Balance For Heat Transfer In Control Volume

Membuat suatu unsteady state heat balance untuk arah –x hanya

berdasarkan control volum (Gambar 1.), dan berdasarkan kedua persamaan diatas

dan cross-sectional area (Am2) didapat :

…(6)

dimana q adalah panas yang terbentuk per unit volum. Bila diasumsikan tidak ada

panas yang terbentuk dan steady state heat tranfer yang mana berarti jumlah

panas yang terakumulasi sama dengan nol, maka persamaan (2.1-3) menjadi :

…(7)

ini berarti panas konduksi yang masuk sama dengan panas konduksi yang keluar,

atau qx adalah konstan terhadap waktu untuk steady state heat transfer.

Hukum Fourier untuk heat konduksi ini sesuai untuk seluruh jenis solid,

liquid, dan gas. Koefisien k adal sifat transport dari suatu material dan disebut

thermal conductivity, sesuai untuk beberapa analisa. Kuantitas

Ax adalah luas permukaan normal untuk arah x.

2.2. Peristiwa Konduksi Untuk Sistem Radial

Persamaan dibawah ini menunjukkan bidang dinding satu lapis, berbentuk

silinder, terbuat dari bahan homogen dengan konduktivitas termal tetap dan suhu

permukaan dalam dab suhu permukaan luar seragam. Pada jari-jari tertentu luas

yang tegak lurusterhadap aliran kalor konduksi radial adalah 2rL, dimana L

adalah panjang silinder. Dengan menuliskan nilai ini kedalam persamaan fourier

dan mengintegrasikannya dengan q konstan, didapat :

…(8)

Laju perpindahan panas qr adalah konstan pada arah radial dan dapat

dihitung distribusi temperatur di dalam silinder dengan memakai asumsi bahwa k

adalah konstan. Temperatur pada arah r dapat dicari dengan persamaan berikut :

…(9)

2.3. Konduktivitas Termal

Konstanta proposionalitas k, ialah suatu sifat fisika bahan, yang disebut

sebagai konduktifitas termal atau hantaran termal. Sifat ini merupakan salah satu

dari sifat transpot bahan. Satuan k adalah Btu/ft2 jam (F/ft) yang dapat ditulis

sebagai Btu/ft2 jam F atau W/mC.

Gambar 2. Konduktifitas Termal

Hukum Fourier menyatakan bahwa k tidak bergantung pada gradien suhu

tetapi tidak selalu demikian halnya dengan suhu itu sendiri. Ketidaktergantungan

k ini telah dibuktikan dengan eksperimen dalam jangkau landaian suhu yang

cukup luas, kecuali untuk zat padat berpori, dimana radiasi antar partikel yang

tidak mematuhi hukum suhu yang linier, merupakan bagian penting dari aliran

kalor total. Di lain pihak k merupakan fungsi suhu, walaupun bukan fungsi kuat.

Untuk jangkau suhu yang tidak besar, k dianggap konstan. Tetapi untuk jangkau

yang lebih luas konduktivitas dapat didekati dengan persamaan dalam bentuk:

k = a + bT …(10)

dimana a dan b adalah konstanta empiris.

Konduktivitas termal setiap benda memiliki nilai yang cukup beragam.

Nilai konduktivitas termal tertinggi terdapat pada logam dan paling rendah untuk

bahan berbentuk serbuk yang telah dihampakan di udara. Konduktivitas termal

perak ialah sekitar 240 Btu/ft2 jam F dan aero gel silica yang dihampakan udara

mungkin sampai serendah 0,0012. Zat padat yang nilai k-nya rendah

dimanfaatkan sebagai isolator panas untuk membuat aliran kalor minimum.

Bahan-bahan berpori seperti busa polistiren, berfungsi memerangkap udara

sehingga dengan demikian meniadakan konveksi. Nilai k-nya hampir sama

dengan nilai udara itu sendiri.

Tabel 1. Konduktivitas Termal

Zat k (W/m.K) Zat k (W/m.K)

Logam

Aluminium

Perunggu

Tembaga

Besi dan Baja

Perak

Zat padat lain

Lemak Tubuh

Batu bata

Beton

Kaca

Es

Air

Kayu (pinus)

205

109

385

50

406

0,17

0,6

0,8

0,8

1,6

0,60

0,13

Bahan Isolator

Gabus

Serat kaca

Bulu halus

Kapuk

Gas

Hidrogen

Udara

0,04

0,04

0,02

0,03

0,13

0,024

Sumber : Wikipedia

2.4. Mekanisme Perpindahan Panas

Apabila dua buah benda yang suhunya berbeda berada dalam kontak

termal, maka kalor akan mengalir dari benda yang suhunya lebih tinggi kebenda

yang suhunya lebih rendah. Aliran netto selalu berlangsung menurut arah

penurunan suhu. Perpindahan panas dapat terjadi oleh satu atau lebih dasar

mekanisme perpindahan panas, yaitu :

1. Konduksi

Dalam konduksi, panas dapat dikonduksi melalui solid, liquid, dan gas.

Panas dikonduksi oleh perpindahan energi gerak molekul-molekul yang

berdekatan. Dalam gas hotter molecules, yang mana memiliki energi kinetic yang

lebih besar memberi energinya ke molekul terdekat yang berada pada level

terendah. Perpindahan jenis ini hadir dalam beberapa tingkat pada semua solid,

liquid, gas atau liquid yang mana berada pada temperatur gradien tertentu. Dalam

konduksi, energi juga dapat dipisahkan oleh elektron bebas, yang mana juga

cukup penting pada metalic solid. Contoh dari perpindahan panas secara konduksi

yaitu perpindahan panas melalui dinding heat exchangers atau sebuah

refrigerator, perlakuan panas pada steel forgings, pendinginan tanah sepanjang

musim dingin dan lain-lain.

2. Konveksi

Bila arus atau partikel-partikel makroskopik fluida melintas suatu

permukaan tertentu seperti umpamanya, bidangan batas atau volume kendali, arus

itu akan ikut membawa serta sejumlah entalpi tertentu. Aliran entalpi ini disebut

aliran konveksi kalor atau singkatnya konveksi. Oleh karena konveksi itu

meerupakan suatu fenomena makroskopik, ia hanya berlangsung bila ada gaya

yang bekerja pada partikel atau ada arusa fluida yang dapat membuat gerakan

melawan gaya gesekan.

Konveksi sangat erat hubungannya dengan mekanika fluida. Bahkan

secara termodinamik, konveksi ini dianggap bukan sebagai aliran kalor, tetapi

sebagai fluks entalpi. Contoh konveksi adalah perpindahan entalpi oleh pusaran-

pusaran aliran turbulen dan oleh arus udara panas yang mengalir melintas dan

menjauhi radiator (pemanas) biasa.

3. Radiasi

Radiasi ialah istilah yang digunakan untuk perpindahan energi melalui

ruang oleh gelombang-gelombang elektromagnetik. Jika radiasi berlangsung

melalui ruang kosong, ia tidak ditransformasikan menjadi kalor atau bentuk-

bentuk energi lain dan ia tidak akan terbelok dari lintasannya. Tetapi, sebaliknya

bila terdapat zat pada lintasannya, radiasi itu akan mengalami transmisi

(diteruskan), refleksi (dipantulkan), dan absorpsi (diserap). Hanya energi yang

diserap itu saja yang muncul sebagai kalor, dan transformasi ini bersifat

kuantitatif.

2.5. Heat Exchanger

Terdapat tiga tipe peralatan penukar panas yang sering digunakan, yakni

plate and frame/gaskette plate (umumnya disebut plate exchanger), spiral plate,

dan lamella. Kesamaan dari ketiga konfigurasi ini adalah permukaan pemindahan

panas sama-sama terdiri dari paralel lempeng logam yang dipisahkan permukaan

kontak dan panas yang diterima mengubah aliran fluida pada saluran tipis.

Penukar panas jenis plate adalah penukar panas yang dapat memindahkan panas

lebih baik dari 2 konfigurasi lainnya. Kelebihan lain penukar panas jenis plate ini

adalah:

1) Fleksibel dalam penyusunan arah alir fluida.

2) Memiliki laju perpindahan panas yang tinggi.

3) Mudah dalam pengecekan/ inspeksi dan perawatan.

Proses pertukaran panas yang terjadi di industri umumnya digunakan

untuk pemenuhan kebutuhan unit proses dan konservasi energi. Untuk itu penukar

panas yang baik yang memiliki laju perpindahan panas seoptimal mungkin.

Ketidakoptimalan laju perpindahan panas ditentukan nilai koefisien perpindahan

panas keseluruhan.

Hasil-hasil penelitian yang telah dipublikasikan menunjukkan bahwa

perubahan fluks massa udara dapat meningkatkan nilai U untuk setiap laju alir

massa flue gas konstan pada alat penukar panas jenis plat. Marriot (1971)

membatasi rentang bilangan Reynolds yang efektif untuk fluida operasi gas-gas

adalah 10-400. Pada bilangan Reynolds yang terlalu tinggi, laju alir fluida juga

akan tinggi, yang akan menyebabkan perpindahan panas tidak efektif.

Penukar panas (Heat Exchanger) adalah alat yang digunakan untuk

mempertukarkan panas secara kontinue dari suatu medium ke medium lainnya

dengan membawa energi panas. Secara umum ada 2 tipe penukar panas, yaitu:

1. Direct heat exchanger

Kedua medium penukar panas saling kontak satu sama lain. Yang

tergolong Direct heat exchanger adalah cooling tower dimana operasi

perpindahan panasnya terjadi akibat adanaya pengontakan langsung antara air

dan udara.

2. Indirect heat exchanger

Dimana kedua media penukar panas dipisahkan oleh sekat/ dinding dan

panas yang berpindah juga melewatinya.

Menurut Bell (1959) ada beberapa tipe aliran fluida dalam pelat heat

exchanger, yaitu:

1. Seri: Pola ini digunakan untuk fluida yang laju alirnya rendah dan beda

temperaturnya tinggi.

2. Paralel: Pola ini digunakan untuk fluida yang laju alirnya lebih besar dan beda

temperaturnya rendah.

3. Seri parallel: Pola ini digunakan untuk fluida yang laju alir dan beda

temperaurnya tidak terlalu tinggi (menengah).

Penukar panas jenis pelat terdiri atas pelat-pelat tegak lurus yang

dipisahkan sekat-sekat berukuran antara 2 sampai 5 mm. Pelat-pelat ini berbentuk

empat persegi panjang dengan tiap sudutnya terdapat lubang. Melalui dua di

antara lubang-lubang ini fluida yang satu dialirkan masuk dan keluar pada satu

sisi, sedangkan fluida yang lain mengalir melalui ruang antara di sebelahnya

karena terdapat sekat.

Gambar 1. Penukar panas jenis pelat

Banyak pelat bergelombang, sehingga aliran turbulen sudah tercapai pada

bilangan Reynolds antara 10-400. Pelat yang lebih tipis akan memberikan

perpindahan panas yang lebih efisien, uniform, dan proses kontrol yang lebih

baik. Berdasarkan konstruksinya, penukar panas pelat dapat dibagi menjadi 2

macam, yaitu :

1. Gasketted Plate Heat Exchanger

Gasketted plate heat exchanger mudah dimodifikasi karena desainnya

fleksibel. Fungsi utama gasket adalah menjaga tekanan, laju alir dan mencegah

pencampuran fluida. Selain itu, gasket mudah untuk dikontrol dan pembersihan.

2. Brazed Plate Heat Exchanger

Brazed plate heat exchanger merupakan pengembangan jenis gasket.

Kelebihannya adalah lebih kompak, dan dapat digunakan untuk tekanan dan

temperatur tinggi.

2.6. Jenis-Jenis Plate Heat Exchanger

Penukar panas jenis pelat didasarkan pada ragam aliran fluida operasi.

Berdasarkan hal ini penukar panas jenis pelat dapat dibedakan menjadi:

1. Penukar panas pelat beraliran jamak (multipass plate heat exchanger).

2. Penukar panas pelat berlawanan arah (countercurrent plate heat exchanger).

3. Penukar panas pelat bersilangan arah (crosscurrent plate heat exchanger).

Penukar panas pelat secara skematik dapat dilihat pada Gambar 2. Proses

pertukaran panas pada penukar panas jenis ini secara sederhana mirip dengan

proses pertukaran panas pada penukar panas pipa ganda (double pipe heat

exchanger). Perbedaannya terletak pada bentuk alur laluan fluida. Pada pipa

ganda alur laluan fluida pendinginnya sejajar dengan alur laluan fluida panasnya.

Baik fluida dingin maupun panas memiliki alur aliran yang lurus (smooth).

Sedangkan pada penukar panas pelat beraliran jamak alur laluan fluida dingin

membentuk huruf U dan sejajar dengan alur laluan fluida panas.

Gambar 2. Penukar panas jenis pelat berlairan jamak (multi-pass)

Pada alat penukar panas berlawanan arah, kedua fluida, flue gas, dan udara

pendingin mengalir masuk ke penukar panas dalam arah yang berlawanan dan

keluar sistem dalam arah yang berlawanan juga. Gambar 3 menunjukkan skema

arah aliran pada penukar pelat berlawanan arah.

Gambar 3. Penukar panas pelat berlawanan arah (counter current)

Pada penukar panas pelat bersilangan arah, udara bergerak menyilang

melalui matriks perpindahan panas yang dilalui oleh flue gas. Arah matriks

perpindahan panas pada penukar panas jenis ini dapat dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Penukar panas bersilangan arah (cross-current)

1. Alat Penukar Panas Saluran Jamak

Alat penukar panas saluran jamak memiliki spesifikasi aliran berupa

saluran jamak banyak laluan (multipass) untuk aliran udara pendingin dan saluran

tunggal untuk aliran flue gas. Dengan adanya saluran jamak ini, perpindahan

panas berlangsung secara bertahap sehingga laju penurunan temperatur flue gas

lebih teratur. Fluida panas (flue gas) yang digunakan dalam penelitian ini adalah

udara yang berasal dari kerangan (valve) yang dipanaskan oleh alat pemanas udara

(heater) dan udara ambient sebagai fluida dingin. Rancangan alat penukar panas

saluran jamak ditampilkan pada gambar 5 dan gambar 6 berikut:

Gambar 5. Alat penukar panas jenis pelat saluran jamak untuk sisi udara

Gambar 6. Alat penukar panas jenis pelat saluran jamak untuk sisi flue gas

2. Alat Penukar Panas Berlawanan Arah (Counter Current Plate Heat Exchanger)

Pada alat penukar panas berlawanan arah, kedua fluida, flue gas dan udara

pendingin mengalir masuk ke penukar panas dalam arah berlawanan dan keluar

system dalam arah yang berlawanan juga. Hal ini dapat dilihat pada gambar 7 dan

gambar 8. Dengan skema peralatan tersebut diharapkan hasil yang diperoleh dapat

memenuhi rentang bilangan Reynolds antara 10-400 seperti yang ditekankan

Marriot (1971).

Gambar 7. Alat penukar panas jenis pelat berlawanan arah untuk sisi udara

Gambar 8. Alat penukar panas jenis pelat berlawanan arah untuk sisi flue gas

3. Alat Penukar Panas Bersilangan Arah (Cross Current Plate Heat Exchanger)

Apabila kedua fluida mengalir sepanjang permukaan perpindahan panas

dalam gerakan yang tegak lurus satu dengan lainnya, maka penukar panasnya

dikatakan berjenis aliran silang (cross flow). Pada sistem ini, udara bergerak

menyilang melalui matriks perpindahan panas yang dilalui flue gas. Aliran fluida

panas dan dingin pada penukar panas pelat beraliran silang yang akan digunakan

pada percobaan ini tidak saling bercampur (unmixed). Hal ini disebabkan oleh

adanya sekat yang memisahkan aliran kedua fluida tersebut. Skema peralatan

penukar panas pelat beraliran silang ini ditampilkan pada gambar 9.

Gambar 9. Alat penukar panas jenis pelat bersilangan arah

BAB III

METODOLOGI

3.1. Alat dan Bahan

3.1.1.Alat

1) Power supply

2) Stavolt

3) Radial module

4) Kabel

5) Cooling water

3.1.2.Bahan

1) Air pendingin (cooling water)

2) Material sample (kuningan besar (A), kuningan kecil (B), stainless steel (C),

dan sistem radial).

3.2. Prosedur Percobaan.

1) Rangkailah peralatan seperti pada gambar alat.

2) Hidupkan power supply.

3) Atur wattmeter sesuai yang dikehendaki (untuk linier dan radial).

4) Catat waktu temperatur masuk air pendingin seketika setelah power supply

dihidupkan.

5) Catatlah harga temperatur yang terbaca T1, T2, sampai T9 (untuk sistem linier)

dan T1, T2, T3, T7, T8, T9 (untuk sistem radial). Apabila harga wattmeter stabil

seperti yang dikehendaki.

6) Lakukan langkah 1 – 5 terhadap masing-masing jenis logam A, B, C untuk

setiap variasi sistem.

7) Lakukan langkah 1 sampai 5 terhadap masing-masing jenis logam A, B dan C

untuk setiap variasi sistem.