MAKALAH PERPINDAHAN KALORProblem Based Learning (PBL)Pemicu 1 : Perpindahan Kalor Konveksi Alami dan Paksa

Disusun Oleh :Kelompok 2 Clara Novia (1306370985)Claudia Maya Indraputri (1306412180)Itamar Pascana Siahaan (1306371016)Kamila Luthfia Putri (1306412193)Tery Muhammad Octaryno (1306370770)

TEKNOLOGI BIOPROSESDEPARTEMEN TEKNIK KIMIAUNIVERSITAS INDONESIADepok, 2015

Kata PengantarPertama-tama, penulis ingin memanjatkan puji dan syukur kepada Tuhan swt, karena dengan berkat dan rahmatnya, penulis dapat termotivasi untuk menyelesaikan makalah Perpindahan Panas ini tepat waktu. Selain itu, penulis juga ingin mengucapkan terima kasih kepada :1. Ibu Dianursanti dan Ibu Tania Surya Utami atas bimbingannya sehingga penulis dapat menyelesaikan makalah ini.2. Teman-teman yang telah mendukung kami selama proses penyelesaian makalah ini.Makalah pemicu II ini bertemakan tentang Perpindahan Kalor Konveksi. Pembahasan dibagi menjadi dua bagian yaitu Konveksi Alami dan Konveksi Paksa. Makalah ini dibuat dengan tujuan untuk memperdalam pengetahuan dan pengertian pembaca mengenai konsep perpindahan kalor konveksi, serta penerapannya dalam kehidupan sehari-hari. Selain itu, penulis juga mencoba menerapkan konsep-konsep tersebut dalam suatu sistem dalam soal perhitungan. Hal ini dilakukan dengan tujuan supaya mempermudah pemahaman konsep-konsep tersebut. Akan tetapi, penulis menyadari bahwa makalah yang dibuat ini tidaklah sempurna, oleh karena itu, penulis mengharapkan adanya kritk dan saran yang membangun terutama dari para pembaca.Akhir kata, penulis kembali lagi mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah berperan serta dalam proses penyusunan makalah ini.Depok, 20 April 2015

Penyusun

Daftar IsiHalaman Judul1Kata Pengantar2Daftar Isi3Daftar Gambar4Daftar Tabel4Bab 1 : Pendahuluan1.1 Latar Belakang51.2 Tujuan5 Bab 2 : Teori Dasar2.1 Perpindahan Kalor Konveksi pada Plat Miring62.2 Perpindahan Kalor Konveksi pada Plat Vertikal62.3 Perpindahan Kalor Konveksi pada Bidang dan Silinder Vertikal72.4 Perpindahan Kalor Konveksi pada Bola dan Dalam Ruang Tertutup82.5 Metode LMTD92.6 Metode NTU-Efektivitas92.7 Faktor Pengotor10Bab 3 : Pembahasan3.1 Contoh Kasus: Angin Darat dan Angin Laut123.2 Perhitungan14Bab 4 : Kesimpulan29Daftar Pustaka30

Daftar TabelTabel 1. Parameter nilai Nu untuk Kalor Tetap 7Tabel 2. Hubungan Empiris Konveksi Bebas pada Ruang Tertutup8

Daftar GambarGbr 1. Ilustrasi Permukaan Miring6Gbr 2. Aliran Konveksi pada Plat Vertikal6Gbr 3. Konveksi pada Bola8Gbr 4. Angin Laut12Gbr 5. Angin Darat13Gbr 6. Ilustrasi Soal No 114Gbr 7. Ilustrasi Soal No 216Gbr 8. Ilustrasi Soal No 318Gbr 9. Ilustrasi Soal No 4a19Gbr 10. Ilustrasi Soal No 4b21Gbr 11. Ilustrasi Soal No 522Gbr 12. Ilustrasi Soal No 623Gbr 13. Alat Penukar Kalor Aliran Silang24Gbr 14. Grafik Aliran dalam Alat Penukar Kalor24Gbr 15. Efektivitas Alat Penukar Kalor Menyilang dengan Kedua Fluida Tidak Tercampur25Gbr 16. Ilustrasi Soal No 7 26

BAB 1PENDAHULUAN1.1 Latar BelakangDalam kehidupan sehari-hari, tentunya sering kita temui kegiata-kegiatan yang berhubungan dengan perpindahan panas, baik konveksi maupun konduksi. Salah satu kegiatan yang umum kita temui adalah proses menjemur baju yang memanfaatkan perpindahan panas konveksi dengan sumber panas berupa sinar matahari. Akan tetapi tentunya terkadang pemanasan akan membutuhkan waktu yang lama (kurang efisien). Oleh karena itu, kita perlu memahami seperti apa proses pemanasan yang terjadi dan faktor yang mempengaruhi proses tersebut.Pada makalah II ini, penulis akan membahas mengenai perpindahan panas konveksi. Dalam perpindahan panas konveksi, perpindahan terjadi disertai dengan perpindahan dari media transfer panasnya. Pembahasan mendalam mengenai konveksi akan berkaitan dengan konveksi secara alami dan konveksi secara paksa yang dilakukan pada berbagai bentuk geometri objek. Kondisi-kondisi batas yang dialami juga divariasi sedemikian rupa sehingga menambah wawasan dan pengertian konveksi sendiri.

1.2 TujuanTujuan dari penulisan makalah ini adalah 1. memperdalam pengetahuan dan wawasan mengenai perpindahan kalor konveksi baik secara alami dan konveksi paksa2. memberikan pengetahuan mengenai analisis permasalahan pada perpindahan kalor konveksi alami dan konveksi paksa 3. menyelesaikan tugas Mata Kuliah Perpindahan Kalor pada bagian Konveksi Alami dan Konveksi Paksa

BAB 2 LANDASAN TEORI2.1 Perpindahan Kalor Konveksi pada Plat dengan Permukaan miringPada permukaan miring, di daerah turbulen, dengan udara, didapat kolerasi empiris berikut:

untuk (1)Dimana Gr*x untuk permukaan panas menghadap ke atas, dan (Gr*x cos ) untuk permukaan panas menghadap ke bawah.Untuk silinder miring,perpindahan kalor laminar pada kondisi fluks kalor-tetap dapat dihitung dengan persamaan: (2)untuk GrL Pr < 2 x 108 dengan = sudut silinder dengan garis vertikal.

Gambar 1 .Ilustrasi permukaan miringSumber : Dokumen Pribadi

Pada ruang tertutup, bentuk umum konveksi pada ruang tertutup adalah(3)dengankonstanta C, n, dan m ada pada tabel pada lampiran.2.2 Perpindahan Kalor Konveksi pada Plat Vertikal Plat VertikalAnalisis dapat dilakukan secara matematis dan paling sederhana diantara yang lain. (4)Gradien tekanan terjadi karena L diatas plat,

Gambar 2. Aliran Konveksi pada Plat VertikalSumber : Dokumen Pribadi (5) dari persamaan Distribusi suhu (6)Semua persamaan diproses lebih lanjut hingga akhirnya menghasilkan (7) (8)2.3 Perpindahan Kalor Konveksi pada Bidang dan Silinder VertikalIsotermalSilinder vertikal dapat langsung diatasi sebagai plat verikal jika (9)Dari percobaan Churcill dan Chu, diperolehjika (10) jika (11)Dari percobaan Bayley, diperoleh(12)Kalor TetapJika ingin menggunakan Nu umum, maka menjadi (13)Untuk aliran Laminar, Untuk aliran Turbulen,

Tabel 1. Parameter untuk nilai Nu

2.4 Perpindahan Kalor Konveksi pada Bola dan dalam Ruang TertutupA. Gambar 3. Konveksi pada BolaSumber : Dokumen Pribadi Bolaa. Berdasarkan percobaan yang dilakukan Amato dan Tien (experiment pada air), berlaku persamaan b. Berdasarkan percobaan yang dilakukan Yuge, berlaku persamaan (15) jika Pr dimasukkan, persamaan menjadi (16)B. Pada Ruang Tertutupa. Bentuk umum konveksi ruang tertutup (17)c, n, dan m terdapat pada Tabel 3 sesuai dengan bentuk masing-masing

Table 2. Hubungan Empiris Konveksi Bebas Pada Ruang Tertutup

2.5 Metode LMTD (Log Mean Temperature Difference)Pada penukar kalor pipa ganda, fluidanya dapat mengalir dalam aliran sejajar maupun aliran lawan arah. Rumus yang digunakan dalam menghitung perpindahan kalor dalam susunan pipa ganda adalah:Q = U A (18)Keterangan:U = koefisien perpindahan kalor menyeluruhA = Luas permukaan perpindahan kalor yang sesuai dengan definisi U = Beda suhu rata-rata yang tepat untuk digunakan dalam penukar kalorBeda suhu antara fluida panas dan fluida dingin pada waktu masuk dan pada waktu keluar tidaklah sama, sehingga perlu ditentukan nilai rata-rata untuk digunakan dalam rumus menghitung perpindahan kalor. Untuk kalor yang dipindahkan melalui unsur luas dA dapat ditulis:dq = -mh ch dTh = mc cc dTc (19)dimana subskrip h dan c masing-masing menandai fluida panas dan fluida dingin. Perpindahan kalor dapat juga dinyatakan sebagai:dq = U (Th-Tc) dA (20)Setelah digabung antar tiap rumusnya, maka didapati rumus beda suhu rata-rata:(21)Penurunan LMTD menyangkut dua pengandaian:1. Kalor spesifik fluida tidak berubah menurut suhu2. Koefisien perpindahan kalor konveksi tetap untuk seluruh penukar kalor

2.6 Metode NTU-EfektivitasPendekatan LMTD dalam analisis penukar kalor berguna bila suhu masuk dan suhu keluar diketahui atau dapat ditentukan dengan mudah, sehingga LMTD dapat dengan mudah dihitung, dan aliran kalor, luas permukaan, dan koefisien perpindahan kalor menyeluruh dapat ditentukan. Bila kita harus menentukan suhu masuk atau suhu keluar, analisis kita akan melibatkan prosedur iterasi karena LMTD itu suatu fungsi logaritma. Dalam hal demikian, analisis akan lebih mudah dilaksanakan dengan menggunakan metode yang berdasarkan atas efektivitas penukar-kalor dalam memindahkan sejumlah kalor tertentu/metode NTU-Efektivitas. Efektivitas penukar-kalor (HE effectiveness) didefinisikan sebagai berikut:

Untuk penukar kalor aliran searah, persamaan ini dapat diturunkan menjadi: (22)Untuk penukar kalor aliran lawan arah: (23)

dengan C =c, dinamakan laju kapasitas. Subskrib min dan max menunjukkan aliran yang mempunyai C =c minimum danc maksimum. Kelompok suku disebut jumlah satuan perpindahan (number of transfer unit = NTU) karena memberi petunjuk tentang ukuran penukar-kalor.Walaupun bagan-bagan NTU-efektivitas sangat bermanfaat dalam soal merancang alat penukar kalor, ada pula penerapan lain yang memerlukan ketelitian yang lebih tinggi dari yang biasa didapatkan dari grafik. Selain itu, prosedur merancang mungkin banyak menggunakan komputer, yang memerlukan adanya persamaan analitis untuk kurva-kurva itu. Dalam banyak hal, tujuan analisis ialah untuk menentukan NTU dan untuk itu dapat dibuat suatu persamaan eksplisit untuk NTU dengan menggunakan efektivitas dan perbandingan kapasitas.

2.6 Faktor Pengotor/FoulingDalam ilmu perpindahan kalor fouling adalah pembentukan lapisan deposit pada permukaan perpindahan panas dari bahan atau senyawa yang tidak diinginkan. Bahan atau senyawa itu berupa kristal, sedimen, senyawa biologi, produk reaksi kimia, ataupun korosi. Pembentukan lapisan deposit ini akan terus berkembang selama alat penukar kalor dioperasikan. Akumulasi deposit pada permukaan alat penukar kalor menimbulkan kenaikan pressure drop dan menurunkan efisiensi perpindahan panas. Rumus Fouling : (24)

BAB 3 PEMBAHASAN3.1 Contoh KasusDapatkah anda menggambarkan dan menjelaskan mekanisme perpindahan kalor yang terjadi pada peristiwa angin laut dan angin darat, serta persamaan-persamaan konveksi yang terlibat dalam penjelasan mekanisme tersebut?Jawab :Perpindahan kalor konveksi adalah perpindahan kalor melalui suatu medium (fluida) yang disertai dengan perpindahan medium tersebut. Peristiwa angin laut dan angin darat adalah salah satu contoh konveksi jenis alamiah. Konveksi alamiah (natural convection), atau konveksi bebas (free convection), terjadi karena fluida yang, karena proses pemanasan, berubah densitasnya (kerapatannya), dan bergerak naik. Angin Laut

Gambar 4. Angin LautSumber : www.eprints.uny.ac.idKalor jenis daratan (zat padat) lebih kecil daripada kalor jenis air laut (zat cair). Akibatnya ketika dipanaskan oleh cahaya matahari pada siang hari, kenaikan suhu daratan lebih besar daripada kenaikan suhu air laut. Pada siang hari daratan lebih cepat menyerap kalor daripada lautan sehingga daratan akan lebih panas dari pada laut. Hal ini mengakibatkan udara panas di daratan akan naik dan tempat tersebut diisi oleh udara dingin dari permukaan laut, sehingga terjadi gerakan udara dari laut menuju ke darat yang biasa disebut angin laut.

Angin Darat

Gambar 5. Angin DaratSumber : www.eprints.uny.ac.id

Pada malam hari daratan lebih cepat dingin daripada lautan sehingga daratan akan lebih dingin dari pada laut. Hal ini mengakibatkan udara panas di permukaan air laut akan naik dan tempat tersebut diisi oleh udara dingin dari daratan, sehingga terjadi gerakan udara dari darat menuju ke laut yang biasa disebut angin darat. Angin darat terjadi pada malam hari, biasa digunakan oleh nelayan tradisional untuk melaut mencari ikan.Menurut Newton, pada perpindahan kalor konveksi konveksi berlaku:QC = hC AC tDengan: QC = kecepatan perpindahan kalor (Btu/J, W) AC = luas media (ft2, m2) t = beda suhu permukaan benda (Tw) dengan suhu fluida yang mengalir (T~) hC = Koefisien perpindahan kalor konveksiKarena perpindahan kalor secara konveksi terjadi pada fluida, maka nilai dari hc ditentukan oleh berbagai variabel:- Bentuk benda - Letak benda - suhu permukaan (ts) - Ukuran atau dimensi - suhu fluida (ta) - beda suhu (t)

- gravitasi (g) - viskositas ()

- Densitas () - kapasitas kalor (cp) - koefisien muai volum () - keadaan permukaan benda - konduktivitas termal (k)

3.2 Perhitungan1. Sebuah kolektor sinar matahari, berbentuk plat rata berukuran 1 m2, terletak miring dengan sudut 20 terhadap horizontal. Permukaan panas berada pada suhu 160C dan tekanan 0.1 atm. Sejajar di atas permukaan panas tersebut, dipasang jendela transparan yang berfungsi melewatkan energi radiasi dari matahari. Jarak antara jendela transparan dengan permukaan panas adalah 8 cm. Suhu jendela transparan dipertahankan pada suhu 40oC. Hitunglah perpindahan kalor konveksi alami yang terjadi di antara permukaan panas dengan jendela transparan! Jawab : Diketahui:A = 1m2 = 8 cm = 20Tw = 160C

Gambar 6. Ilustrasi Soal no 1(Sumber : Personal Resource)T = 40CP = 1 atmAsumsi:1. Fluida di antara plat adalah udaraSifat udara dievaluasi pada suhu rata-rata antara kedua plat sehingga didapatkan:

Dengan menginterpolasi, didapatkan :Pr = 0.697 Menghitung Rayleigh Number

Menghitung konduktivitas Thermal

Menghitung laju perpindahan kalor sehingga Nilai q yang didapatkan menjadi :

Jadi perpindahan kalor konveksi yang terjadi antara permukaan panas dengan jendela transparan adalah sebesar 412W

2. Sebuah bola berdiameter 2,5 cm berada pada suhu 38C, akan dibenamkan ke dalam suatu wadah yang berisi air dengan suhunya 15C.a. Bagaimana anda menjelaskan pengaruh dimensi dan ukuran wadah tersebut terhadap mekanisme perpindahan kalor yang terjadi pada system di atas?b. Jika wadah yang digunakan adalah suatu bejana yang berukuran 8x7x6 cm3, bagaimana anda menentukan laju perpindahan kalornya?c. Apa yang menjadi pertimbangan anda dalam menentukan persamaan empiris yang akan digunakan untuk menyelesaikan problem diatas?30

Jawab :a. Proses perpindahan kalor konveksi adalah perpindahan kalor yang diikuti oleh perpindahan partikel partikel zat perantaranya. Pada mekanisme perpindahan kalor diatas adalah perpindahan kalor konveksi dari permukaan bola menuju ke fluida wadahnya. Pada peristiwa ini, termasuk dalam peristiwa perpindahan panas konveksi dua dimensi yaitu, perpindahan panas konveksi antara dua bidang yang berlainan dalam perantara fluida. Perpindahan panas menganut asas black, yaitu kalor yang dilepas akan sama dengan dengan kalor yang diterima. Jadi kalor yang akan dilepas oleh bola akan sama dengan kalor yang diterima oleh fluida yang ada dan wadahnya. Ukuran dari wadahnya akan mempengaruhi suhu setimbang dari sistem yang ada pada soal, ketika suhu bola sama, volume fluida sebanding dengan besar wadah, maka jika wadah fluida kecil suhu setimbang akan menjadi lebih besar dibanding dengan suhu setimbang pada wadah yang lebih besar.b. Asumsi: Perpindahan kalor dari bola ke air Semua sifat di evaluasi pada suhu film Diketahui:D= 2,5 cm= 0,025 mTw=38C

Gambar 7. Ilustrasi Soal no 2Sumber : Dokumen Pribadi T=15C

Gambar 3. Ilustrasi soal 2Sifat dari air ditinjau pada suhu film, maka diperoleh:K = 0,614

Dengan menggunakan rumus dibawah untuk nilai 3x 105 < GrPr < 8x 108

c. Pada intinya persamaan yang digunakan tetap persamaan perpindahan kalor konveksi, namun nilai h dipengaruhi oleh bilangan Nu nya, dan penulis harus mencari nilai bilangan Rayleigh terlebih dahulu, bilangan Rayleigh adalah hasil perkalian antara bilangan Grashof (Gr) dan bilangan Prandtl (Pr). Setelah diperoleh nilai bilangan Rayleigh yaitu sebesar 6,83106. Penulis dapat menentukan rumus dari bilangan Nu nya dari rentang nilai Ra 3x 105 < GrPr < 8x 108, dan pada rentang itulah rumus Nu yang digunakan adalah

3. Sebuah silinder vertical dengan tinggi 1,8 m, diameter 7,5 cm, dan suhu 93C, berada dalam lingkungan dengan suhu 30C.a. Hitunglah kalor yang dilepas melalui konveksi alami dari silinder ini!b. Dapatkah silinder tersebut diperlakukan sebagai plat rata vertical? Berapakah diameter minimum yang harus dimiliki oleh silinder tersebut agar dapat diasumsikan sebagai plat rata vertical?c. Jika silinder tidak dapat dianalogikan dengan plat rata vertical, bagaimanakah cara anda menyelesaikan permasalahan diatas?Jawab :a. Asumsi: Soal adalah konveksi bebas, sehingga nilai h adalah 10 W/m2C Suhu lingkungan dan suhu silinder tetap dan seragam

Jadi, kalor yang dilepas dari silinder adalah b. Sebuah silinder dapat diasumsikan sebagai plat rata vertical ketika:

Diameter minimum silinder agar dapat diasumsikan sebagai plat rata vertical adalah c. Jika silinder tidak dapat dianalogikan sebagai plat rata vertical, maka silinder diselesaikan menggunakan penyelesian menggunakan silinder verticalDiketahui:L/t= 1,8 mD= 0,075 mTw= 93CT= 30C Asumsi: Suhu film adalah suhu yang digunakan untuk menentukan karakteristik dari fluida Suhu lingkungan dan suhu silinder seragam dan tetapSifat Fluida: Gambar 8. Ilustrasi soal 3Sumber : Dokumen Pribadi Jawab:

Menggunakan daftar 7-1 untuk menentukan nilai C dan m, yang digunakan untuk menyelesaikan soal.

Jadi, kalor yang dilepas adalah

4. Suhu pada suatu permukaan dinding vertikal 4 ft x 10 ft dipertahankan konstan 530F sedangkan suhu udara sekeliling 70F pada tekanan 1 atm.a. Hitunglah kalor yang hilang dari permukaan dinding itu secara konveksi bebas ke udarab. Jika dinding itu disekat dengan bahan penyekat yang tebalnya 2 inci dan daya hantar panasnya (konduktivitas termal) = 0,121 BTU/jam.ft.F. Hitunglah kalor yang hilang secara konduksi dan konveksi bebas bila dianggap suhu pada permukaan penyekat 250F.Diketahui : Tw = 530F

Gbr 9. Ilustrasi Gambar dari Soal 4aSumber : Dokumen PribadiT = 70FDimensi = 4 ft x 10 ftDitanya :a. Kalor yang hilang dari permukaan dinding secara konveksi bebas ke udaraJawab : Asumsi 1. Suhu dinding dibuat konstan2. Perpindahan kalor yang terjadi hanya menuju udara sekeliling Mencari Data yang dibutuhkanData diambil berdasarkan suhu film/suhu referensi yaitu :

kudara= 0,01985 BTU/jam.ft = 3,063.10-4 ft2 /s = 4,358.10-4 ft2 /sg = 32,174 ft2 /s Menghitung bilangan tak berdimensi Nusselt untuk menentukan persamaan yang digunakan untuk mencari h.Bilangan Rayleigh :

Berdasarkan nilai dari bilangan Rayleighnya yang berada pada rentang diantara 10-1 < Ra