Termodinamika

Alat Penukar Kalor ( Heat Exchanger)

Senin, 30 Maret 2015

Alat Penukar Kalor ( Heat Exchanger)

Alat penukar panas (heat exchanger) adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan panas antara dua buah fluida atau lebih yang memiliki perbedaan temperature yaitu fluida yang bertemperatur tinggi kefluida yang bertemperatur rendah. Perpindahan panas teesebut baik secara langsung maupun secara tidak langsung. Pada kebanyakan sistem kedua fluida ini tidak mengalami kontak langsung. Kontak langsung alat penukar kalor terjadi sebagai contoh pada gas kalor yang terfluidisasi dalam cairan dingin untuk meningkatkan temperatur cairan atau mendinginkan gas.

Alat penukar panas banyak digunakan pada berbagai instalasi industri, antara lain pada : boiler, kondensor, cooler, cooling tower. Sedangkan pada kendaraan kita dapat menjumpai radiator yang fungsinya pada dasarnya adalah sebagai alat penukar panas.

Tujuan perpindahan panas tersebut di dalam proses industri diantaranya adalah :

Memanaskan atau mendinginkan fluida hingga mencapai temperature tertentu yang dapat memenuhi persyaratan untuk proses selanjutnya, seperti pemanasan reaktan atau pendinginan produk dan lain-lain.
Mengubah keadaan (fase) fluida : destilasi, evaporasi, kondensassi dan lain-lain.

Proses perpindahan panas tersebut dapat terjadi secara langsung maupun tidak langsung. Maksudnya adalah :

Pada alat penukar kalor yang langsung, fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin (tanpa adanya pemisah) dalam suatu bejana atau ruangan tertentu. Contohnya adalah clinker cooler dimana antara clinker yang panas dengan udara pendingin berkontak langsung. Contoh yang lain adalah cooling tower untuk mendinginkan air pendingin kondenser pada instalasi mesin pendingin sentral atau PLTU, dimana antara air hangat yang didinginkan oleh udara sekitar saling berkontak seperti layaknya air mancur.
Pada alat penukar kalor yang tidak langsung, fluida panas tidak berhubungan langsung dengan fluida dingin. Jadi proses perpindahan panas itu mempunyai media perantara, seperti pipa, pelat atau peralatan jenis lainnnya. Untuk meningkatkan efektivitas pertukaran energi, biasanya bahan permukaan pemisah dipilih dari bahan-bahan yang memiliki konduktivitas termal yang tinggi seperti tembaga dan aluminium. Contoh dari penukar kalor seperti ini sering kita jumpai antara lain radiator mobil, evaporator AC.

Pertukaran panas secara tidak langsung terdapat dalam beberapa tipe dari penukar kalor diantaranya tipe plat, shell and tube, spiral dll. Pada kebanyakan kasus penukar kalor tipe plat mempunyai efektivitas perpindahan panas yang lebih bagus.

Klasifikasi Alat Penukar Kalor

Adapun klasifikasi dari alat penukar kalor dapat dibagi dalam beberapa kelompok yaitu :

Berdasarkan konstruksinya

1) Tabung (tubular)

2) Plate-Type

3) Extended Surface

4) Regenerative

Berdasarkan pengaturan aliran

1) Single Pass

2) Multi Pass

Bedasarkan jenis aliran

1) Aliran Berlawanan Arah (Counter Flow)

2) Alira Sejajar (Parallel Flow)

3) Aliran Silang (Cross Flow)

4) Aliran Terpisah (Split Flow)

5) Aliran Bercabang (Divide Flow)

Berdasarkan banyaknya laluan

1) Seluruh Cross-counter flow

2) Seluruh cross-parallel flow

3) Parallel counter flow

Berdasarkan mekanisme perpindahan panas

1) Konveksi satu fasa (dengan konveksi paksa atau alamiah)

2) Konveksi dua fasa (dengan konveksi paksa atau alamiah)

3) Kombinasi perpindahan panas

Berdasarkan fungsinya dapat digolongkan pada beberapa nama:

1) Exchanger:

Memanfaatkan perpindahan kalor diantara dua fluida proses (steam dan air pendingin tidak termasuk sebagai fluida proses, tetapi merupakan utilitas).

2) Heater:

Berfungsi memanaskan fluida proses, dan sebagai bahan pemanas alat ini menggunakan steam.

3) Cooler: Berfungsi mendinginkan fluida proses, dan sebagai bahan pendingin digunakan air.

4) Condenser: Berfungsi untuk mengembunkan uap atau menyerap kalor laten penguapan

5) Boiler : Berfungsi untuk membangkitkan uap.

6) Reboiler :

Berfungsi sebagai pensuplai kalor yang diperlukan bottom produk pada distilasi. Steam biasanya digunakan sebagai media pemanas.

7) Evaporator: Berfungsi memekatkan suatu larutan dengan cara menguapkan airnya.

8) Vaporizer: Berfungsi memekatkan cairan selain dari air.

Adapun bentuk dari alat penukar kalor pada industri antara lain :

1. Alat Penukar Kalor Shell dan Tube

2. Alat Penukar Kalor Coil dan Box

3. Alat Penukar Kalor Double dan Pipe

4. Alat Penukar Kalor type Plate

Proses Perpindahan Kalor

Kamis, 12 Maret 2015

Proses Perpindahan Kalor

Perpindahan panas merupakan ilmu untuk meramalkan perpindahan energi dalam bentuk panas yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material. Dalam proses perpindahan energi tersebut tentu ada kecepatan perpindahan panas yang terjadi, atau yang lebih dikenal dengan laju perpindahan panas. Maka ilmu perpindahan panas juga merupakan ilmu untuk meramalkan laju perpindahan panas yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu. Perpindahan kalor dapat didefinisikan sebagai suatu proses berpindahnya suatu energi (kalor) dari satu daerah ke daerah lain akibat adanya perbedaan temperatur pada daerah tersebut. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

1. Perpindahan Kalor secara Konduksi

Perpindahan kalor secara konduksi adalah proses perpindahan kalor dimana kalor mengalir dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah dalam suatu medium (padat, cair atau gas) atau antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung sehingga terjadi pertukaran energi dan momentum.

Gambar 2.1. Perpindahan panas konduksi pada dinding (J.P. Holman,hal: 33)

Laju perpindahan panas yang terjadi pada perpindahan panas konduksi adalah berbanding dengan gradien suhu normal sesuai dengan persamaan berikut Persamaan Dasar Konduksi :

dT/dx = gradient temperatur kearah perpindahan kalor.konstanta positif ”k” disebut konduktifitas atau kehantaran termal benda itu, sedangkan tanda minus disisipkan agar memenuhi hokum kedua termodinamika, yaitu bahwa kalor mengalir ketempat yang lebih rendah dalam skala temperatur.

2. Perpindahan Kalor secara Konveksi

Konveksi adalah perpindahan panas karena adanya gerakan/aliran/ pencampuran dari bagian panas ke bagian yang dingin. Contohnya adalah kehilangan panas dari radiator mobil, pendinginan dari secangkir kopi dll. Menurut cara menggerakkan alirannya, perpindahan panas konveksi diklasifikasikan menjadi dua, yakni konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced convection). Bila gerakan fluida disebabkan karena adanya perbedaan kerapatan karena perbedaan suhu, maka perpindahan panasnya disebut sebagai konveksi bebas (free / natural convection). Bila gerakan fluida disebabkan oleh gaya pemaksa / eksitasi dari luar, misalkan dengan pompa atau kipas yang menggerakkan fluida sehingga fluida mengalir di atas permukaan, maka perpindahan panasnya disebut sebagai konveksi paksa (forced convection).

Proses pemanasan atau pendinginan fluida yang mengalir didalam saluran tertutup seperti pada gambar 2.2 merupakan contoh proses perpindahan panas. Laju perpindahan panas pada beda suhu tertentu dapat dihitung dengan persamaan

Tanda minus ( - ) digunakan untuk memenuhi hukum II thermodinamika, sedangkan panas yang dipindahkan selalu mempunyai tanda positif ( + ).

3. Perpindahan Panas Radiasi

Perpindahan panas radiasi adalah proses di mana panas mengalir dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah bila benda-benda itu terpisah di dalam ruang, bahkan jika terdapat ruang hampa di antara benda - benda tersebut.

Energi radiasi dikeluarkan oleh benda karena temperatur, yang dipindahkan melalui ruang antara, dalam bentuk gelombang elektromagnetik Bila energi radiasi menimpa suatu bahan, maka sebagian radiasi dipantulkan , sebagian diserap dan sebagian diteruskan . Sedangkan besarnya energi :

Gas Ideal

GAS IDEAL

Sebuah gas ideal adalah teori gas yang terdiri dari satu set bergerak-acak, non-berinteraksi titik partikel .Konsep gas ideal berguna karena mematuhi hukum gas ideal, yang disederhanakan, dan setuju untuk analisis dalam.

Pada kondisi normal seperti suhu dan tekanan standar, paling nyata gas berperilaku kualitatif seperti gas ideal.Banyak gas seperti udara, nitrogen, oksigen, hidrogen, gas mulia, dan beberapa gas yang lebih berat seperti karbon dioksida dapat diperlakukan seperti gas ideal dalam toleransi yang wajar. Secara umum, gas berperilaku seperti gas ideal pada tinggi suhu dan rendah density (yaitu lebih rendah tekanan), sebagai pekerjaan yang dilakukan oleh gaya antarmolekul menjadi kurang signifikan dibandingkan dengan partikel ' energi kinetik, dan ukuran molekul menjadi kurang signifikan dibandingkan dengan ruang kosong di antara mereka.

Model gas ideal cenderung gagal pada suhu rendah atau tekanan yang lebih tinggi, ketika pasukan antarmolekul dan ukuran molekul menjadi penting. Hal ini juga gagal untuk gas berat kebanyakan, seperti banyak refrigeran , dan untuk gas dengan pasukan antarmolekul yang kuat, terutama uap air. Pada beberapa titik suhu rendah dan tekanan tinggi, gas nyata menjalani fase transisi, seperti ke sebuah cairan atau padat.Model gas ideal, bagaimanapun, tidak menggambarkan atau mengizinkan transisi fase.Ini harus dimodelkan dengan lebih kompleks persamaan umum.

Model gas ideal telah dieksplorasi di kedua dinamika newton (seperti dalam " teori kinetik") dan dalam mekanika kuantum (sebagai " gas dalam kotak"). Model gas ideal juga telah digunakan untuk model perilaku elektron dalam logam (dalam model yang drude dan model elektron bebas), dan itu adalah salah satu model yang paling penting dalam mekanika statik.

Jenis-jenis gas ideal

Ada tiga kelas dasar gas ideal:

klasik atau Maxwell-Boltzmann gas ideal,
kuantum yang ideal Bose gas , terdiri dari boson , dan
kuantum yang ideal Fermi gas , terdiri dari fermion .

Gas ideal klasik dapat dipisahkan menjadi dua jenis: The gas ideal klasik termodinamika dan gas kuantum yang ideal Boltzmann. Keduanya pada dasarnya sama, kecuali bahwa gas termodinamika klasik yang ideal didasarkan pada klasik mekanika statistik , dan parameter termodinamika tertentu seperti entropi hanya ditentukan ke dalam aditif belum ditentukan konstan. Kuantum yang ideal Boltzmann gas mengatasi keterbatasan ini dengan mengambil limit dari kuantum Bose gas dan kuantum gas Fermi dalam batas suhu tinggi untuk menentukan konstanta ini aditif. Perilaku gas Boltzmann kuantum adalah sama seperti yang dilakukan oleh gas ideal klasik kecuali untuk spesifikasi konstanta ini. Hasil dari gas Boltzmann kuantum digunakan dalam sejumlah kasus termasuk persamaan Sackur-tetrode untuk entropi gas ideal dan ionisasi persamaan Saha untuk lemah terionisasi plasma .

gas ideal klasik termodinamika

Sifat termodinamika The gas ideal dapat dijelaskan oleh dua persamaan: The persamaan keadaan dari gas ideal klasik adalah hukum gas ideal

Persamaan ini berasal dari Hukum Boyle: (Pada T konstan dan n); Hukum Charles: (Pada P konstan dan n), dan Hukum Avogadro: (Pada T konstan dan P). Dengan menggabungkan tiga hukum, itu akan menunjukkan bahwa yang

berarti bahwa . Dalam kondisi ideal, atau lebih tepatnya

. The energi internal gas ideal diberikan oleh:

dimana

· P adalah tekanan

· V adalah volume yang

· n adalah jumlah zat gas (dalam mol)

· R adalah konstanta gas (8,314 J · K^-1mol^-1)

· T adalah temperatur absolut

· k adalah konstanta yang digunakan dalam Hukum Boyle

· b adalah proporsionalitas konstan; sama dengan V / T

· adalah proporsionalitas konstan; sama dengan V / n

· U adalah energi internal

· adalah berdimensi spesifik kapasitas panas pada volume konstan, ≈ 3/2 untuk gas monoatomik , 5/2 untuk diatomik gas dan 3 untuk molekul yang lebih kompleks.

Jumlah gas di J · K^-1 adalah

dimana

· N adalah jumlah partikel gas

· adalah konstanta Boltzmann (1.381 × 10 ^-23 J · K ^-1).

Distribusi probabilitas dari partikel dengan kecepatan atau energi yang diberikan oleh distribusi Boltzmann .

Hukum gas ideal merupakan perpanjangan dari eksperimen menemukan hukum gas . Nyata cairan di low density dan tinggi suhu mendekati perilaku gas ideal klasik. Namun, di bawah suhu tinggi atau kepadatan , cairan nyata menyimpang kuat dari perilaku gas ideal, terutama karena mengembun dari gas menjadi cair atau padat. Penyimpangan ini dinyatakan sebagai faktor kompresibilitas .

Model gas ideal tergantung pada asumsi sebagai berikut:

· Molekul-molekul gas yang bisa dibedakan, kecil, bola keras

· Semua tumbukan elastis dan gerak semua gesekan (tanpa kehilangan energi dalam gerakan atau tabrakan)

· Hukum Newton berlaku

· Jarak rata-rata antara molekul jauh lebih besar dari ukuran molekul

· Molekul-molekul selalu bergerak dalam arah acak dengan distribusi kecepatan

· Tidak ada kekuatan menarik atau tolak antara molekul atau lingkungan

Asumsi partikel berbentuk bola sangat diperlukan agar tidak ada mode rotasi diperbolehkan, tidak seperti dalam gas diatomik. Berikut tiga asumsi yang sangat terkait: molekul sulit, tabrakan yang elastis, dan tidak ada antar-molekul pasukan. Asumsi bahwa ruang antara partikel jauh lebih besar daripada partikel itu sendiri adalah sangat penting, dan menjelaskan mengapa pendekatan gas ideal gagal pada tekanan tinggi.

Usaha

Pengertian Energi Dalam

Sebelum membahas lebih lanjut mengenai hukum pertama termodinamika kita harus memahami terlebih dahulu mengenai usaha, kalor dan energi serta energi dalam. Karena sebelumnya kita telah membahas mengenai usaha, kalor dan energi, maka yang perlu dibahas sekarang adalah mengenai energi dalam.

Setiap benda memiliki energi yang tidak tampak dari luar. Energi ini disebut energi dalam. Energi dalam berhubungan dengan aspek mikroskopik zat. Kita ketahui bahwa setiap zat terdiri atas atom-atom atau molekul molekul yang bergerak terus-menerus. Dari gerakan ini, zat memiliki energy kinetik. Antara molekul-molekul zat juga terdapat gaya yang disebut gaya antarmolekul. Karena gaya antarmolekul ini, molekul-molekul memiliki energi potensial. Jumlah energi kinetik dan energi potensial yang berhubungan dengan atom-atom atau molekul-molekul zat disebut energi dalam. Untuk gas ideal, gaya antarmolekul dapat diabaikan, sehingga energi potensial molekul-molekul adalah nol. Dengan demikian, energi dalam hanyalah total energi kinetik dari seluruh molekul.

Energi dalam adalah suatu sifat mikroskopik zat, sehingga tidak dapat diukur secara langsung. Yang dapat diukur secara tidak langsung adalah perubahan energi dalam (notasi ΔU), yaitu ketika sistem berubah dari keadaan awal (diberi indeks 1) ke keadaan akhir (diberi indeks 2).

Perubahan energi dalam : ΔU = U2 – U1

Formulasi Usaha, Kalor dan Energi Dalam

a. Formulasi Usaha

Proses yang terjadi pada tekanan tetap disebut proses isobarik. Usaha W dapat dihitung dari persamaan: W=F.s dengan F adalah besar gaya dan s adalah besar perpindahan. Gaya F ditimbulkan oleh tekanan gas ρ yang bekerja pada bagian bawah pengisap, yang besarnya F=p.A, sehingga usaha W dapat ditulis: W=(p.A).s. Karena As sama dengan perubahan volum gas, ΔV=V2-V1, dengan V2 dan V1 adalah volum akhir dan awal. Maka usaha W dapat dinyatakan oleh persamaan:

Usaha pada proses isobarik: W = p.ΔV = p(V2-V1)

Rumus W = p.ΔV pada persamaan diatas hanya dapat digunakan untuk menghitung usaha gas pada tekanan tetap (proses isobarik). Jika tekanan gas berubah, usaha W harus dihitung dengan cara integral. Secara umum, usaha dihitung dengan persamaan integral berikut:

Rumus umum usaha gas: W = ∫ p dV

Usaha diferensial dW yang dilakukan gas selama perpindahan :

dW = F.ds = ( pA )( ds ) = p ( A ds )

= p dV

b. Formulasi Kalor

Kalor yang diserap atau diberikan oleh sistem gas dapat dihitung dari rumus kalor:

Q = m.c.Δt atau Q = C.Δt

Dengan c adalah kalor jenis dan C adalah kapasitas kalor gas.

c. Formulasi Energi Dalam

Telah kita ketahui bahwa untuk gas ideal, energy dalam gas sama dengan total energy kinetik dari seluruh molekul-molekul gas. Formulasi energy dalam adalah sebagai berikut:

Gas monoatomik: U = ³/₂ NkT = ³/₂ nRT

Gas diatomik: U = ⁵/₂ NkT =⁵/₂nRT

Dengann = jumlah molekul

N = besar mol

K = tetapan Boltzman (k = 1,38 x 10²³J/K)

R = tetapan umum gas (R = 8,31 J/mol = 8310 J/kmol).

Tentu saja perubahan energy dalam ΔU untuk system yang berubah dari suhu awal T₁ke suhu akhir T₂ dapat dinyatakan sebagai berikut:

Gas monoatomik: ΔU = ³/₂nRΔT = ³/₂nR(T₂-T₁₎

Gas diatomic: ΔU = ⁵/₂nRΔT = ⁵/₂nR(T₂-T₁₎

Dengan ΔU = U₂ – U₁.

Persamaan diatas dengan jelas menunjukkan bahwa perubahan energi dalam sistem hanya bergantung pada suhu awal dan suhu akhir. Dengan kata lain, perubahan energi dalam ΔU hanya bergantung pada keadaan awal dan akhir sistem, dan tidak bergantung pada lintasan yang ditempuh sistem untuk mencapai keadaan itu. Karena itu, energi dalam termasuk fungsi keadaan.