7. Alat penukar panas

Balik ke – 6. Perpindahan panas oleh radiasi

Alat penukar panas adalah alat untuk mempertukarkan panas antara dua fluida yang dipisahkan oleh partisi penghantar panas. Alat penukar panas sangat banyak digunakan dalam industri untuk pemanasan, pendinginan dan perubahan fasa yang diinduksi panas (pembekuan, penguapan). Fluida yang saling bertukar panas tersebut bisa terkungkung, tidak terkungkung (bebas), diam atau mengalir. Partisi adalah dinding padat penghantar panas, biasanya terbuat dari logam.

Perancangan alat penukar panas biasanya melibatkan dua domain utama: analisis panas dan perhitungan hidrolik. Di sini hanya akan dibahas kinerja panasnya saja.

Koefisien perpindahan panas menyeluruh

Pandang pertukaran panas antara dua fluida A dan B, yang dipisahkan oleh dinding penghantar panas (Gambar 1). Anggap T1 > T2 sehingga panas berpindah dari A ke B melalui tiga hambatan panas:

  1. Hambatan terhadap perpindahan panas konvektif dari fluida A ke luas kontak dinding (T1 –> T2).
  2. Hambatan dinding untuk perpindahan panas konduktif (T2 –> T3).
  3. Hambatan perpindahan panas konvektif dari permukaan dinding ke fluida B (T3 –> T4).
Gambar 1. Aliran panas dengan batas konveksi.

Laju perpindahan panas, yang didorong oleh beda suhu menyeluruh T1 – T4 adalah:

(1)

dimana A adalah luas perpindahan panas (m^2), h1 dan h2 adalah koefisien perpindahan panas berturut-turut pada sisi A dan B (W/m^2.K), T1 dan T4 adalah suhu fluida A dan B (K), ‘delta’x adalah tebal dinding (m) dan k adalah konduktivitas panas dinding (W/m.K).

Penyebut dalam Persamaan (1) adalah jumlah total hambatan perpindahan panas oleh konveksi pada dua sisi selaput tipis dan konduksi dinding pemisah. Maka, koefisien perpindahan panas menyeluruh U didefinisikan sebagai

(2)

Satuan SI dari U adalah W/m^2.K. Substitusi Persamaan (2) ke (1):

(3)

Koefisien perpindahan panas menyeluruh U adalah konsep dasar dalam perpindahan panas. Besaran ini dipenagruhi oleh banyak variabel, mis: sifat kedua fluida, kondisi aliran, pola aliran, geometri, ukuran fisik, tebal dan konduktivitas panas dinding, dll. Ketiga hambatan yang disebutkan di atas biasanya tidak sama signifikansinya. Sebagai contoh, jika fluida pada salah satu sisi alat penukar panas adalah uap yang mengembun (kukus) dan pada sisi lainnya cairan yang kental, hambatan panas pada sisi kukus mungkin dapat diabaikan. Jika penyekat terdiri atas dinding tipis dengan konduktivitas tinggi (mis.: tembaga), hambatan dinding dapat diabaikan. Nilai U untuk kasus pertukaran panas umum yang berbeda diberikan dalam Tabel 1.

Pertukaran panas antara fluida yang mengalir

Dalam alat penukar panas kontinyu, kedua fluida berada dalam gerakan. Ada tiga jenis pola aliran utama: sejajar, berlawanan arah dan aliran memotong (Gambar 2). Aliran sejajar dan berlawanan arah adalah yang paling umum dalam pertukaran panas cair-ke-cair dan cair-ke-uap yang mengembun. Pertukaran panas aliran memotong khususnya biasa digunakan untuk pemanasan atau pendinginan udara.

Gambar 2. Jenis pola aliran dalam alat penukar panas.

Ketika fluida yang saling mempertukarkan panasnya mengalir, suhu masing-masing fluida mengalami perubahan (Gambar 3). Suhu fluida panas turun dan suhu fluida dingin naik. Hal ini mengakibatkan beda suhu yang mendorong perpindahan panas berubah dari satu titik dalam alat penukar panas ke titik yang lain. Pandang alat penukar panas berlawanan arah shell-and-tube dan elemen kecil dA dari permukaan pertukaran yang ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 3. Profil suhu fluida panas dan fluida dingin sebagai fungsi dari jarak (posisi) yang mengakibatkan beda suhu lokal berubah dengan jarak.

Fluida panas dan dingin akan diberi indeks h dan c. Dari neraca panas

(4)

(5)

dimana m mewakili laju alir massa, kg/s. Dari laju perpindahan panas Persamaan (3):

(6)

Persamaan (4) dan (5) menunjukkan bahwa jika laju alir dan panas spesifik adalah tetap, maka Th dan Tc berubah secara linier dengan q. Dengan demikian, beda suhu ‘delta’T juga berubah secara linier dengan q:

(7)

Setelah pemisahan variabel dan integrasi antara titik 1 dan 2 untuk seluruh alat penukar panas dengan menganggap U konstan diperoleh:

(8)

Persamaan dalam kurung adalah rata-rata logaritma beda suhu, disingkat LMTD (log mean temperature difference) atau ‘delta’Tml. Maka, laju pertukaran panas total untuk seluruh alat penukar panas adalah:

(9)

Dalam analisis di atas, dinding pemisah dianggap datar dan tipis. Dengan demikian, ukuran dA dan luas total A dianggap sama untuk sisi dingin dan panas. Untuk permukaan tebal dan melengkung (mis.: pipa berdinding tebal), luas juga akan menjadi rata-ratanya. Namun yang lebih umum adalah menggunakan luas salah satu dan mengkonversi koefisien perpindahan panas konveksi sisi lainnya dengan suatu faktor konversi tertentu.

Persamaan (9) berlaku untuk aliran berlawanan arah dan sejajar tetapi tidak untuk aliran campuran, mis.:alat penukar panas shell-and-tube dengan dua lintasan dalam sisi pipa (lihat Gambar 4). Faktor koreksi untuk berbagai macam konfigurasi aliran tersedia dalam literatur.

Gambar 4. Alat penukar panas shell-and-tube berlawanan arah.

Pengerakan

Efisiensi alat penukar panas mungkin bisa sangat berkurang selama operasi. Salah satu penyebab yang penting adalah akibat dari pengendapan berbagai macam bahan yang konduktivitasnya relatif rendah pada permukaan pertukaran. Sifat bahan ini tergantung pada fluida yang diolah, mis.: kerak dalam kasus air sadah, dll. Pengerakan sering menentukan waktu operasi maksimal antara dua penghentian untuk pembersihan.

Jika laju pengendapan bahan yang mengerak dan konduktivitas panasnya diketahui, pengaruh pengerakan dapat diperhitungkan dalam perhitungan alat penukar panas. Hambatan lapisan kerak terhadap perpindahan panas secara gampang ditambahkan ke hambatan menyeluruh. Tanpa ada data yang pasti, dianggap bahwa hambatan lapisan kerak terhadap perpindahan panas naik secara linier dengan waktu:

(10)

dimana U adalah koefisien perpindahan panas menyeluruh dari penukar ‘kotor’, U0 adalah koefisien perpindahan panas dari penukar ‘bersih dan ‘beta’ adalah faktor kerak (W^-1 m^2 K s^-1).

Perlu dicatat bahwa Persamaan (10) hanya memberikan perkiraan pendekatan hambatan kerak. Pembentukan kerak sering tidak merata pada seluruh permukaan pertukaran. Sebagai contoh, laju pengendapan lebih tinggi di tempat dimana aliran adalah rendah. Dalam merancang alat penukar panas biasanya digunakan faktor hambatan pengotor total Rd yang merupakan hambatan pengotor total dimana kinerja alat dipandang tidak lagi mampu memenuhi spesisifkasi operasi.

6. Perpindahan panas oleh radiasi

Balik ke – 5. Perpindahan massa antar fasa keadaan tunak

Istilah radiasi mencakup serangkaian peristiwa yang sangat banyak yang melibatkan perpindahan energi dalam bentuk gelombang. Disini hanya akan dibahas jenis radiasi khusus yang disebut radiasi panas. Radiasi panas merujuk kepada radiasi elektromagnetik dalam rentang panjang gelombang 10^-7 sampai 10^-4 m dan mencakup terutama rentang radiasi infra merah. Disebut demikian karena praktis pengaruh satu-satunya adalah panas, dengan kata lain, pendinginan benda yang mengemisikan dan pemanasan benda yang menerima. Diatas suhu absolut nol K, semua zat mengemisikan radiasi elektromagnetik. Intensitas dan ‘warna’ (distribusi panjang gelombang) dari radiasi tergantung pada suhu sumber. Berlawanan dengan konduksi dan konveksi, perpindahan panas oleh radiasi tidak memerlukan kehadiran media bahan.

Interaksi antara bahan dan radiasi panas

Energi radiasi yang menabrak benda sebagian ditransmisikan, sebagian dipantulkan dan sebagian diserap (Gambar 1). Proporsi relatif setiap bagian berturut-turut disebut transmisivitas, reflektivitas, dan absorptivitas, yang jumlah totalnya adalah satu. Hanya bagian yang diserap menyebabkan panas. Jika tidak ada radiasi datang ditransmisikan, benda disebut buram (opaque). Benda yang menyerap secara sempurna radiasi datang disebut benda hitam. Absorptivitas benda hitam adalah satu dan reflektivitas dan transmisitasnya keduanya nol. Benda hitam juga benda yang mengemisikan jumlah maksimal radiasi panas pada suhu yang diberikan. Daya emisi benda hitam hanya merupakan fungsi suhu. Hubungan kuantitatif antara daya emisi benda hitam dan suhunya diberikan oleh persamaan Stefan-Boltzmann:

Gambar 1. Nasib radiasi datang pada permukaan benda.

(1)

dimana E adalah daya emisi benda hitam (W/m^2), ‘sigma’ adalah tetapan Stefan (5,669 x 10^-8 W/m^2.K) dan T adalah suhu absolut (K).

Isitlah benda hitam merujuk kepada model fisik ideal seperti yang diuraikan di atas tidak perlu warna visual benda. Jadi, muka bumi dan bahkan salju putih hampir merupakan benda hitam terhadap sebagian besar spektra energi panas.

Mengikuti definisi, permukaan ‘nyata’ menyerap dan mengemisikan lebih sedikit energi daripada permukaan hitam pada suhu yang sama. Nisbah daya emisi benda nyata terhadap benda hitam pada suhu yang sama disebut emisivitas ‘epsilon’, dan nilainya selalu lebih kecil daripada satu.

Benda adalah ‘abu-abu’ jika emisivitasnya tidak tergantung panjang gelombang. Benda abu-abu juga merupakan model fisik ideal tanpa ada rujukan warna yang jelas. Daya emisi benda abu-abu diberikan oleh:

(2)

Emisivitas permukaan nyata sesungguhnya tergantung pada panjang gelombang. ‘Emisivitas rata-rata’ pada panjang gelombang yang relevan digunakan dalam perhitungan. Emisivitas rata-rata berbagai macam permukaan diberikan pada Tabel 1.

Pertukaran panas radiasi antar permukaan

Sebelum membahas lebih jauh ke dalam aspek kuantitatif pertukaran panas antara permukaan sebagai akibat radiasi, ada catatan penting yang harus diperhatikan:

  • Radiasi bukanlah panas. Ia diubah menjadi panas dan menyebabkan pengaruh panas hanya setelah diserap oleh sebuah benda.
  • Radiasi panas memiliki daya penetrasi yang sangat rendah. Energi radiant panas diserap oleh lapisan tipis dari benda buram. Dari sana, penetrasi panas selanjutnya terjadi oleh konveksi dan konduksi. Dengan demikian, pada benda dengan hambatan internal tinggi terhadap perpindahan panas, radiasi menciptakan beda suhu yang besar antara permukaan dan di dalam benda. Sifat ini dimanfaatkan dalam banyak kasus seperti pembentukan kerak dalam memanggang roti.
  • Karena interaksi antara radiasi dan benda terjadi pada permukaan, absortivitas dan emisivitas adalah sifat permukaan. Perlakuan dan keadaan permukaan (mis.: pemolesan) sangat memengaruhi sifat ini.

Laju bersih pertukaran panas antara benda yang memancarkan radiasi tergantung pada dua jenis variabel:

  • Sifat dan keadaan permukaan yang memancarkan radiasi: suhu, emisivitas dan absorptivitas.
  • Posisi dalam ruang dari permukaan relatif terhadap satu sama lain, termasuk jarak antara keduanya. Untuk penyederhaan, ruang antar permukaan dianggap tidak mengandung benda yang menyerap atau memancarkan radiasi.

Pertama pandang pertukaran panas antara dua permukaan hitam. Kasus paling sederhana adalah bahwa dua permukaan hitam 1 dan 2 yang luasnya sama yang berhadapan satu sama lain. Dengan kata lain, semua radiasi yang dipancarkan oleh satu permukaan ditangkap oleh yang lain dan sebaliknya. Untuk kasus ini, perpindahan panas bersih dari 1 ke 2 adalah:

(3)

Keadaan dimana permukaan yang memancarkan radiasi hanya berhadapan satu sama lain agaknya hampir tidak mungkin. Dalam praktek, hanya sebagian radiasi yang meninggalkan satu permukaan mencapai permukaan lainnya (Gambar 2). Dalam hal ini biasanya didefinisikan ‘faktor pandangan m-n’ (Fm-n) yang merupakan fraksi energi radiant yang diemisikan oleh permukaan m yang menabrak permukaan n. Dengan menambahkan ruang ke Persamaan (3) dan mengabaikan kodisi luas sama didapatkan:

(4)

Secara matematika dapat dibuktikan bahwa:

(5)

Maka Persamaan (3) dapat ditulis sebagai:

(6)

Gambar 2. Perpindahan panas radiasi antara dua pelat sejajar tak hingga.

Dari dua pilihan yang ditawarkan oleh Persamaan (6), lebih disukai persamaan yang paling sederhana atau faktor pandangan yang paling diketahui. Faktor pandangan untuk beberapa kasus sederhana didaftar dalam Tabel 2. Faktor pandangan untuk geometri yang lebih kompleks telah dihitung dan umumnya disajikan dalam bentuk grafik.

Persamaan yang dikembangkan di atas untuk perpindahan panas radiasi antara permukaan hitam perlu dikoreksi untuk pertukaran panas radiasi antara permukaan nyata (dianggap abu-abu). Didefisikan faktor baru emisivitas saling bertukar, ‘epsilon 1 –> 2’. Perhitungan faktor ini memperhitungkan tidak hanya emisivitas masing-masing permukaan tetapi juga geometri. Sebagai contoh, emisivitas saling bertukar untuk dua permukaan bidang abu-abu sejajar yang sangat lebar adalah:

(7)

Untuk dua permukaan abu-abu, persamaan pertukaran panas radiasi menjadi:

(8)

Radiasi digabungkan dengan konveksi

Dalam praktek, perpindahan panas sering melibatkan lebih daripada satu mekanisme. Perpindahan panas oleh gabungan konveksi dan radiasi adalah sangat biasa. Sebagai contoh, dalam oven pemanggang, panas dipindahkan ke produk dari udara panas oleh konveksi dan dari benda panas oleh radiasi. Penjumlahan langsung panas yang dipindahkan oleh kedua mekanisme tersebut adalah sulit. Hal ini karena fakta bahwa perpindahan panas radiasi melibatkan suhu pangkat empat sedangkan persamaan untuk perpindahan panas konveksi dan konduksi, suhu pangkat satu. Untuk mengatasi kesulitan ini, didefinisikan koefisien perpindahan panas ‘semu’ untuk radiasi, hr. Menggunakan definisi ini, persamaan perpindahan panas radiasi dapat dinyatakan dalam suku beda suhu sebagai berikut:

(9)

Untuk pertukaran antara dua benda hitam, hr diperoleh dengan membandingkan Persamaan (9) dengan (3). Hasilnya adalah:

(10)

Lanjut ke – 7. Alat penukar panas