Proses Perpindahan

2

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Dalam kehidupan sehari-hari sering dijumpai berbagai macam proses

pepindahan panas. Begitupun di industri, banyak alat yang berprinsip pada proses

perpindahan panas, contohnya heat exchanger. Panas akan mengalir dari suhu

tinggi ke suhu yang rendah. Dalam ilmu teknik kimia diperlukan memahami

tentang proses perpindahan. Ilmu perpindahan panas brguna untuk merencanakan

alat-alat penukar panas, menghitung kebutuhan mdia pemanas/ pendingin pada

reboiler atau kondensor dalam kolom destilasi, untuk perhitungan furnace,

perancangan ketel uap,perancangan evaporator, dan perancangan reaktor kimia.

Oleh karena itu dilakukan percobaan ini untuk memahami proses perpindahan

panas sederhana sehingga kelak dapat diaplikasikan di industri.

1.2 Batasan masalah

Air yang digunakan adalah air kran.

Gelas yang digunakan berdiameter 7,5 cm dengan ketebalan 0,25 cm.

Pengambilan data dilakukan setiap 3 menit.

Temperatur awal air adalah 75oC dan temperatur akhirnya 50oC

Perpidahan panas pada gelas diabaikan.

1.3 Tujuan Percobaan

Mempelajari proses perpindahan energi dari temperatur tinggi (sistem) ke

temperatur yang lebih rendah (lingkungan).

Membandingkan hasil percobaan dengan perhitungan menggunakan

Matlab.

2

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Perpidahan energi dalam bentuk kalor berlangsung dalam banyak proses

kimaiwi maupun proses-proses lainnya. Perpindahan kalor biasanya berlangsung

bersamaan dengan satuan operasi teknik kimia lain, seperti pengeringan, distilasi,

pembakaran, penguapan dan sebagainya. Perpindahan kalor terjadi karena adanya

perbedaan suhu sebagai gaya penggeraknya. Kalor mengalir dari bagian yang

bersuhu lebih tinggi ke bagian bersuhu lebih rendah.

Perpindahan kalor seperti peristiwa perpindahan lainnya dapat dinyatakan

oleh persaman :

Jika perpindahan kalor hanya berlangsung secara konduksi, berlaku

Hukum Fourier yaitu peristiwa perpindahan secara molekuler baik perpindahan

momentum, perpindahan kalor maupun massa dinyatakan oleh persamaan dasar

yang sama, yaitu :

qx = laju perpindahan kalor ke arah x, watt

A = luas penampang yang tegak lurus arah perpindahan, m2

T = suhu, K

x = jarak perpindaha, m

qx/A = fluks kalor, W/m2

2

dT/dx = gradien suhu dalam arah x

Penerapan persamaan 4 pada neraca keadaan tak tunak unutk volume banding

yang memiliki luas penampang A, seperti pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Neraca kalor tak tunak dalam suatu volume banding

Penerapan persamaan 1 pada neraca keadaan tidak tunak dapat dituliskan

sebagai berikut :

Jika laju pembentukan kalor dianggap nol, maka persamaan menjadi :

q|x=x q|x=x+Δx

xΔx

x+Δx

Δy

Δz

2

Jika perpindahan kalor terjadi pada dinding silinder, seperti perpindahan kalor

pada dinding pipa, dapat dilihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Perpindahan panas pada dinding silinder

Pada gambar 2.2 silinder yang panjangnya L, memiliki radius dalam r1 dan

bersuhu T1, radius luar r2 dan bersuhu T2. Jika dapat dianggap bahwa

perpindahan kalor hanya berlangsung kea rah radial dari dalam ke luar, hokum

Fourier dapat ditulis :

Luas penampang yang tegak lurus terhadap arah aliran kalor :

Neraca kalor pada keadaaan tak tunak pada dinding silinder, yaitu :

L r2

r1 q

dr

2

Pada percobaan ini data k, Cp dan ρ pada air 75oC (348,15 K) diperoleh dari

Appendix A.2-11 (Geankoplis, 2013). Berikut data yang diperlukan :

Tabel 2.1 Data k, Cp dan ρ air pada 75oC

ρ k Cpkg/m3 W/mK kJ/kgK

989,08 0,6435 4,185

2

BAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

Percobaan ini dilakukan dengan cara mendinginkan air dalam gelas kimia

yang ditutupi plastik dari 75oC sampai dengan 50oC. Termometer yang digunakan

sebanyak 2 buah, ditempatkan di tengah dan disamping gelas kimia (mendekati

dinding gelas bagian dalam). Kemudian mencatat perubahan temperaturnya setiap

3 menit.

3.1 Diagram Alir Percobaan

Gambar 3.1 Diagram alir percobaan

2

Gambar 3.2 Rangkaian alat percobaan

3.2 Alat yang digunakan

Gelas kimia

Termometer

Heater

Stopwatch

Plastik

3.2 Bahan yang digunakan

Air kran

2

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil Percobaan

Tabel 4.1 Hasil pecobaan , hasil perhitungan, dan % error pendinginan air kran

t

(detik)

T Percobaan T Perhitungan % Error

T tengah

(K)

T samping

(K)

T tengah

(K)

T samping

(K)

T tengah

(K)

T samping

(K)

0 348,15 350,15 348,15 350,551 0,000% 0,11%

180 345,15 347,15 348,1523 331,1358 0,862% 4,84%

360 343,15 344,95 347,7654 328,977 1,327% 4,86%

540 340,65 342,15 346,0628 327,9793 1,564% 4,32%

720 338,65 340,15 343,5232 327,3677 1,419% 3,90%

900 336,15 337,65 340,6753 326,9478 1,328% 3,27%

1080 334,65 335,65 337,835 326,6426 0,943% 2,76%

1260 333,15 334,15 335,2858 326,4083 0,637% 2,37%

1440 331,15 332,15 333,2035 326,2187 0,616% 1,82%

1620 329,65 330,65 331,5316 326,0627 0,568% 1,41%

1800 328,15 329,15 330,084 325,9383 0,586% 0,99%

1980 326,65 327,15 328,7771 325,8413 0,647% 0,40%

2160 325,15 326,15 327,7153 325,7613 0,783% 0,12%

2340 324,15 325,15 326,9568 325,6907 0,858% 0,17%

2520 323,15 323,65 326,3593 325,6317 0,983% 0,61%

2580 322,65 323,15 326,0582 325,6198 1,045% 0,76%

2

Gambar 4.1 Kurva hubungan antara temperatur (K) dengan waktu (detik) hasil

Percobaan

Gambar 4.2 Kurva hubungan antara temperatur (K) dengan waktu (detik) hasil

perhitungan menggunakan Matlab

2

4.2 Pembahasan

Pada percobaan ini bertujuan untuk membandingkan penurunan

temperatur air dari 75oC sampai dengan 50oC per 3 menit secara percobaan

dengan perhitungan menggunakan Matlab. Dari hasil percobaan tersebut dapat

diketahui bahwa semakin jauh dari titik pusat jari-jari maka temperatur semakin

sulit mengalami penurunan. Hal ini disebabkan oleh air yang berada jauh di titik

pusat jari-jari berbatasan langsung dengan material gelas yang memiliki

konduktivitas lebih besar dari pada air. Temperatur pada material gelas lebih

tinggi dari pada temperatur air sehingga mempengaruhi temperatur air yang

berbatasan langsung dengan material gelas tersebut.

Dari hasil perhitungan menggunakan Matlab, sama halnya dengan hasil

percobaan. Semakin jauh dari titik pusat jari-jari , temperatur air semakin sulit

mengalami penurunan. Akan tetapi hasil percobaan dan hasil perhitungan

memiliki nilai yang berbeda. Sehingga diperoleh persen error seperti yang

tercantum pada tabel 4.1. Perbedaan nilai ini terjadi dikarenakan pada percobaan

ini perpindahan panas pada gelas diabaikan.

2

BAB V

KESIMPULAN

Dari percobaan tersebut dapat disimpulkan :

1. Semakin jauh dari titik pusat jari-jari, temperatur air semakin sulit

mengalami penurunan.

2. Dari hasil percobaan dengan hasil perhitungan menggunakan Matlab

didapatkan hasil yang tidak jauh berbeda.

2

DAFTAR PUSTAKA

Geankoplis, C. J. (2003). Transport Processes and Separation Process Principle

(Includes Unit Operations), fourth edition, Upper Saddle River, New

Jersey.

2

LAMPIRAN

1. Penyelesaian menggunakan Matlab

Rumusan formula :

1. %persamaan transfer panas

2. function dTdt=tugaspp4(t,T)

3. %parameter yang diketahui

4. dens=989.08;%kg/m3

5. cp=4185;%J/kg.K

6. Tair=323.15;%K

7. R=0.0375;%m

8. n=30;

9. dr=R/n;

10. k=0.6435;%W/m.K

11. alpha=k/(dens*cp);

12. r(1)=dr;

13. dTdt(1,:)=(alpha/r(1))*(((1/(dr))*(T(2)-T(1)))+(((r(1))/((dr^2)))*(T(2)-

(2*T(1))+T(1))));

14. for i=2:28

15. r(i)=i*dr;

16. dTdt(i,:)=(alpha/r(i))*(((1/(dr))*(T(i+1)-T(i-1)))+(((r(i))/((dr^2)))*(

T(i+1)-(2*T(i))+T(i-1))));

17. end

18. r(29)=29*dr;

19. dTdt(29,:)=(alpha/r(29))*(((1/(dr))*(Tair-T(28)))+(((r(29))/

((dr^2)))*(Tair-(2*T(29))+T(28))));

2

Formula untuk memplot waktu, temperatur dan jari-jari :

1. %persamaan ode

2. clear

3. clc

4. To=ones(1,29)*348.15;

5. [t T]=ode23('tugaspp4',[0:60:3000],To);

6. R=0.0375;

7. n=30;

8. dr=R/n;

9. Tr0=T(:,1);

10. TrR=T(:,(n-1))./(1-dr/R);

11. TTot=[Tr0 T TrR];

12. r=[0:R/n:R];

13. figure(1)

14. surf(r,t,TTot)

15. title('profil temperatur sepanjang lapisan')

16. xlabel('r(m)')

17. ylabel('t(s)')

18. zlabel('T(K)')

Kemudian pada formula ke-2 di run, sehingga diperoleh kurva :

Gambar L.1 Profil penurunan suhu pada setiap lapisan