Makalah Titik Didih.docx

BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Perpindahan kalor dari suatu zat ke zat lain seringkali terjadi dalam industri proses. Pada kebanyakan pengerjaan, diperlukan pemasukan atau pengeluaran kalor, untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Kondisi pertama yaitu mencapai keadaan yang dibutuhkan untuk pengerjaan, terjadi umpamanya bila pengerjaan harus berlangsung pada suhu tertentu dan suhu ini harus dicapai dengan jalan pemasukan atau pengeluaran kalor. Kondisi kedua yaitu mempertahankan keadaan yang dibutuhkan untuk operasi proses, terdapat pada pengerjaan eksoterm dan endoterm. Disamping perubahan secara kimia, keadaan ini dapat juga merupakan pengerjaan secara alami.

Bila dalam suatu sistem terdapat gradien suhu, atau bila dua sistem yang suhunya berbeda disinggungkan,maka akan terjadi perpindahan energi. Proses ini disebut sebagai perpindahan Kalor (Heat Transfer). Dari titik pandang teknik (engineering). Salah satu contohnya peristiwa sederhana adalah proses memasak air yang mana didalamnya terdapat titik didih air (batas temperature antara fasa liquid dan gas) yang menarik dan memerlukan analisa yang didasarkan pada ilmu perpindahan Kalor.

1

1.2 Rumusan Masalah Dari latar belakang di atas kita mengambil rumusan masalah diantaranya : 1. Apa pengertian dari perpindahan kalor? 2. Apa jenis-jenis perpindahan kalor didih ( boiling liquid) ? 3. Bagaimana perpindahan kalor didih ( boiling liquid) ? 1.3 Tujuan Dari rumasan masalah diatas maka tujuan dari makalah ini diantaranya : 1. Mengetahui apa yang dimaksud perpindahan kalor 2. Mengetahui jenis – jenis perpindahn kalor 3. Mengetahui perpindahan kalor pada titik didih air ( boiling liquid)

2

BAB 2 PEMBAHASAN 2.1 Pengertian Perpindahan Kalor Perpindahan kalor (heat transfer) ialah ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material.Pada termodinamika telah kita ketahui bahwa energi yang pindah itu dinamakan kalor (heat). Ilmu perpindahan kalor tidak hanya mencoba menjelaskan bagaimana energi kalor itu berpindah dari suatu benda ke benda lain, tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan yang terjadi pada kondisikondisi tertentu. Kenyataan di sini yang menjadi sasaran analisis ialah masalah laju perpindahan, inilah yang membedakan ilmu perpindahan kalor dari ilmu termodinamika. (Buchori,2017). Termodinamika membahas sistem dalam keseimbangan, ilmu ini dapat digunakan untuk meramal energi yang diperlukan untuk mengubah sistem dari suatu keadaan seimbang ke keadaan seimbang lain, tetapi tidak dapat meramalkan kecepatan perpindahan itu. Hal ini disebabkan karena pada waktu proses perpindahan itu berlangsung, sistem tidak berada dalam keadaan seimbang. Ilmu perpindahan kalor melengkapi hukum pertama dan kedua termodinamika, yaitu dengan memberikan beberapa kaidah percobaan yang dapat dimanfaatkan untuk menentukan perpindahan energi. Sebagaimana juga 7 dalam ilmu termodinamika, kaidah-kaidah percobaan yang digunakan dalam masalah perpindahan kalor cukup sederhana, dan dapat dengan mudah dikem bangkan sehingga mencakup berbagai ragam situasi praktis. (Holman,1997)

3

2.2 Jenis Perpindahan Kalor Didih 2.2.1 Mendidih Wadah (Pool Boiling) Misalkan kita memanaskan air yang ditempatkan pada sebuah wadah dengan pemanas, maka pada saat temperature air telah mencapai temperature saturasi disebutlah air tersebut telah mendidih. Seperti yang telah disebutkan, pada tekanan 1 atmosfer temperature saturasi air adalah 100oC. pada gambar ditampilkan proses pendidihan saat temperature permukaan pemanas mulai dari sekitar 103oC sampai dengan 400oC.

A. Pendidihan konveksi alamiah/natural (Garis 0A) Meskipun air telah mencapai temperature saturasi, tetapi jika temperature permukaan pemanasnya masih kurang dari 105oC, di dalam air belum akan terbentuk gelembung-gelembung uap. Oleh karena itu, kasus pendidihan yang seperti ini dapat dikategorikan sebagai konveksi natural. B. Nucleate Boiling (Garis A-B-C) Jika excess temperature dinaikkan lagi, hingga mencapai 30oC, akan terbentuk gelembung uap, dan namanya akan disebut nucleate boiling. Proses 4

ini dapat dibagi menjadi dua, proses A-B gelembung uap yang terjadi masih hilang di dalam air atau belum sampai ke permukaan. Pada proses B-C, gelembung air sudah mempunyai temperature yang cukup untuk lepas ke permukaan. C. Transition Boiling (Garis C-D) Setelah mencapai titik maksimum di C. laju perpindahan panas diperkirakan akan menurun menuju titik D. Terjadinya penurunan laju perpindahan panas ini, karena mulai terbentuk kantung-kantung uap di permukaan pemanas, yang mengurangi koefisien perpindahan panas. D. Film Boiling ( D ~) Setelah melalui titik D, diperkirakan di atas permukaan pemanas akan terbentuk lapisan uap, fenomena ini lah yang menjadi alasan disebut film boiling. 2.2.2 Flow Boiling Perbedaan utama bagian ini dengan pool boiling adalah adanya gaya luar yang mendorong terjadinya aliran fluida. Jenis aliran yang terjadi bisa saja fluida mendidih mengalir di dalam pipa seperti yang umum dijumpai pada pipa-pipa boiler, atau aliran fluida yang mendidih di lura pipa. Pada gambar ditunjukkan mekanisme pendidihan yang terjadi pada aliran fluida di dalam pipa.

5

A.Single Pashe Liquid Yaitu daerah dimana hanya ada satu fasa tunggal yakni liquid B.Bubbly Flow Tepat pada titik (1) mulai terbentuk gelembung-gelembung uap air, menjadi tanda bahwa proses awal pendidihan dimulai. Pada titik (2), gelembung-gelembung uap air semakin banyak terbentuk dan membuat aliran gelembung (bubbly flow). C. Intermediate Flow Diantara titik (2) dan (3), gelembung-gelembung uap semakin banyak dan berkumpul membentuk gelembung-gelembung berukuran lebih besar. Aliran yang dikenal dengan istilah intermediate flow ini memiliki fase bernama saturated nucleate boiling.

6

D. Annular Flow Sampai di titik (3), temperatur air semakin tinggi dan mencapai temperatur saturasinya dan mencapai fase nucleate boiling region. Pada fase ini campuran air dengan uap air mulai membentuk sebuah aliran yang bergelembung, dan membentuk lingkaran seperti gelang (annular flow). E. Mist Flow Pada titik (4) proses perpindahan panas mencapai CHF (Critical Heat Flux), dimana lapisan film air pada dinding pipa digantikan dengan lapisan film berupa uap air. F. Single Phase Flow Setelah titik (5), semua air telah terevaporasi dan berubah fase menjadi uap air. 2.3 Perpindahan Kalor Didih ( Boiling Liquid) Pendidihan adalah sebuah proses perubahan menjadi fasa gas vapor pada cairan yang dipanaskan.karekteristik yang paling menonjol dari proses mendidih adalah terbentuknya fasa berupa fasa gas (vapor).Secara umum diketahui , bahwa temperartur pembentukan gas ( Saturation Temperature Ts), dapat dihitung dengan pertimbangan tekanan sekitar (P). Saat sebuah tekanan diberikan , Saturation temperature dapat diketahui nilainya secara pasti melalui table termodinamika dan tetap konstan saat mengalai proses pendidihan untuk beberapa liquid.(Mikhayev,1986) Biasanya temperatur didih (titik didih ) liquid diasumsikan sama dengan saturation temperature. Pencobaan menunjukan , bahwa titik didih liquid

7

biasanya terlalu panas ini disebut Tf yang sedikit lebih tinggi dari temperature saturation Ts . Perbedaan suhu(φ) tertentu selalu ada pada permukaan antara cairan dan uap. Ini adalah fungsi dari sifat fisik cairan yang terlibat dan intensitas pembentukan uap, untuk pendidihan air pada kondisi atmosfer adalah ; φ = Tf -Ts= 0.4-0.8 oC.(Mikhayev,1986)

Percobaan diatas menunjukkan temperatur didih (titik didih ) liquid hampir konstan (Gbr.5.1) pada tingkat cairan permukaan yang dipanaskan. Peningkatan tajam pada temperature dapat dilihat pada permukaan yang dipanaskan dengan tebal 2-5 mm. Temperature partikel cairan dalam kontak fisik langsung dengan permukaan yang dipanaskan . Karenanya , temperarur dari cairan pada permukaan pemanasan lebih tinggi dari pada saturation temperature , ∆t = Tw-Ts . Nilai dari ∆t naik seiring dengan kenaikan rata – rata dari Perpindahan kalor (q) [ kcal/sq mhr]. (Mikhayev,1986) Melalui pengamatan visual didapatkan bahwa gelembung terbentu hanya pada permukaan cairan yang dipanaskan,dimana cairan berada pada titik superheated maximum, dan hanya pada titik tertentu di permuakaan yang disebut sebagai 8

Starting Point. Sifat dari titik awal belum ditetapkan. Hanya diperlihatkan bahwa gelembung-gelembung gas yang diadsorpsi oleh permukaan dan bagian-bagian permukaan dimana efek adhesi dapat menjadi titik awal penguapan. Adhesi didefinisikan sebagai upaya yang diperlukan untuk melepaskan cairan dari permukaan. (Mikhayev,1986) Penelitian lebih lanjut menunjukan nilai dari Starting Point (Z) tergantung dari derajat superheated pada permukaan yang dipanaskan.Kenaikan pada ∆t memerlukan penigkatan Z , dan intensitas pendidihan. Pada dasarnya , ini tergantung fenomena tegangan permukaan yang muncul antara liquid dan gas. (Mikhayev,1986) Tegangan permukaan didefinisikan sebagai tegangan yang menyebabkan permukaan cairan bebas berkontraksi; tegangan ini bersinggungan dengan permukaan. Satuan tegangan permukaan adalah tegangan per satuan panjang garis batas acak pada permukaan cairan. Tegangan permukaan berkurang dengan kenaikan suhu dan mencapai nol pada suhu kritis. (Mikhayev,1986) Perubahan tegangan permukaan dengan suhu dapat diungkapkan oleh rumus ilmuwan Soviet Bachinsky: σ = c (γ’- γ’’)4 [Kg/m]

(5.1)

dimana γ’ : Gravitasi Spesifik liquid γ’’: Gravitasi Spesifik dari gas pada temperature saturasi c : Faktor Proporsional

9

Nama senyawa

Tegangan Permukaan pada suhu 20oC

Air

0,00695

Benzene

0,00294

Ethyl alcohol

0,00227

Mercury

0,048

Tabel . Nilai tegangan permukaan dari beberapa cairan

Jika temperature dari air lebih dari 300oC maka dapat di cari dengan persamaan σ =0,0071

γ’− γ’’ 1000

[Kg/m]

(5.2)

Tekanan didalam gelembung P1 lebih tinggi dari paa tekanan di sekitar cairan P karena tekanan permukaan.Menurut persamaan Laplace, tekanan pada gelembung yang mempunyai perbedaan dua tekanan dapat dihutung melalui persamaan berikut :

∆P = P1-P =

2σ ᵨ

(5.3)

Dimana ᵨ = Radius Kelengkungan gelembung , m

Tekanan p sesuai dengan temperature saturasi Ts , dan temperatur uap pada gelembung lebih tinggi dari Ts , karena tekanan P1 melebihi P. Ini jelas bahwa temperature di dalam gelembung yang terbentuk pada permukaan sama dengan Tw= Ts+∆T . Karena perbedaan tekanan ∆P = P1-P dimana gelembungya dapat diekspresikan oleh superheat cairan di dinding ∆T melalui persamaan :

10

∆P = P (Ts+∆T) – P(Ts) = P’∆T + P’’

∆𝑇 2 2

+ …… + P’∆T

(5.4)

P’dapat dihitung dengan persamaan Clausius – Clapyron: P’ =

Dimana

(𝑑𝑝) (𝑑𝑡)

s

𝑟 𝑥 γ’x γ’’

= 𝐴 𝑥 𝑇𝑠 𝑥( γ’− γ’’ ) [ Kg/sq m-oC]

(5.5)

𝑟 : kalor penguapan , kcal/kg γ’ : Gravitasi Spesifik liquid, Kg/cu m γ’’: Gravitasi Spesifik dari gas pada temperature saturasi, Kg/cu m Ts : Temperature Saturasi absolut , o K

Dari persamaan (5-3) (5-4) dapat disimpulkan bahwa pembentukan gelembung lebih mungkin terjadi pada titik superheat maksimum, yaitu pada permukaan yang dipanaskan di mana tekanan uap jenuh maksimum. Lebih lanjut, dari persamaan (5-6) dapat disimpulkan bahwa dalam cairan mendidih pada setiap perbedaan suhu yang diberikan ∆T, ada radius minimum yang cukup pasti dari titik lengkung titik di mana pembentukan gelembung uap dimungkinkan. Namun, pertumbuhan gelembung yang lebih kecil masih tidak mungkin, karena

ᵨ < ᵨmin

dan tekanan didalam gelembung melebihi dari

kesetimbangan (∆P> P’∆T). Persamaan berikut , berdasarkan teori data uji kapilaritas , untuk menentukan diameter pemisah dalam dari gelembung dalam cairan tenang : σ

do = 20 x 𝛳 √γ’− γ’’ (mm) Untuk air mendidih pada permukaan logam formula ini dapat disusun seperti pada bentuk berikut:

11

d = 2,65 x √(

𝑦 ′ − 𝑦 ′′ 2 ) (𝑚𝑚). 1000

Pada tekanan atmosfir (t = 100°C), y’ = 958 kg/cu m, y’’ = 0,58 kg/cu m dan d = 2,5 mm. Gelembung yang dihasilkan pada cairan yang didihkan memiliki bentuk seperti yang tergambar di gambar 5-3 (a), dan secara mudah dapat terpisah dari permukaan. Jika cairan mendidih tidak membahasi permukaan pemanas, uap menumpuk dalam bentuk gelembung seperti pada gambar (b).

Gambar 5-3 (a) gelembung uap pada saat membasahi permukaan (b) gelembung uap pada saat tidak membasahi permukaan. Karena suhu cairan mendidih t, lebih tinggi daripada suhu saturasi ts, perpindahan panas intensif antara cairan dan gelembung terjadi dan menyebabkan gelembung terus tumbuh setelah pemisahannya dari permukaan. Gelembung meningkat dalam volume puluhan kali, ini tergantung pada waktu naik dan tingkat cairan superheat. Sketsa dari film yang dibuat dengan kamera gambar bergerak, diperlihatkan dalam gambar 5-4, memberikan beberapa gambaran tentang laju peningkatan gelembung 5 sampai 6 kali sepanjang jarak 50 mm dalam seperempat

12

detik. Gambar 5-5 menggambarkan secara grafis ketergantungan d = f(τ) untuk masing-masing gelembung uap. Peningkatan ganda dalam volume dari gelembung-gelembung yang terpisah membuktikan bahwa dari permukaan pemanas panas ditransfer terutama ke cairan; itu diantarkan ke volume dengan konveksi dan selanjutnya digunakan untuk menguapkan cairan menjadi gelembung. Transfer langsung panas dari permukaan pemanas ke uap hanya dimungkinkan selama pertumbuhan gelembung dan sebelum terlepasnya dari permukaan. Tetapi, karena area kontak gelembung ke permukaan kecil dan konduktivitas termal uap yang rendah, hanya sejumlah kecil panas yang dapat ditransfer ke gelembung pada periode tersebut. Jika seseorang mengawasi cara dari gelembung berasal, tumbuh dan terlepas dari salah satu titik awal, orang itu memperhatikan bahwa ada periodisitas tertentu dalam proses tersebut. Misalnya, dalam salah satu pengujian yang dilakukan dengan air mendidih di bawah tekanan atmosfer telah dipastikan dengan bantuan kamera gambar bergerak berkecepatan tinggi bahwa gelembung yang muncul tetap pada titik awal tetapi untuk interval waktu τ1 = 0,025 detik. Cairan bercampur di sekitar titik awal setelah gelembung terpisah dari permukaan. Oleh karena itu, gelembung berikutnya dapat berasal pada titik awal hanya setelah cairan telah dipanaskan ke suhu yang diperlukan, ini berlangsung selama periode perkiraan waktu τ1 = 0,025 detik.

13

Gambar 5-4 laju pertumbuhan gelembung uap dalam air mendidih. Karenanya, waktu pertumbuhan gelembung adalah τ0 = τ1 + τ1 = 0,025 + 0,025 = 0,05 detik dalam kasus ini, dan frekuensi gelembung berasal (atau terpisah dari permukaan pemanas) U =

1 τ0

= 20 l/detik. Dalam kondisi atmosfer, semakin kecil

d, maka semakin tinggi U, dan sebaliknya; U x d = konstan (kurang-lebih). Produk dari Ud, bagaimanapun, tidak tetap konstan dengan tekanan yang meningkat, itu dapat berkurang.

Gambar 5-5 variasi gelembung uap dengan waktu.

14

Pertumbuhan

gelembung

sampai

pemisahannya

lalu

pergerakan

selanjutnya menyebabkan sirkulasi dan pencampuran cairan di permukaan, ini menghasilkan peningkatan tajam dalam laju perpindahan panas dari permukaan ke cairan. Oleh karena itu, semakin tinggi frekuensi gelembung terlepas dari permukaan U dalam cairan mendidih dan semakin besar jumlah titik awal Z, semakin besar

perpindahan panas menjadi, yaitu semakin tinggi koefisien

perpindahan panas α, yang terakhir adalah fungsi dari Δt atau q, untuk nilai-nilai U dan Z tergantung pada perbedaan suhu Δt. Kurva tipikal yang mengekspresikan koefisien perpindahan panas yang diplotkan terhadap perbedaan suhu Δt ditunjukkan pada gambar 5-6. Di wilayah AB perbedaan suhu rendah dan laju aliran panas yang rendah. Koefisien perpindahan panas kecil ini ditentukan .

Gambar 5-6 variasi fluks panas dan koefisien perpindahan panas dalam air mendidih dengan perbedaan suhu.

15

oleh konveksi bebas cairan fase tunggal. Untuk air wilayah ini dibatasi oleh perbedaan suhu Δt≈5°C dan laju perpindahan panas yang sesuai q≈5x103 kkal/sq m-hr. Di wilayah BC, intensitas perpindahan panas adalah fungsi konveksi cair yang dihasilkan dari pertumbuhan dan gerakan gelembung. Disini koefisien perpindahan panas α meningkat pesat dengan meningkatnya perbedaan suhu Δt dan mencapai nilai yang sangat tinggi. Mode pendidihan ini disebut nukleat, karena intensitas proses ditentukan terutama oleh kehadiran dan gerakan gelembung. Dalam ilustrasi gambar 5-7 dan 5-8 menunjukkan nilai-nilai α diplot dengan q untuk air dan benzena dalam nukleat intensif yang mendidih pada tekanan yang berbeda. Kurva didasarkan pada data uji. Berdasarkan itu dan analog data,

α = A x 𝑞 0.7 = B x Δ𝑡 2,55 [

kkal m − hr − °C]. sq

Pada titik C mode dari perubahan didih dan koefisien perpindahan panas α turun tajam dengan meningkatnya perbedaan suhu Δt. Ini disebabkan oleh fakta bahwa dalam zona didihnukleat angka jumlah titik awal atau nuclei terus meningkat dengan naiknya Δt dan pada akhirnya ada begitu banyak titik awal sehingga gelembung-gelembung asal bergabung untuk membentuk film uap yang memisahkan cairan dari permukaan yang dipanaskan. Rezim mendidih ini didefinisasikan sebagai didih film. Film uap, tentu saja tidak stabil; itu pecah secara terus menerus menjadi beberapa bagian dan terpisah dari permukaan dalam bentuk gelembung besar, dengan film baru terbentuk pada permukaan yang dibebaskan. Karena itu, momen 16

ketika nukleasi berubah menjadi film didih bergantung pada sifat fisik cairan didih dan kondisi hidrodinamik dimana proses terjadi, terutama pada intensitas sirkulasi.

Gambar 5-7 α = ! (q, ?) untuk air dan gambar 5-8 α = f(q, p) untuk benzena Nilai-nilai perbedaan suhu, koefisien perpindahan panas dan laju aliran panas per satuan luas dimana pendidihan nukleasi berubah menjadi pendidihan film disebut kritis atau puncak. Nilai-nilai ini berbeda untuk cairan yang berbeda pula; misalnya, untuk air yang mendidih di bawah tekanan atmosfer dan konveksi alami Δtcr = 25°C, αct = 5x103 kkal/sq m-hr-°C dan qpuncak = 1,25x104 kkal/sq mhr; untuk benzena didih dalam kondisi yang sama Δtcr = 47°C, αct = 8,5x103 kkal/sq m-h-°C dan qpeak = 4x105 kkal/sq m-hr. Perbedaan suhu kritis berkurang dengan meningkatnya tekanan. Pembentukan keberadaan perbedaan suhu kritis sangat penting untuk secara praktik. Ini dapat digunakan untuk memilih kondisi suhu optimal untuk pendidih dan evaporator dimana panas dipindahkan dari satu cairan pada suhu ts ke cairan lain yang mendidih pada suhu ts. Perbedaan suhu keseluruhan dan laju perpindahan panas dapat ditingkatkan dengan menaikkan suhu cairan pemanas.

17

Bahwa bagaimanapun, hanya benar sampai tw – ts < Δtcr pada sisi cairan didih; pada tw – ts > Δtcr peningkatan suhu pemanasan menyebabkan penurunan tajam dalam kapasitas peralatan karena perubahan didih nukleasi menjadi didih film dan koefisien perpindahan panas menurun tajam. Oleh karena itu, kondisi suhu peralatan ketel harus diperiksa dengan teliti. Dalam bagiannya, bagaimanapun sering ada kasus ketika laju aliran panas q diberikan, ini menjadi ciri khas dinding air tanur ketel uap, penukar panas listrik, dll. Pada suhu q>qpeak suhu dinding logam naik tajam ke nilai yang tidak dapat diterima. Oleh karena itu, dalam menghitung perangkat ketel, seseorang harus tahu tidak hanya Δtcr, tetapi juga nilai qpeak nya harus sesuai, karena yang terakhir dalam kebanyakan kasus adalah batas atas dari fluks panas yang permukaan pemanasnya dikenakan selama pendidihan. Kurva khas yang menunjukkan q diplot sebagai fungsi Δt diperlihatkan pada gambar 5-6. Pada titik D dimana Δt=Δtcr kurva berada pada titik tertinggi, dan titik ini menentukan fluks panas puncak qpeak. Menurut data uji , fluks panas puncak qpeak pertama meningkat tajam, mencapai maksimum tertentu dengan meningkatnya tekanan, kemudian turun ke nol pada tekanan kritis. Kurva pada gambar 5-9 menyatakan rasio p/pcr (tekanan relatif) yang diplot dengan qpeak, p/qpeak tipikal dari banyak cairan. Disini pcr adalah tekanan kritis; qpeak, fluks panas puncak p pada qpeak adalah fluks panas puncak pada p = 1 ata. Kurva maksimum pada nilai variabel berikut; qpeak, p/qpeak = 3,2 dan p/pcr = 0,35.

18

Gambar 5-9 variasi fluks panas puncak dengan tekanan untuk air. Jika data ini diterapkan pada air (pcr = 225 ata), akan terlihat bahwa qpeak tertinggi = 4x105 kkal/sq m-hr harus terjadi pada p = 80 ata. Untuk benzena (pcr = 49,7 ata) qpeak = 1,28x104 kkal/sq m-hr pada p = 17,5 ata. Selain menentukan ketergantungan koefisien perpindahan panas pada fluks panas atau pada perbedaan suhu (lihat persamaan (5-9)), tes khusus membantu untuk menentukan ketergantungan koefisien perpindahan panas pada tegangan permukaan dan viskositas cairan. Tes dilakukan dengan air di bawah tekanan atmosfer dan q = 5x103 kkal/sq m-hr. Tegangan permukaan bervariasi dari 6x10-3 hingga 2,9x10-3 kg/m, yaitu dua kali, melalui penambahan.

Gambar 5-10 variasi fluks panas dalam air mendidih, tergantung pada perubahan tegangan permukaan pada q = 2x105 kkal/sq m-hr. 19

alkohol isoamyl (hingga 2 persen). Koefisien viskositas diubah dengan melarutkan gula (hingga 60 persen) dalam air, sebagai hasilnya, viskositas berubah 11,8 kali. Hasil uji ditunjukkan secara grafik dalam gambar 5-10 dan 511. Analisis kurva akan menunjukkan bahwa koefisien perpindahan panas cairan didih berkurang dengan meningkatnya tegangan permukaan dan koefisien viskositas. 𝛼 ≈ 𝜎 0,32 𝑑𝑎𝑛 𝛼 ≈ 𝜎 0,45 (5-10) Karena perpindahan panas dalam cairan mendidih adalah proses yang sangat kompleks yang tergantung pada sejumlah besar parameter individu, hubungan yang terungkap (5-9) dan (5-10) dengan sendirinya tidak penting, tetapi mereka sangat membantu dalam menemukan hubungan tanpa dimensi untuk proses yang sedang diselidiki.

Gambar 5-11 variasi fluks panas dalam air mendidih, tergantung pada perubahan koefisien viskositas pada q = 2x105 kkal/sq m-hr. Proses perebusan yang dijelaskan di atas secara kualitatif benar untuk setiap cairan yang membasahi permukaan pemanas. Namun demikian, seseorang

20

tidak boleh memperluas hasil kuantitatif yang diperoleh dalam tes individual dan diketahui dari literatur ke cairan dan tekanan lainnya: data ini hanya berlaku untuk cairan yang diuji dan untuk kondisi dimana pengujian individual dilakukan. Perpindahan panas dalam cairan mendidih merupakan proses yang sangat kompleks. Oleh karena itu muncul dalam menemukan istilah tanpa dimensi dan membangun hubungan tanpa dimensi. Setiap penulis memiliki cara sendiri untuk memecahkan masalahnya. Tidak semua cara-cara ini sepenuhnya dibenarkan. Generalisasi yang dibuat oleh ilmuwan soviet G. N. Kruzhilin adalah yang paling konsisten dan valid seara fisik dari semua saran untuk menyelesaikan masalah. Mulanya Ia mempertimbangkan kondisi dari perpindahan panas dimana hanya ada satu titik mula. Dalam kasus ini, proses sepenuhnya menggunakan persamaan aliran, konduktifitas dan kontinuitas dari fasa liquid saja. Rumus ini harus dilengkapi dengan persamaan ekspresif dari pertumbuhan dan gerakan gelembung uap. Ini penting untuk memperhitungkan interaksi dari masing-masing gelembung, untuk biasanya kebanyakan titik mulanya di permukaan pemanas. Interaksi pada titik mula dihitung untuk mengasumsikan bahwa pada momen itu gelembung membentuk jari-jari kelenkungannya, jari-jari permukaan yang tidak teratur disebut sebagai titik mula

21

Setelah mengerjakan data dari hasil uji, Kruzhilin menyarankan persamaan tak berdimensi berikut berdasarkan serangkaian persamaan yang disebutkan :

𝜎

Dimana, = √𝛾′ −𝛾" , proporsional untuk diameter d0, dari gelembung yang terlepas sendiri dari permukaan, diambil sebagai dimensi linear, sifat fisik dari liquid diterapkan ke fasa liquid pada temperatur saturasi fs.

22

Persamaan tanpa dimensi (5-11) dan (5-12) mengekspresikan data uji yang diperoleh dengan cairan mendidih dalam volume besar dalam kondisi konveksi bebas. Persamaan ini tidak memperhitungkan efek sirkulasi paksa. Ukuran dimana cairan tidak dipanaskan sampai temperature saturasi, dan sifat basah cairan. Akibatnya, hal tersebut memerlukan klarifikasi lebih lanjut dan ekstensi dari rentang aplikasinya. Namun demikian persamaan yang diperoleh cukup menarik, karena mereka membuktikan bahwa adalah munkin untuk menggeneralisasikan data uji yang berkaitan dengan proses yang kompleks, seperti mendidih dan mempertimbangkan untuk memperluas kemungkinan menghitung perpindahan panas untuk berbagai cairan mendidih. Memperluas dan menyajikan persamaan diatas dalam bentuk tanpa dimensi, kami mendapatkan hubungan berikut

23

Untuk koefisien perpindahan panas :

Satuan dalam rumus diatas adalah kg-s/sq m untuk µ dan kg, m, jam, kcal, C untuk semua parameter lainnya. Disini α dan qpeak dianggap sebagai fungsi

o

sifat fisik saja. Oleh karena itu, rumus dapat digunakan (dalam rentang aplikasi mereka) untuk menghitung α dan qpeak, sama seperti αcr dan Δtcr untuk semua cairan dan tekanan, asalkan tersedia data yang dapat diandalkan tentang sifat yang tersedia. Hasil dari beberapa kalkulasi untuk air ditampilkan dalam grafik dalam bentuk hubungan α = I (Δt, p) dan dalam gambar 5-13 α = f (q, p). Grafik menunjukkan bahwa koefisien perpindahan panas meningkat dan perbedaan temperature kritis berkurang dengan meningkatnya tekanan, sementara fluks panas puncak pertama meningkat dengan tekanan hinga 80 ata, lalu menurun tajam, mendekati nol pada p =pcr. Variasi dari qpeak, Δtcr dan αcr dengan tekanan ditampilkan dalam (5.14). Perhitungan rumus selanjutnya, berdasarkan grafik direncanakan untuk rentang tekanan dari p = 0.2 ke p = 100 ata, mungkin direkomendasikan untuk koefisien perpindahan panas dari air dalam nucleate boiling :

24

Rumus perhitungan yang sederhana dan mudah seperti itu dapat diturunkan dari persamaan (5.13) dan (5.14) untuk setiap cairan; rumus-rumus ini tidak dapat diterapkan

di

daerah

kritis.

Sebagai

kesimpulan,

mari

kita

juga

mempertimbangkan pembaharuan panas dalam cairan mendidih pada parameter individu dari proses tersebut. Pengalaman menunjukkan bagaimana perubahan panas dalam cairan mendidih berbeda untuk cairan yang berbeda. Perbedaan ini tergantung kepada sifat fisik liquid. Ketergantungan perpindahan panas pada tekanan juga ditentukan oleh variasi sifat dengan temperature. Oleh karena itu sangat penting untuk mengetahui tempat dan signifikasi setiap sifat fisik dalam proses yang dipelajari. Secara eksperimental sangat sulit untuk menentukan efek individu dari banyaknya sifat dari proses dari perpindahan panas. Tetapi, seperti yang dikatakan

dalam Sec. 2-4, ini dapat diselesaikan dengan menganalisa

hubungan umum yang menggambarkan proses.

25

Ini merujuk dari persamaan (5-13) bahwa intensitas perpindahan panas paling dipengaruhi oleh fluks panas, gravitasi spesifik cairan mendidih dan kondukticitas

termal:

intensitas

perpidahan

panas

meningkat

dengan

meningkatnya nilai-nilai ini. Dari persamaan (5-14) dapat dilihat bahwa fluks panas puncak terutama tergantung pada perbedaan dalam gravitasi spesifik cairan dan uap, konduktifitas termal cairan, temperature didih absolut, panas penguapan dan panas. Gravitasi spesifik dari uap; fluks panas puncak naik dengan nilai-nilai ini. Semua kesimpulan ini, bagaimanapun, hanya berlaku untuk cairan pembasahan. Dalam hal cairan tidak basah, gelembung gelembung menyebar ke permukaan, bergabung dan membentuk lapisan uap kontinu. Perpindahan panas yang efisien dan fluks panas puncak sangat tergantung pada kondisi di mana vapor yang dihasilkan terpisah dari permukaan pemanas.

26

Kondisi ini paling disukai dalam kasus permukaan pemanasan horizontal, sisi dingin menghadap ke atas. (5-11) hingga (5-15) berlaku untuk kondisi seperti itu saja. Jika sisi di dinginkan dari pelat leating menghadap ke bawah, kondisi dimana uap terpisah dari permukaan memburuk dengan tajam dan panas puncak melonjak dua kali lipat (40 persen, lebih tepatnya).

Bentuk dan ukuran permukaan panas dan ketinggian cairan di atasnya praktis tidak terpengaruh pada intensitas dari perpiundahan panas. Ada pandangan yang agak meluas bahwa bahan dan kondisi permukaan pemanas sangat mempengaruhi intensitas transier panas dalam cairan boilling. Namun, pengaruh faktor-faktor ini hanya pada tahap awal saja, sementara permukaannya masih baru. Seiring waktu oksidasi pengotoran dan penskalaan menghilangkan perbedaan antara permukaan irreguler dan halus. Jika proses boiling terjadi dalam ruang terbatas tabung, misalnya kondisi yang dijelaskan tetap berlaku, meskipun sejumlah faktor baru muncul. Dalam kasus tabung arrangement sangat penting dan kadang-kadang, itu sangat penting karena posisi pelumas di ruang makan sangat mempengaruhi sifat gerak dan kecepatan di mana cairan mendidih bergerak.

27

Selain itu, perpindahan panas tergantung pada kandungan uap dalam cairan. Telah ditemukan melalui penelitian khusus bahwa gerakan campuran uap air berbeda sesuai dengan rasio uap air : campuran bergerak sebagai emulsi homogen atau dalam dan uap (gam,bar 5-15). Dalam beberapa kasus, air bergerak ke atas perimeter, di dinding dan uap tengah di tengah tabung. Di yang lain, kedua aliran tidak tergantung cairan bergerak di satu bagian tabung dan uap di bagian lain tabung.

Pengetahuan kami tentang proses pendidihan didalam tabung masih jauh dari memadai dan belum bisa menjadi rumitnya kondisi hidrodinamik dimana proses tersebut terjadi. Oleh karena itu, perhitungan koefisien perpindahan panas dan fluks panas puncak untuk cairan yang mendidih di dalam tabung harus didasarkan pada data khusus yang diperoleh dalam pengujian yang dilakukan dengan cairan yang sama dalam kondisi yang sesuai. Dalam kasus dimana tidak ada data tersebut tersedia, urutan besarnya yang tidak diketahui (α dan 𝑞𝑝𝑒𝑎𝑘 ).

28

BAB 3 PENUTUP

3.1 Kesimpulan Dari pembahasan tentang perpindahan kalor pada titik didih air ( boiling liquid) dapat disimpulkan bahwa Perpindahan kalor (heat transfer) ialah ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material. Sedangkan titik didih air adalah sebuah proses perubahan menjadi fasa gas vapor pada cairan yang dipanaskan. Karekteristik yang paling menonjol dari proses mendidih adalah terbentuknya fasa berupa fasa gas (vapor).Secara umum diketahui , bahwa temperartur pembentukan gas ( Saturation Temperature Ts), dapat dihitung dengan pertimbangan tekanan sekitar (P). Setelah itu didapatkan berbagai jenis titik didih air yakni pool boiling dan flow boiling. 3.2 saran Dari pembahasan yang diatas tadi kita bisa mempelajari tentang perpindahan kalor pada titik didih air. Kita juga bisa mempelajarinya lebih dalam lagi dan kita juga bisa menerapkannya. Semoga makalah ini mampu digunakan sebagai pembanding dari hasil tugas makalah tentang perpindahan kalor pada titik didih air dan sebagai rujukan mahasiswa maupun civitas academia untuk pembelajaran mengenai perpindahan kalor pada titik didih air.

29

DAFTAR PUSTAKA Ambarita , H.2017, Perpindahan Panas dan Massa , Medan : Intelegensia media Mikheyev, M.. 1986 ,Fundamentals of Heat Transfer, Moscow: John Willey & Sons Inc

30