Upload
moh-taufik
View
234
Download
28
Embed Size (px)
Citation preview
PINDAH PANAS TUNAK(Steady State)
Oleh
MOH. TAUFIK, STP, MSI
DEPARTEMEN
ILMU DAN TEKNOLOGI PANGAN
SUBTOPIK
1. Pindah Panas
Pengertian Pindah Panas
Jenis-Jenis Pindah Panas
2. Pindah Panas Konduksi
Lempeng
1. Monolayer
2. Multilayer
Silinder
1. Monolayer
2. Multilayer
3. Pindah Panas Konveksi
Koefisien Pindah Panas Fluida Newtonian
dalam Konveksi Paksaan
Koefisien Pindah Panas Fluida Newtonian
dalam Konveksi Alami
4. Pindah Panas Gabungan
Konveksi – Konduksi - Konveksi
1. PINDAH PANAS
PINDAH PANAS
Pindah panas (heat transfer) Perpindahan
energi kalor dari satu titik ke titik lain
Perbedaan suhu
Pindah panas Salah satu unit operasi penting
dalam pengolahan pangan
Contoh pindah panas di industri
Proses pasteurisasi dan sterilisasi
Evaporasi Memekatkan larutan
Penyimpanan dalam refrigrator
JENIS PINDAH PANAS
Pindah panas dapat dibagi menjadi dua jenis
Pindah panas tunak (steady state) Pindah
panas yang suhu pada suatu posisi dalam bahan
tidak berubah sebagai fungsi waktu
Pindah panas tak tunak (unsteady state)
Pindah panas yang suhu pada suatu posisi
dalam bahan berubah sebagai fungsi waktu.
Pindah panas tunak Konduksi, konveksi dan
radiasi
KONDUKSI, KONVEKSI DAN RADIASI
Konduksi
Radiasi
Konveksi
2. PINDAH PANAS KONDUKSI
Pindah panas konduksi
Perpindahan kalor melalui zat penghantar tanpa disertai perpindahan bagian-
bagian zat itu.
Zat penghantar Zat padat
KONDUKSI
q =k A T1 − T2
Δx
q = Laju alir panas (W atau J/s)
k = Konduktivitas panas (W/mᵒC)
T2 = Suhu titik 2 (ᵒC)
T1 = Suhu titik 1 (ᵒC)
Δx = Tebal lempeng (m)
A = Luas penampang (m2)
Lempeng Monolayer
Fourier's Law
q = −k AdT
dx
KONDUKSI
Lempeng Multilayer
Silinder Monolayer Silinder Multilayer
Bagaimana Pindah Panas Konduksi pada Lempeng
Multilayer, Silinder Multilayer dan Silinder
Multilayer?
KONDUKSI PADA LEMPENG MULTILAYER
T1 T2 T3 T4
T1 − T2 = qxAA kA
Lempeng A
T2 − T3 = qxBA kB
Lempeng B
T3 − T4 = qxCA kC
Lempeng C
T1 – T4 = (T1−T2) + (T2−T3) + (T3 − T4)
T1 – T4 = (q xA
A kA) + (q
xB
A kB) + (q
xC
A kC)
T1 – T4 = 𝐪
𝐀(𝐱𝐀
𝐤𝐀+
𝐱𝐁
𝐤𝐁+
𝐱𝐂
𝐤𝐂)
q = Laju alir panas (W atau J/s)
kA = Konduktivitas panas lempeng A (W/mᵒC)
kB = Konduktivitas panas lempeng B (W/mᵒC)
kC = Konduktivitas panas lempeng C (W/mᵒC)
xA = Lebar lempeng A (m)
xB = Lebar lempeng B (m)
xC = Lebar lempeng C (m)
T1 = Suhu di titik 1(ᵒC)
T4 = Suhu di titik 4(ᵒC)
A = Luas penampang (m2)
q =k A ΔT
x
𝚫𝐓 = 𝐪𝐱
𝐀 𝐤
SOAL-SOAL1. Jika lempengan setebal 1 cm dan salah satu permukaannya (T1) mempunyai suhu 110ᵒC dan permukaan
lainnya mempunyai suhu (T2) 90ᵒC. Konduktivitas panas (k) dari lempeng tersebut adalah 17 W/m ᵒC.
Pada kondisi steady state hitunglah kecepatan aliran panas persatuan luas (q/A) yang terjadi.
Tentukan juga suhu ditengah-tengah lempengan!
2. Suatu dinding ruang pendingin yang berukuran 3 x 6 m2 terbuat dari beton dan insulator. Jika
ketebalan dan konduktivitas beton berturut-turut adalah 15 cm dan 1.37 W/m ᵒC. Konduktivitas
insulator yang digunakan adalah 0.04 W/m ᵒC dan laju pindah panas maksimum yang persyaratkan
500 W. Hitunglah ketebalan insulator yang dibutuhkan supaya suhu dalam ruang pendingin 5ᵒC,
sedangkan suhu luar ruang pendingin 38ᵒC!
KONDUKSI PADA SILINDER MONOLAYER
𝐪 =)𝟐 𝛑 𝐥 𝐤 (𝐓𝟏 – 𝐓𝟐
𝐥𝐢𝐧 (𝐫𝟐𝐫𝟏)
q = Laju alir panas (W atau J/s)
k = Konduktivitas panas (W/mᵒC)
l = Panjang silender (m)
T1 = Suhu titik dalam (ᵒC)
T2 = Suhu titik luar (ᵒC)
r1 = Jari-jari dalam (m)
r2 = Jari-jari luar (m)
𝐓𝟏
𝐓𝟐
𝐫𝟏
𝐫𝟐
Konduksi Pada Silinder Monolayer
KONDUKSI PADA SILINDER MULTILAYER
Silinder A (T1 – T2) =q lin (
r2r1)
2 π 𝑙 kA
T1 – T3 = (T1−T2) + (T2−T3)
T1 – T3 = q lin (
r2r1)
2 π 𝑙 kA+ q lin (
r3r2)
2 π 𝑙 kB
Silinder B (T2 – T3) =q lin (
r3r2)
2 π 𝑙 kB
q = Laju alir panas (W atau J/s)
kA = Konduktivitas panas silinder A (W/mᵒC)
kB = Konduktivitas panas silinder B (W/mᵒC)
r1 = Jari-jari dalam silinder A (m)
r2 = Jari-jari luar silinder A (m)
r3 = Jari-jari luar silinder B (m)
T1 = Suhu di titik 1(ᵒC)
T3 = Suhu di titik 3(ᵒC)
l = Panjang pipa (m)
T1
T2
T3
A
B
q =2 π l k ΔT
lin (r2r1)
ΔT =q lin (
r2r1)
2 π l k
kA
kB
T1 – T3 = q
2 π 𝑙[lin (
r2r1)
kA+ lin (
r3r2)
kB]
SOAL-SOAL1. Suatu pipa baja dengan ketebalan 2 cm, mempunyai diameter dalam 6 cm dan panjangnya 40 m. Nilai
konduktivitas panas logam (k) tersebut adalah 43 W/m ᵒC. Suhu dipermukaan dalam pipa adalah 115
ᵒC dan suhu dipermukaan luar adalah 90 ᵒC. Pada kondisi steady state, hitung laju pindah panas yang
hilang ke lingkungan dari pipa tersebut.
2. Sebuah pipa baja tahan karat (k = 17 W/m ᵒC) dengan panjang 1 m digunakan untuk mentransfer
minyak panas. Suhu dipermukaan dalam pipa adalah 130ᵒC. Pipa tersebut mempunyai ketebalan 2 cm
dan diameter dalam 8 cm. Pipa tersebut dilapisi dengan insulator (k = 0.035 W/m ᵒC) dengan
ketebalan 0.04m. Suhu dipermukaan luar insulator adalah 25ᵒC. Hitung suhu diantara permukaan
baja dan insulator!
3. PINDAH PANAS KONVEKSI
Pindah panas konveksi
Fluida sebagai penghantar panas
Fluida bergerak dari satu tempat ke
tempat lain dan pada saat yang sama
terjadi pergerakan panas
KONVEKSI
q = Laju pindah panas (W atau J/s)
h = Koefisien pindah panas konveksi (W/ m2 ᵒC)
A = Luas permukaan plate (m2)
Ta = Suhu di fluida (ᵒC)
Ts = Suhu di permukaan plate (ᵒC)
SOAL-SOAL
1. Laju aliran panas dari lempengan (plat) metal persatuan luas adalah
1000 W/m2. Suhu permukaan plat tersebut adalah 120 ᵒC dan
lingkungan adalah 20 ᵒC. Perkirakan koefisien pindah panasnya.
h = Koefisien pindah panas konveksi
Menunjukkan kemudahan panas mengalir
dalam sistem fluida
h = Koefisien pindah panas konveksi Ada
dua jenis
h paksaan exp. Kopi yang ditiup
h alami exp. Kopi yang tidak ditiup
KONVEKSI
BILANGAN NUSSELT (Nu)
h = k Nu
𝑙=
k Nu
D
h = Koefisien pindah panas konveksi (W/m2 ᵒC)
k = Konduktivitas panas fluida (W/m ᵒC)
𝑙 = D = Diameter pipa (m)
Nu = Nusselt number
Nu =q Konveksi
q Konduksi=
h A ΔTk A ΔT/𝑙
= h 𝑙k
KOEFISIEN PINDAH PANAS (h) FLUIDA NEWTONIAN DALAM
KONVEKSI PAKSAAN
Pada konveksi paksaan (forced convection)
Fluida Newtonian dipaksa mengalir dengan gaya
mekanik Exp. Kipas, pompa, pengaduk.
Koefisien pindah panas (h) bergantung pada
bilangan Nusselt (Nu) Nu bergantung pada Re
dan Pr.
h = k Nu
Dh = Koefisien pindah panas konveksi (W/m2 ᵒC)
k = Konduktivitas panas fluida (W/m ᵒC)
D = Diameter pipa (m)
Nu = Nusselt number
Nu Re, Pr
KOEFISIEN PINDAH PANAS (h) FLUIDA NEWTONIAN DALAM
KONVEKSI PAKSAAN
Pr =μ Cp
k
Dimana:
Pr = Prandle number
Cp = Panas Jenis Fluida (kJ/kg ᵒC)
k = Konduktivitas panas fluida (W/m ᵒC)
μ = Viskositas (Pa. s)
KOEFISIEN PINDAH PANAS (h) FLUIDA NEWTONIAN
DALAM KONVEKSI PAKSAAN
1. Aliran laminar dalam pipa (Re < 2100)
Untuk Re x Pr xD
L< 100
Untuk Re x Pr xD
L> 100
Pr =μ Cp
k
μw = Viskositas fluida pada dinding pipa (Pa. s)μb = Viskositas fluida secara keseluruhan (Pa. s)
D = Diameter pipa (m)L = Panjang pipa (m)
h = k Nu
D
KOEFISIEN PINDAH PANAS (h) FLUIDA NEWTONIAN
DALAM KONVEKSI PAKSAAN
2. Aliran turbulen dalam pipa (Re > 4000)
Pr =μ Cp
k
μw = Viskositas fluida pada dinding pipa (Pa. s)
μb = Viskositas fluida secara keseluruhan (Pa. s)
h = k Nu
D
SOAL-SOAL
1. Air mengalir dengan massa aliran 0.02 kg/s dipanaskan dengan menggunakan alat penukarpanas. Diameter dalam pipa 2.5 cm. Perkirakankoefisien pindah panas fluida (air) pada permukaandalam pipa yang panjangnya 1 m tersebut. Diketahuiμb 658.026 x 10-6 Pa.s, μw 308.909 x 10-6 Pa.s, panasjenis (Cp) 4.175 kJ/kgᵒC, dan konduktivitas panas air 0.633 kJ/kgᵒC.
KOEFISIEN PINDAH PANAS (h) FLUIDA NEWTONIAN DALAM
KONVEKSI ALAMI
Pada konveksi alami Fluida Newtonian mengalir
karena perbedaan massa jenis (ρ) akibat
perbedaan suhu
Semakin tinggi suhu maka massa jenis akan
semakin rendah
h =k Nu
D
Nu = a (Gr x Pr)m
h = Koefisien pindah panas konveksi (W/m2 ᵒC)k = Konduktivitas panas fluida (W/m ᵒC)
D = Diameter pipa (m)Nu = Nusselt number
KOEFISIEN PINDAH PANAS (h) FLUIDA NEWTONIAN
DALAM KONVEKSI ALAMI
a = Konstanta
m = Konstanta
Pr = Pradle number
Gr = Grashof number
h =k Nu
D
Nu = a (Gr x Pr)m
Pr =μ Cp
k
Pr = Prandle number Cp = Panas Jenis Fluida (kJ/kg ᵒC)k = Konduktivitas panas fluida (W/m ᵒC) μ = Viskositas (Pa. s)
KOEFISIEN PINDAH PANAS (h) FLUIDA NEWTONIAN
DALAM KONVEKSI ALAMI
a = Konstanta
m = Konstanta
Pr = Pradle number
Gr = Grashof number
h =k Nu
D
Nu = a (Gr x Pr)m
Gr =D3 ρ2 g β ΔT
μ2
D = Diameter pipa (m)ρ = massa jenis (kg/m3)
g = Gravitasi (m/s2)
β = Koefisien ekspansi volumetrik
ΔT = Perbedaan suhu dinding dan fluida (ᵒc)
μ = Viskositas (Pa. s)
4. PINDAH PANAS GABUNGAN
(Konduksi dan Konveksi)
KONVEKSI-KONDUKSI-KONVEKSI
Ta – Tb = (Ta – T1) + (𝐓𝟏−𝐓𝟐) + (T2 –Tb)
qoverall
U A= (
qa
haA) + (
qb xb
kbA) + (
qc
hcA)
1
U= (
1
ha) + (
xb
kb) + (
1
hc)
qoverall = laju pindah panas keseluruhan (W)
U = Koefisien pindah panas keseluruhan
A = Luas penampang (m2)
Ta = Suhu di fluida A (ᵒC)
TB = Suhu di fluida B (ᵒC)
ha = Koefisien pindah panas konveksi pada fluida A (W/m2 ᵒC)
hc = Koefisien pindah panas konveksi pada fluida C (W/m2 ᵒC)
kb = Konduktivitas panas lempeng B(W/m ᵒc)
A
C
B
ha
hc
qa = ha A (Ta – T1)
qb =k A T1 − T2
xB
qc = hc A (T2 – Tb)
Ta − T1 =qa
A ha
T2 − Tb =qcA hc
T1 − T2 =qb xBA k
qoverall = U A (Ta – Tb)
Ta − Tb =qoverall
U A
SOAL-SOAL
1. Sebuah freezer mempunyai luas permukaan bagian depan 4x6 m2. Freezer tersebut memiliki
beberapa laipisan, susunan lapisan dari sisi dalam ke luar adalah stainless steel, busa, gabus dan
kayu. Tebal stainless steel adalah 1.7 mm (k = 14.2 W/m K), tebal insulator busa sebesar 10 cm (k
= 0.034 W/m K) , tebal insulator gabus adalah 5 cm (k = 0.043 W/m K), sedangkan kayu
mempunyai tebal 1.27 cm (k = 0.43 W/m K). Bagian dalam freezer diset pada suhu (T2) -4ᵒC,
sedangkan suhu udara di luar freezer adalah 32ᵒC (T1). Koefisien pindah panas udara luar adalah
5 W/m2 K, sedangkan nilai koefisien pindah panas udara dalam freezer adalah 2 W/m2 K.
Hitunglah nilai koefisien pindah panas overall (U) dan nilai laju pindah panas (q)!
Stabilitas Vitamin B11. Suhu
2. pH
3. Kekuatan ion
4. Logam
5. Radiasi