LAPORAN TETAP

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA I

HEAT CONDUCTION

Disusun oleh: Kelompok IB (Selasa Siang)

1. Daniel Krisdianto (03053130058)

2. Frandi Sahattua (03053130062)

3. Dennis

(03053130069)

4. Joni

(03053130077)

5. Rahmad

(03053130083)

6. Deby Dwi Fauzi (03053130093)

JURUSAN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SRIWIJAYA

INDERALAYA

2008

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Peristiwa konduksi merupakan suatu peristiwa perpindahan energi dengan interaksi dari molekul-molekul suatu substance dimana terjadinya perpindahan panas dalam bentuk liquid, gas, padat tanpa adanya perpindahan partikel-partikel dalam bahan tersebut melalui medium tetap.

Joseph Fourier adalah salah seorang yang telah mempelajari proses perpindahan panas secara konduksi. Pada tahun 1827 ia merumuskan hukumnya yang berkenaan dengan konduksi.

Tinjauan terhadap peristiwa konduktif dapat diambil dengan berbagaimacam cara (yang pada prinsipnya berakar pada Hukum Fourier), mulai dari subjek yang sederhana yaitu hanya sebatang logam (composite bar). Banyak faktor yang mempengaruhi peristiwa konduksi. Diantaranya pengaruh luas penampang yang berbeda, pengaruh geometri, pengaruh permukaan kontak, pengaruh adanya insulasi ataupun pengaruh-pengaruh lainnya.

Kesulitan dalam membuktikan penerapan Hukum Fourier untuk berbagai variasi kondisi percobaan. Oleh karena itu pada percobaan ini diatur sedemikian rupa, yakni dengan dilakukan dalam empat tipe percobaan yang tentunya dengan menggunakan rumus-rumus yang berbeda dan dengan asumsi-asumsi yang sesuai.

1.2Tujuan

1. Mengetahui penerapan Hukum Fourier untuk kondisi linier sepanjang logam.

2. Mengetahui panas konduksi sepanjang composite bar dan menghitung koefisien perpindahan panas overall.

3. Mengetahui pengaruh perubahan geometris (cross sectional area) pada profil temperatur sepanjang konduktor panas.

4. Menghitung panas konduksi untuk sistem radial dan membandingkannya dengan Q supply.

1.3 Permasalahan

1. Bagaimanakah kesesuaian antar Q supply dengan Q hasil perhitungan dari rumus Fourier, mulai dari peristiwa konduksi untuk satu jenis logam sampai untuk komposisi logam.

2. Bagaimanakah pengaruh perubahan cross sectional area pada profil temperatur dan termasuk untuk menghitung koefisien perpindahan panas overall untuk masing-masing sistem konduksi.

3. Bagaimanakah mekanisme konveksi sebagai perpindahan panas pada liquid atau gas melalui gerakan molekul-molekulnya dan pengaruh perbedaan temperatur. 1.4Hipotesa

1. Hukum Fourier berlaku untuk perpindahan panas sistem konduksi pada zat padat, zat cair dan gas.

2. Zat yang memiliki daya hantar panas atau thermal conductivity tinggia akan mempunyai heat transfer rate yang tinggi pula.

3. Panas yang didapat dari perhitungan tidak akan berbeda jauh dengan panas yang di supply dari sumber arus.

1.5 Manfaat

1. Mengetahui dan membuktikan aplikasi dari Hukum Fourier pada sistem konduksi. 2.Memahami prinsip kerja alat Heat Conduction Apparatus.

3.Mengetahui faktor-faktor yang dapat mempengaruhi perpindahan panas suatu bahan.

4. Dapat membaca temperatur untuk setiap supply panas pada sistem konduksi linear dan radial.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Rangkuman dari Textbook Frank M. White, 1984: Heat Transfer Page 175 190 atau Frank White, 1988: Heat and Mass Transfer Page 207 224, yaitu:

4.4.3Bola (Sphere)

Persamaan yang memenuhi untuk bola (sphere) adalah Persamaan:

=

(4.45)

dan yang utama pada kondisi yang sama untuk silinder (cylinder) berlaku Persamaan (4.40) dan (4.41). Penyelesaian ini dijabarkan sebagai berikut:

=

=

(4.46)

Dimana:

Ci=

(4.47)

Pada keadaan ini (i konstanta persamaan di atas menjadi:

Bi=1 ( cot ((i)

=

(4.48)

4.4.4 Grafik Heister

Dari persamaan (4.36), (4.42) dan (4.46) yang merupakan persamaan konduksi panas ditemukan pada tahun 1947 oleh M.P Heister. Heister menggambarkan 9 parameter grafik yang sekarang dikenal dengan grafik Heister. Grafik tersebut menggambarkan variasi terhadap (, dengan x/ L (atau r/ r0), (t/ L2 (atau (t/r02). Pembacaan grafik ini jauh dari kebenaran, oleh karena itu kita menghubungkan grafik dengan appendiks 9 untuk menyelesaikan suatu persoalan.

4.4.5Centerline Temperatur Untuk t* > 0,2

Nilai Heister tidak akan terpenuhi jika dimensionless time t* = (t/ L2 (atau (t/ r0) lebih besar dari 0,2, bentuk tunggal persamaan yang series memenuhi kebenaran 1 %. Dari nilai terbesar pada daerah center (x = 0 atau r = 0) dimana reaksi yang terjadi pada permukaan konveksi berlangsung secara lambat. Ini berarti bahwa perhitungan bulk pada daerah center untuk waktu yang lama, dimana Persamaan Fourier menghasilkan:

t* > 0,2 , center point:

(r (

(4.49)

Dimana t* = (t/ L2 untuk lempengan dan (t/ r02 untuk silinder dan lingkaran, sehingga perbedaan temperatur pada daerah center dinyatakan dalam exponential, analog dengan pendekatan lumped-mass, persamaan (4.12) tetapi dengan nilai konstanta yang berbeda konstan.

Temperatur pada nilai yang beda saling berhubungan dengan temperatur daerah center dihubungkan dengan persamaan sederhana jika t* > 0,2:

Lempengan (Slab):

( = (c cos ((i x/ L)

(4.50a)

Silinder (Cylinder):

( = (c J0 ((1 r/ r0)

(4.50b)

Bola (Sphere):

( = (c sin ((1 r/ r0)(4.50c)

Nilai Ci dan (i diperoleh dari persamaan (4.37, 4.38), (4.43, 4.44) atau (4.47, 4.48) dan ditabelkan dalam tabel 4.3 terhadap Biot Number dalam Tabel 4.1 dan tergambar pada Gambar 4.7 (Figure 4.7). Biot Number harganya sama dengan h0L/ k untuk lempengan dimana L adalah half-thickness dan h0r0/ k untuk silinder dan bola.

4.4.6 Total Transient Heat Flux

Penambahan temperatur lokal, banyak digunakan untuk menghitung tital heat loss selama terjadinya proses pemanasan dan pendinginan.

=

=

(4.51)

Dimana v0 adalah volume total. Dengan mensubstitusikan ( dari Persamaan (4.50) dan diintergralkan, nilai benar dengan keakuratan 1 % untuk t* ( 0,2:

Lempengan (Slab):

= 1 ((c/ (1) cos ((1)(4.52a)

Silinder (Cylinder):

= 1 (2(c/ (1) (c J1 ((1)(4.52b)

Bola (Sphere):

= 1 (3(c/) [sin ((1) (1 cos ((1)](4.52c)

Dimana (c dihitung dengan Persamaan (4.49) dan dengan nilai (1 konstan. Dan C1 diambil dari tabel 4.1 untuk menuju bentuk yang cocok.

4.5

Multidimensional Dengan Metode Produk

Penyelesaian klasik untuk semi-infinite dan finite-thickness dari bagian 4.3 dan 4.4 yang dapat juga digunakan untuk menurunkan persamaan untuk bentuk yang menarik.

Ilustrasi dapat dilihat pada gambar 4.8 kita menggunakan sudden immersion untuk memecahkan problem untuk silinder finith-length pada kondisi konveksi (h0, T0) pada semua sisi dan temperatur mula-mula Ti. Differential persamaan diselesaikan sebagai berikut:

=

(4.53)

Dimana:

(

= (T T0)/ (Ti T0)

Kondisi mula-mula:

( (x, r, () = 1

(4.54)

Kondisi batas untuk konveksi adalah:

Pada bagian atas dan bawah:

=( h0(

(4.55a)

Pada semua sisi:

=h0(

(4.55b)

Kenyataannya persamaan adalah produk yang diselesaikan dengan analisis yang mudah:

( (x, r, t) = P(x, t) C(r, t)(4.56)

Substitusikan persamaan (4.56) dalam persamaan (4.53, 4.54, 4.55) dan variabel terpisah.

Untuk nilai bebas pada P dan C:

Lempengan (Plate):

=

P(x, 0)

=1

=( h0P ((L, t)

Silinder (Cylinder):

=

C(r, 0)

=1

=( h0C (r0, t)

Tabel 4.2 menunjukkan 9 contoh penggunaan metode untuk penyelesaian dari bentuk yang bervariasi.

Semua produk didasarkan pada 3 penyelesaian dasar:

1. Semi-Infinite-Solid:

S(x, t)=

(4.30)2. Finite-Width Plate:

P(x, t)=

(4.36)

3. Infinite Cylinder:

C(r, t)=

(4.42)

Catatan dalam Tabel 4.2 koordinat x sebagai fungsi S berasal dari surface inward, x sebagai lempengan (plate) dan r sebagai silinder (cylinder). Dan fungsi S didefinisikan sebagai perbedaan dari persamaan ( semi-infinite (4.30).S = (T T0)/ (Ti T0)

= 1 (Selama:

( = (T - Ti)/ (T0 - Ti)

Penjelasan lebih jauh dan pembuktian digunakan pada metode produk pada area 5.2.

4.5.1 Perpindahan Total Panas pada Gabungan Body/ Lempengan

Satu dimensi total heat flux untuk lempengan dan untuk silinder dapat dihitung dengan persamaan (4.52a) dan (4.52b).

Ambil:

R =

Untuk persaman yang cocok jika gabungan lempeng dibentuk dari intersection body 1 dan body 2, total heat flux adalah:

R = R1 + R2(1 R1)

(4.57)

Dalam gambar 4.8 sebagai contoh body 1 adalah lempeng dan body 2 adalah infinite silinder.

Jika gabungan terdiri dari 3 body, maka:

R = R1 + R2(1 R1) + R3(1 R1)(1 R2)(4.58)

Dimana:

Ri =

Dapat dihitung dari persamaan (4.52) untuk bentuk yang diberikan.

BAB III

METODOLOGI

3.1 Alat dan Bahan

Alat yang digunakan, yaitu:

1. Power Supply.

2. Stavolt.

3. Heat Conduction Apparatus.

4. Linier Module dan Radial Module.

5. Pompa.

6. Ember.

Bahan yang digunakan, yaitu:

1. Air pendingin.

2. Contoh Material, yaitu: Kuningan besar [A], Kuningan Kecil [B] dan Stainless Steel [C].

3.2 Prosedur Percobaan

1. Rangkailah alat.

2. Hidupkan power supply.

3. Aturlah panas (wattmeter) sesuai yang dikehendaki untuk sistem linier atau sistem radial.

4. Catatlah temperatur masuk air pendingin ketika power supply dihidupkan.

5. Catatlah harga-harga temperatur yang terbaca untuk T1, T2, sampai dengan T9 untuk sistem linier dan T1, T2, T3, T7, T8 dan T9 untuk sistem radial, untuk harga panas (watt meter) stabil seperti yang dikehendaki.

Catatan:

Pembacaan temperatut T1 samapi T9 dilakukan dengan memutar temperatur selector switch.

6.Lakukan langkah 1 sampai 5 terhadap masing-masing jenis logam A, B dan C untuk setiap variasi sistem.

BAB IV

HASIL PENGAMATAN DAN PENGOLAHAN DATA

A.HASIL PENGAMATANSistem Linier :

MaterialTinQT1T2T3T4T5T6T7T8T9Diameter(X

Kuningan Besar303091,589,586,670,040,539,836,434,831,025 mm10 mm

Kuningan kecil303094,691,189,865,944,844,534,731,429,013 mm10 mm

Stainless Steel303089,886,584,465,542,941,833,530,128,025 mm10 mm

Sistem Radial :

MaterialTinQT1T2T3T4T5T6T7T8T9(X

Kuningan 303044,741,639,336,934,730,510 mm

Ro = 10 mm = 10-2 m

RL= 50 mm = 5.10-2 m

L= 30 mm = 3. 10-2 m

B. PENGOLAHAN DATA

1. Sistem Linear

Kuningan Besar :

D = 25 mm = 25. 10-3 m

A = Konstan

Untuk (T1 = T2 T1

= (89,5 91,5) oC = -2,0 oC

Dengan cara analog seperti di atas diperoleh harga k1 k8 sebagai berikut :

NoQT1T2(A(Xk(W/moC)

13091,589,5-2,04,91 . 10-4 m10-2 m305,5

23089,586,6-2,94,91 . 10-4 m10-2 m210,7

33086,670,0-16,64,91 . 10-4 m10-2 m36,8

43070,040,5-29,54,91 . 10-4 m10-2 m20,7

53040,539,8-0,74,91 . 10-4 m10-2 m

63039,836,4-3,44,91 . 10-4 m10-2 m179,7

73036,434,8-1,64,91 . 10-4 m10-2 m381,9

83034,831,0-3,84,91 . 10-4 m10-2 m160,8

(k rata-rata) = k1 + k2 + k3 + k4 + k5 + k6 + k7 + k8

8

= 2168,9 = 271,11 W/mOC

8

Kuningan Kecil :

D = 13 mm = 13. 10-3 m

A = Konstan

A kuningan besar :

A kuningan kecil :

Untuk (T1 = T2 T1

= (91,1-94,6) oC = -3,5 oC

Dengan cara analog seperti di atas diperoleh harga k1 k6 sebagai berikut :

(catatan : T4 T3 dan T7 T6 di abaikan)

NoQT1T2(A(Xk(W/moC)

13094,691,1-3,54,91 . 10-4 m10-2 m174,6

23091,189,8-1,34,91 . 10-4 m10-2 m469,9

33065,944,8-21,11,33 . 10-4 m10-2 m28,9

43044,844,5-0,31,33 . 10-4 m10-2 m2036,7

53034,731,4-3,34,91 . 10-4 m10-2 m185,15

63031,429,0-2,44,91 . 10-4 m10-2 m254,6

(k rata-rata) = k1 + k2 + k3 + k4 + k5 + k6

6

= 3149,85 = 524,975 W/mOC

6

Stainless Steel :D = 25 mm = 25. 10-3 m

A = Konstan

(X = 10 mm = 10-2 m

kA = kc = = 210,47 W/mOC

LA = LB = LC = L = = 3 x (X = 30 mm = 3 . 10-2 m

Q =

Q =

=

=

1833 =

=

kB = 41,322 W/mOC

2. Sistem Radial

2L = konstan = 2 . 3,14 . 0,03m = 0,1884 m

Q = konstan = 30 W

(T1= T2 T1 = (41,6 44,7) oC = -3,1 oC

Ro = 10 mm = 10-2 m

RL= 50 mm = 5.10-2 m

=

= 82,67 W/mOCDengan cara analog seperti di atas diperoleh harga k1 k5 sebagai berikut :

NoQT1T2RLRo(2Lk(W/moC)

13044,741,60,050,01-3,10,188482,67

23041,639,30,100,05-2,30,1884111,43

33039,336,90,150,10-2,40,1884106,78

43036,934,70,200,15-2,20,1884116,49

53034,730,50,250,20-4,20,188461,02

(k rata-rata) = k1 + k2 + k3 + k4 + k5

5

= 478,39 = 95,678 W/mOC

5

BAB V

PEMBAHASAN

Percobaan Heat Conduction atau panas konduksi ini bertujuan untuk mempelajari tentang bagaimana suatu panas dapat berpindah dari suatu titik menuju titik lainnya melalui suatu media penghantar yang berupa material logam. Perpindahan panas dari suatu material ke material lain (dari suatu titik ke titik yang lain dalam satu material atau pada material yang berbeda) ini terjadi secara konduksi, artinya panas berpindah dari material yang satu ke material yang lainnya melalui suatu bahan konduktor di mana tidak terjadi perpindahan massa atau perpindahan dari materi itu sendiri. Jadi panas yang merambat melalui media menyebabkan pergerakan molekul-molekul logam yang semakin cepat dan menimbulkan benturan-benturan sehingga terjadilah perpindahan panas tersebut.

Percobaan panas konduksi ini dilakukan dengan dua cara yaitu secara linier dan radial. Pada percobaan secara linier panas akan merambat dalam arah linier sepanjang media penghantar dalam hal ini adalah logam kuningan dan stainless steel. Mula-mula panas akan merambat pada sisi muka logam penghantar dan terus melalui badan logam hingga panasnya ditransferkan ke media yang lebih dingin dalam hal ini adalah air yang dipompakan melalui suatu pompa. Dengan demikian nilai panas yang dikandung oleh media logam penghantar akan berbeda-beda besarnya sepanjang arah linier logam. Hal ini dikarenakan panas yang ditransfer akan bergerak merambati media penghantar sepanjang penampang penghantar tersebut dan semakin jauh jarak yang ditempuh maka nilai panas yang terbawa akan semakin berkurang karena panas yang terbawa telah ditransferkan pada titik terdahulu yang telah dilewati

Sedangkan percobaan secara radial dilakukan dengan tujuan untuk melihat seberapa besar atau seberapa banyak panas dapat dipindahkan secara konduksi bila dibandingkan dengan system yang menggunakan cara linier (garis lurus). Pada sistem ini panas akan dipindahkan pada arah radial (melalui jari-jari media yang berbentuk seperti cakram).

Besarnya panas yang dapat dipindahkan oleh suatu bahan sangat tergantung pada banyak faktor diantaranya panjang media penghantar, luas penampang, hambatan dari bahan tersebut, dan tentunya adalah jenis bahan itu sendiri. Pada umumnya semua jenis logam merupakan penghantar yang baik. Jenis logam yang paling umum digunakan orang adalah tembaga dan alumunium. Selain itu juga banyak yang menggunakan alloy berupa kuningan yang merupakan campuran dari tembaga dengan seng.

Pada percobaan secara linier kita mengetahui profil temperatur secara linier sehingga kita bisa menghitung laju panas perpindahan panas. Harga T1 lebih besar dari harga T2, harga T2 lebih besar dari harga T3, harga T3 lebih besar dari harga T4, dan begitulah seterusnya sampai dengan T9, begitu juga untuk radial hal ini disebabkan oleh adanya aliran panas dari heater (T1, T2, T3) ke daerah cooler (T7, T8, T9) melalui material logam (T4, T5, T6) sehingga panas akan diberikan terlebih dahulu kepada sisi terdekat dari heater yaitu dengan urutan T1 > T2 > T3 .T8 > T9. Temperatur pada T9 merupakan titik yang paling dingin karena paling jauh dari sumber panas dan paling dekat dengan air pendingin.

Harga Q dihitung pada tiap beda temperatur yang didapat dari percobaan. Ternyata harga Q yang didapat dari perhitungan lebih besar dari harga Q yang disupply. Hal ini disebabkan oleh pembacaan temperatur pada saat harga Q pada wattmeter belum cukup stabil dan juga laju panas selalu tak menentu atau selalu berubah-ubah. Juga adanya pengaruh dari jenis bahan dan ketebalan bahan yang dipakai.

Percobaan ini juga bertujuan untuk mengetahui pengaruh dari perubahan luas penampang, tebal penampang dan jenis bahan terhadap profil temperatur sepanjang konduktor panas. Ternyata semua hal diatas memberi pengaruh yang besar dari perhitungan laju perpindahan panas, dimana pada teori luas penampang tidak mempengaruhi hasil perhitungan laju perpindahan panas. Terjadinya perbedaan ini disebabkan oleh laju alir Q supply yang selalu berubah-ubah sehingga pembacaan temperatur menjadi sulit.

BAB VI

KESIMPULAN DAN SARAN

VI.1. Kesimpulan

Dari percobaan yang telah dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan, yaitu sebagai berikut :

1. Faktor-faktor yang mempengaruhi laju perpindahan panas adalah

a. luas penampang media penghantar

b. panjang media penghantar (jarak perpindahan panas)

c. jenis bahan atau material (logam atau non logam)

2. Panas konduksi yang dihasilkan pada setiap titik yang berbeda nilainya (besarnya) akan berbeda pula karena adanya perpedaan jarak antara titik-titik tersebut dengan sumber panas

3. Perbedaan temperatur pada setiap bahan menunjukkan konduktivitas bahan masing-masing. Semakin tinggi temperatur yang dihasilkan maka semakin baiklah sifat konduktivitasnya.

4. Perbedaan temperatur yang terbaca dikarenakan oleh harga Q pada Watt-meter di saat pengambilan belum cukup stabil dan juga laju panas selalu tak menentu.

VI.2. Saran

Disarankan untuk menambah jam praktikum yang hanya sebentar, dimana kita melakukan pembacaan skala temperatur dari T1,T2,T3,T7,T8,T9 sangat singkat waktunya sehingga angka yang tertera pada skala belum benar- benar stabil. Juga disarankan untuk memungkinkan dilakukan perhitungan nilai T4,T5,T6 agar percobaan yang dilakukan benar-benar sempurna (nilai T4,T5,T6 tidak hanya dicari dari grafik yang belum tentu akurat angkanya). DAFTAR PUSTAKA

Kern, D.Q., 1965, Process Heat Transfer , McGraw-Hill Book Company, Singapore

Welty, J.R., C.E. Wicks, R.E. Wilson, 1984, Fundamentals of momentum Heat and Mass Transfer , 3rd edition, John Wiley & Sons Inc, New York.

White, F.M., 1983, Heat Transfer , Addison-Wesley Publishing Company, Inc, Canada

Perry, RH and Chiton, CH,1984, Chemical Engineering Hand Book, 7 th edition, Mc. Graw Hill Kogakusha Ltd. Tokyo.

_1266708561.unknown

_1266708577.unknown

_1266708585.unknown

_1266708593.unknown

_1266708597.unknown

_1266708601.unknown

_1266708750.xlsChart1

91.8

89.3

86.8

67.3

40.8

39.3

36.8

34.3

31.8

x

T

KUNINGAN BESAR SISTEM LINIER

Sheet1

T191.8

T289.3

T386.8

T467.3

T540.8

T639.3

T736.8

T834.3

T931.8

_1266708753.xlsChart1

94.3

91.8

89.3

69.3

45.8

44.3

34.3

31.8

29.3

x

T

KUNINGAN KECIL SISTEM LINIER

Sheet1

T194.3

T291.8

T389.3

T469.3

T545.8

T644.3

T734.3

T831.8

T929.3

_1266708745.xlsChart1

44.3

41.8

39.3

36.8

34.3

31.8

x

T

SISTEM RADIAL

Sheet1

T144.3

T241.8

T339.3

T736.8

T834.3

T931.8

_1266708748.xlsChart1

89.3

86.8

84.3

66.8

43.3

41.8

33.3

30.8

28.3

x

T

STAINLESS STEEL SISTEM LINIER

Sheet1

T189.3

T286.8

T384.3

T466.8

T543.3

T641.8

T733.3

T830.8

T928.3

_1266708602.unknown

_1266708599.unknown

_1266708600.unknown

_1266708598.unknown

_1266708595.unknown

_1266708596.unknown

_1266708594.unknown

_1266708589.unknown

_1266708591.unknown

_1266708592.unknown

_1266708590.unknown

_1266708587.unknown

_1266708588.unknown

_1266708586.unknown

_1266708581.unknown

_1266708583.unknown

_1266708584.unknown

_1266708582.unknown

_1266708579.unknown

_1266708580.unknown

_1266708578.unknown

_1266708569.unknown

_1266708573.unknown

_1266708575.unknown

_1266708576.unknown

_1266708574.unknown

_1266708571.unknown

_1266708572.unknown

_1266708570.unknown

_1266708565.unknown

_1266708567.unknown

_1266708568.unknown

_1266708566.unknown

_1266708563.unknown

_1266708564.unknown

_1266708562.unknown

_1266708553.unknown

_1266708557.unknown

_1266708559.unknown

_1266708560.unknown

_1266708558.unknown

_1266708555.unknown

_1266708556.unknown

_1266708554.unknown

_1266708549.unknown

_1266708551.unknown

_1266708552.unknown

_1266708550.unknown

_1266708547.unknown

_1266708548.unknown

_1266708546.unknown