Tugas Otk 2 Heat Transfer Fluida Non Newtonian

Embed Size (px)

DESCRIPTION

cx vDSFBsbf vSFDbv sawzdegSDERFVWEDSVSDCv

Citation preview

cairan masuk [itu] memanaskan bagian tabung, yang mana [adalah] 1

PERPINDAHAN PANAS FLUIDA NON-NEWTONIAN(Tugas Resume OTK II)

Oleh:

1. Tika Damayanti

(0715041009)

2. Ahmad Reza Anggara (0715041019)

3. Anggita Sari Anggraini (0715041022)

4. Lisanti Emelda

(0715041049)

5. Nadia Kintana Bella (0715041057)

6. Suhardini Martiana Putri (0715041069)

JURUSAN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG

2009

4. 12 A Pendahuluan

Kebanyakan pelajaran mengenai transfer panas dengan fluida, dapat diselesaikan dengan fluida Newton. Tetapi varietas dari fluida bukan Newton digunakan di industry kimia, makanan dan biologi. Untuk men disain perlengkapan untuk menangani fluida ini,konstanta karakteristik aliran harus tersedia. Banyak fluida non Newton memiliki efektifitas viskositas yang tinggi, mereka kebanyakan berbentuk aliran laminar. Kebanyakan dari fluida non newton adalah fluida pseudoplastik, yang sering di presentasikan sebagai hokum kekuatan.. Pembicaraan kali ini dikonsentrasikan pada banyak fluida.

1. Aliran laminar dalam tube.

Banyak bagian dari insvetigasi percobaan terkonsentrasi dengan transfer panas dari fluida non Newton. Pada aliran laminar pada cylindrical tube. Karakteristik fisik yang dibutuhkan antara lain, densitas, kapasitas panas, konduktivtas termal, dan konstanta rheological.

Pada transfer panas di fluida dengan aliran laminar, mekanismenya secara konuksi primer. Tetapi untuk laju aliran yang lemah dan viskositas rendah, efek dari konveksi alamiah dapat dipresentasikan. Banyak dari fluida non Newton tanpa viscositas, efek dari konveksi alamiah tereduksi secara substansi. Untuk aliran laminar dalam circular tube, persamaan dari Metzner dan Gluck dapat digunakan fluida non newton dengan viskositas tinggi, konveksi natural diabaikan untuk horizontal dan vertical tube. Maka Graetz number NGZ > 20 dan n' > 0,10.

(Nnu) = 1/3(Ngz)1/3 ()1/3Dimana NGz = re Npr Koefisien viskositas b pada temperatur Tb dan w pada temperatur Tw didefinisikan sebagai:

K dalam W/m, K,C dalam J/Kg K, dalam Kg/ m3. Laju alir dalam kg/s, panjag dari bagian yang panas dalam m, diameter bagian dalam dalam m, ho dalam W/m2K, sedangkan K dan n' adalah konstanta rheological. Karakteristik fisik dan Kb adalah evaluasi secara umum dari Temperatur Bulk Tb dan Kw pada suhu rata rata Tw.

Jumlah dari konstanta n' atau n dapat ditemukan pada range temparatur yang lebar. Tetapi konstanta Rheological K' atau K dapat dituliskan secara cukup besar. Dari grafik K versus 1/Tabc atau versus T dapat diprediksikan dengan garis lurus. Sering data dari efek temperature pada k tidak diperbolehkan. Rasio antara Kb/Kw adalah 0,14 power, factor ini sesekali dapat diabaikan tanpa menyebabkan kesalahan besar. Untuk rasio 2 : 1, kesalahannya 10 %. Sedangkan grafik dari 1/T untuk fluida newton sering digambarkan garis lurus. Jumlah dari ho dapat dijumlahkan menggunkan panjang L dengan perbedaan temperature arithmetic.

Ta = Dimana Tw adalah suhu dinding rata rata untuk lubang tube dan Tbi adalah bulk temperature masuk dan Tbo adalah temperature bulk keluar. Maka q adalah q = h0 AT = ho ( DL ) TContoh soal 4.12-1 Pemanasan Fluida Non-Newtonian pada aliran laminar

Sebuah fluida non-newtonian mengalir dengan laju alir sebesar 7.56 x 10-2 kg/s didalam 25.4 mm ID tube yang dipanaskan oleh steam yang terkondensasi diluar pipa. Fluida masuk untuk proses pemanasan pada bagian tube yang panjangnya 1.525 m pada temperature 37.8 oC. Temperatur dinding bagian dalam Tw konstan pada 93.3 oC . Sifat kimia dari fluida tersebut adalah p = 1041 kg/m3, Cp = 2.039 kj/kg.K, dan k = 1.212 W/m.K. fluida ini mengikuti power-law fluid dengan salah satu sifat yang dimiliki adalah konstan n=n = 0.40 yang merupakan akan konstan pada temperature rata-ratanya, dan K = 139.9 N.s/m2 pada 37.8oC dan 62.5 pada 93.3oC. Untuk fluida ini, plot grafik hubungan antara K dengan ToC adalah garis lurus. Hitunglah temperature keluaran dari fluida ini pada aliran laminar.

Jawab

Untuk dapat mengetahui temperature keluaran dari fluida ini Tho, perlu dilakukan trial dan error. Untuk dapat melakukan trial dan eror pertama-tama kita perlu menghitung ha dari persamaan 4.12-2. Asumsi bahwa Tho = 54.4oC untuk trial yang pertama, Rata-rata dari suhu bulk ini adalah(54.4 + 37.7)/2 atau 46.1oC.

Plot antara dua harga Kpada 37.8 dan 93.3oC sebagai log K dan ToC dan menggambar garis lurus dari dua titik tersebut maka nilai Kb = 123.5 pada Tb = 46.1oC dapat dibaca sebagai plot pada Tw = 93.3oC Kw = 62.5.

Selanjutnya dapat dihitung dengan menggunakan rumus

3n + 1

3(0.40) + 1

= = = 1.375

4n

4(0.40)

Substitusikan ke persamaan 4.12-3

mCg(7.56 X 10-2)(2.093 X 103)

NGs = = = 85.7

Kl

1.212(1.524)

Dari persamaan 4.12-4

b Kb 123.5

= =

B

Kw 62.5

Substitusi ke persamaan 4.12-1

Sehingga nilai ha = 448.3 W/m2.K.

Ingat bahwa kesetimbangan panas, nilai q dan W mengikuti persamaan

Persamaan ini sama dengan persamaan 4.12-6 yaitu

Persamaan matematika untuk perbedaan temperature

Substitusi ke persamaan 4.12-8 untuk menemukan nilai Tbo

Tbo = 54.1oC

2. Aliran turbulen didalam pipa

Untuk aliran turbulen pada pipa,Clapp telah menurunkan persamaan untuk transfer panasnya,yaitu mengikuti persamaan

Dimana NRe.gen dapat dilihat dari persamaan3.5-11dan hL adalah perpindahan panas yang berdasarkan pada log temperature rata-rata berdasarkan driving force-nya.

4.12C Konveksi Natural

Acrivos, memberikan gambaran hubungan antara natural konveksi perpindahan panas dengan power-law fluids berdasarkan variasi geometri permukaan seperti, persegi,silindris dan plat.

4.1.3 [SELECTED TOPIC] SPECIAL HEAT-TRANSFER COEFFICIENT

4.3.1.A Transfer Panas Pada Tangki Berpengaduk

1. Pendahuluan

Banyak proses kimia maupun proses biologi yang dilakukan menggunakan tangki berpengaduk. Seperti yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya. Cairan biasanya diaduk didalam tangki yang berbentuk silindris dengan sebuah impeller yang dikemudikan oleh motor elektrik. Jenis-jenis tangki dan pengaduk telah ditunjukkan pada gambar 3.4-1 dan 3.4-2. Sering sekali cairan dipanaskan maupun didinginkan selama proses pengadukan di dalam tangki. Secara umum, biasanya perpindahan panas ini dilakukan oleh bagian permukaan, yang diwujudkan dengan pendinginan atau pemanasan jacket yang menyelimuti tangki atau sebuah coil pada pipa.

2. Tangki dengan jaket pemanas

Pada gambar 4.13-1a menggambarkan sebuah tangki dengan jaket pemanas maupun jaket pendingin. Ketika dipanaskan, fluida yang masuk biasanya berupa steam yang terkondensasi didalam jaket dan keluar di bagian bawah. Tangki terdiri dari agitator dan ada pula yang memiliki baffle. Hubungan antara koefisien perpindahan panas dari cairan yang berada di dalam tangki ke dinding jaket yang terdapat pada tangki mengikuti rumus

Dimana h adalah koefisien perpindahan panas untuk pengadukan cairan ke dinding bagian dalam (W/m2.K), D adalah diameter bagian dalam pada tangki (dalam m), k adalah konduktivitas termal (dalam W/m.K), Da adalah diameter pengaduk (agitator) (dalam m), N adalah kecepatan rotasional (dalam revolusion per second), adalah densitas fluida (dalam kg/m3), dan adalah viskositas (dalam Pa.s).

Semua propertis fisis dari fluida di evaluasi pada bulk liquid temperature kecuali w, yang di evaluasi pada temperatur dinding (Tw).

Di bawah ini merupakan daftar beberapa hubungan yang tersedia dan range bilangan Reynold (NRe = Da2N/) :

1. Agitator Paddle tanpa baffle (C5, U1)

a=0.36, b=2/3, m=0.21, NRe=300 - 3.105

2. Agitator Flat-blade turbin tanpa baffle (B4)

a=0.54, b=2/3, m=0.14, NRe=30 - 3.105

3. Agitator Flat-blade turbin dengan baffle (B4, B5)

a=0.74, b=2/3, m=0.14, NRe=500 - 3.105

4. Agitator Anchor tanpa baffle (U1)

a=1.0, b=1/2, m=0.18, NRe=10 300

a=0.36, b=2/3, m=0.18, NRe=300 4.104

5. Agitator Helical ribbon tanpa baffle (G4)

a=0.633, b=1/2, m=0.18, NRe=3 105

Beberapa tipe nilai U overall untuk vesel berjaket pada berbagai aplikasi proses dapat dilihat pada Tabel 4.13-1 (P1)

Tabel 4.13-1. Tipe Koefisien Perpindahan Panas Overall pada Jacketed VesselsFluida dalam JacketFluida dalam VesselMaterial DindingPengadukanURef.

Btu/(hr)(ft)(F)W/(m2.K)

SteamWaterCopperNone

Simple stirring150

250852

1420(P1)

Steam PasteCast ironDouble Scrapers125710(P1)

SteamBoiling WaterCopperNone2501420(P1)

Steam MilkEnameled cast ironNone

Stirring200

3001135

1700(P1)

Hot WaterCold WaterEnameled cast ironNone70398(P1)

SteamTomato pureeMetalAgitation30170(C1)

GAMBAR 4.13-1Contoh 4.13-1. Koefisien Perpindahan Panas pada Tangki berpengaduk dengan JaketSebuah tangki berjaket dengan diameter 1.83 m yang memiliki baffle digunakan untuk memanaskan pada 300K. Pengaduk memiliki diameter 0.61 dan berjenis flat blade turbine yang berotasi 100rpm. Air panas berada pada Jaket pemanas. Temperatur permukaan dinding konstan pada 355.4 K. Cairan memiliki propertis fisis berikut:=961 kg/m3Cp=2500 J/kg.K

k=0.173 W/m.K

=1 Pa.s pada 300K dan 0.084 Pa.s pada 355.4 K

Hitung koefisien perpindahan panas ke dinding jaket!

Penyelesaian:Data yang diketahui:

Dt=1.83 m

Da=0.61 m

N=(100/60) rev/s(300K) = 1 Pa.s = 1 kg/m.s

w(355.4K) = 0.084 Pa.s = 0.084 kg/m.s

Pertama, hitung bilangan Reynold pada 300K,

NRe = (Da2N)/ = (0.61)2(100/60)(961)/1 = 596

Bilangan Prandtl,

NPr = (Cp )/k = (2500)(1)/(0.173) = 14450Gunakan pers.(4.13-1) dengan a=0.74, b=2/3, m=0.14

( hDt/k = 0.74(NRe)2/3(NPr)1/3(/ w)0.14 .....................................................(4.13-1)( h(1.83)/0.173 = 0.74(596)2/3(14450)1/3(1000/84)0.14

( h = 170.6 W/m.K (30 btu/(hr)(ft)2F)

Hubungan untuk memprediksi koefisien perpindahan panas dengan Hukum non-Newtonian fluid pada Tangki berjaket dengan Pengaduk turbine juga tersedia di lain tempat (C6).

3. Vessel/tangki dengan Coil pemanas Pada Gambar.4.13-1b Tangki berpengaduk dengan helical heating atau coil pendingin ditunjukkan.

Hubungan koefisien perpindahan panas ke permukaan luar coil pada tangki berpengaduk untuk berbagai tipe pengaduk/agitator yaitu:

untuk paddle agitator tanpa baffle (C5)hDt/k = 0.87(Da2N/)0.62(Cp/k)1/3(/ w)0.14.................................(4.13-2)Berlaku untuk range bilangan Reynold 300 4.105 untuk flat-blade turbin agitator dengan baffle (O1)

Ketika coil pendingin atau pemanas berbentuk vertical tube baffles dengan flat-blade turbine, hubungan yang dapat digunakan (D1):hDo/k = 0.09(Da2N/)0.65(Cp/k)1/3(Da/Dt)1/3(2/nb)(/f)0.4...........(4.13-3)dimana Do adalah diameter luar tube coil (dalam m), nb merupakan no.vertikal baffle tube, f adalah viskositas pada temperatur rata-rata film.4.13B Permukaan Heat Exchangers

Suspensi cair-padat, larutan kental dan solusio organik, dan beberapa produk makanan seperti margarin dan konsentrat jus jeruk, sering didinginkan atau dipanaskan di dalam suatu alat yang berfungsi untuk merubah daya lekat permukaan. Alat ini terdiri dari dua buah pipa penukar panas dengan penutup silinder yang terdiri dari uap atau cairan dingin dan sebuah tiang pemutar dalam yang diisi dengan pisau penghapus, seperti terlihat dalam gambar 4.13-2.

Cairan kental memproduksi aliran pada kekentalan rendah melewati pertengahan tabung di antara tiang pemutar dan pipa terdalam. Putaran pelekat atau pisau penghapus meneruskan daya lekat permukaan cairan, mencegah kelebihan panas lokal dan memberi transfer panas yang cepat. Alat ini pada beberapa kasus selalu disebut votator heat exchanger.

GAMBAR 4.13-2Skelland et al, memberi rumus untuk memperkirakan koefisien transfer panas dalam votator.

= 0.014 = 0.96 untuk cairan kental

= 0.039 = 0.70 untuk cairan tidak kental

Dimana D=diameter pembuluh dengan satuan m, Ds=diameter tiang pemutar dalam satuan m, =kecepatan aliran axial dari cairan dalam satuan m/s, N=kecepatan lawan dalam satuan rev/s, dan nB=jumlah pisau pada lawan. Data meliputi sebuah bagian dari kecepatan aliran axial dan 0,076 sampai 0,38 m/menit dan kecepatan rotasi dari 100-750 rpm.

Koefisien perpindahan panas khususnya aplikasi dalam makanan adalah U=1700 W/m2.K (300 btu/h.ft2.0F) untuk margarine dingin dengan NH3, 2270 (400) untuk saus apel panas dengan peengubahnya, 1420 (250) untuk pendinginan sesaat dengan NH3, dan 2270 (400) untuk mendinginkan krim dengan air (B6).

4.13C Perluasan permukaan atau Finned Exchanger

1. Pendahuluan. Penggunaan dari fin atau perluas permukaan di luar dinding pipa heat exchanger untuk memberi koefisian transfer panas tinggi relatif dalam sebuah alat pengubah adalah umum terjadi. Radiator automobil dalam sebuah alat, dimana air panas melalui bagian dalam sebuah tabung penyimpanan dan kehilangan panasnya di udara. Di luar tabung, permukaan yang lebih luas menerima panas dari dinding tabung dan meneruskan ke udara dengan konveksi.

Dua tipe umum dari penyerta fin keluar dari dinding tabung ditunjukkan dalam gambar 4.13-3. dalam gambar 4.13-3a terdapat sejumlah ruangan fin longitudinal mengelilingi dinding tabung dan arah dari aliran gas ini paralel terhadap sumbu tabung. Dalam gambar 4.13-3b aliran gas normal ke tabung mengandung sejumlah sirip sirkuler atau transversal.

Efek kualitatif dari penggunaan permukaan yang luas dapat terlihat jelas dalam contoh (4.13-5) untuk cairan yang masuk ke tabung mempunyai koefisien transfer panas dari h1 dan di luar koefisien dari h0. perlawanan Rmetal dari dinding biasanya sering diabaikan

GAMBAR 4.13-3Tampilan dari sayap yang berada di luar meningkat A0 dan oleh karena itu resistensi berkurang 1/h0A0 dari cairan di luar tabung. Contoh, jika kita punya h1 untuk pengubah kondensasi, yang mana sangat luas, dan h0 untuk udara di luar tabung yang mana sangat kecil, meningkatnya A0 sangat mengurangi 1/A0h0. dalam pertukaran ini pengurangan besar dari total resistensi, yang mana meningkatkan rasio transfer panas. Jika posisi dari dua cairan berlawanan dengan udara di dalam dan di luar exchanger, perubahan kecil dalam transfer panas dapat tercapai dengan menggunakan fin.

Rumus (4.13-5) hanyalah perkiraan, semenjak temperatur di luar pemukaan tabung kosong tidak sama seperti di akhir fin karena penambahan resistensi untuk aliran panas dengan konduksi dari dasar fin. Oleh karena itu, satu unit area dari permukaan fin tidak efisien sebagaimana satu unit area pada permukaan tabung kosong di dasar fin. Efisiensi sebuah fin f secara matematika diturunkan untuk berbagai geometri dari fin.

Derivasi dari persamaan untuk efisiensi Fin

Kita akan membahas satu dimensi fin yang dibuka ke fluida ligkungan. Pada suhu T seperti yang ditunjukkan pada fig 4.13-4. Temperatur awal fin To dan pada titik x , suhunya adalah T. Pada keadaan mantap, laju alir panas konduksi didalam menuju elemen ( unsur ) pada x adalah qxIx dan persamaan untuk laju alir dari panas konduksi keluar ditambah laju alir dari panas yang hilang oleh Konveksi. Substitusi persamaan Fourier ke persamaan konduksi & konveksi :

-kA dtIx =-kA dtIx+x + h ( P x ) ( T - T )

Dimana A adalah area cross dari fin dalam meter squre dan P adalah panjang fin dalam m.

Persamaan tersebut disusun kembali , dibagi oleh x dan x mendekati 0

Maka persamaan menjadi :

Kondisi batas awal adalah = o = To T pada x = 0

Kondisi bats kedua dibutuhkan untuk mengintegralkan persamaan 4. 13-9 . dalam beberapa kasus dapat ditetapkan, tergantung dari kondisi fisik di x = L . pada kasus pertama , temperatur akhir dari fin ditutup ( diisolasi ) . pada kasus kedua panas yang hilanh dari fin diakibatkan karena konveksi dari ujung permukaan fin tersebut.

Karena itu :

-k (dt/dx )L = h ( TL - T )

Menggunakan cara pertama dimana ujung permukaan ditutup.

Integral dari persamaan 4.13-9 menghasilkan :

/ o = cosh [ m ( L x ) ] / cosh mL

dimana m = ( hP / kA )1/2jadi panas yang hilang oleh fin dapat dikemukakan sebagai :

q = -kA dt/ dx Ix = 0 differensial persamaan 4.13.10 dengan respect ke x dan dikombinasikan dengan persamaan 4.13-11 :

q = ( hP / kA )1/2 ( T0- T ) tanh mL

pada temperatur fin Tin, suhu fin dikurangi sebab suhu pada ujung fin didekati ( mendekati ) . Selanjutnya laju alir dari transfer panas per unit area berkurang dibawah sedangkan bagian atas yang bertambah. Untuk mengidentifikasi fin ( nf) diketahui sebagai rasio dari transfer panas dari fin . jika seluruh fin berada pada tempratur dasar yang sama yaittu To.

nf = ( hP / kA )1/2 ( T0- T ) tanh mL / h (PL) ( T0- T )

Sehingga :

nf = tanh mL / mL

Dimana PL adalah seluruh area permukaan fin.

Untuk fin fin yang tipis :

mL = (2h/ht) 1/2 L

Persamaan tersebut dapat dimodifikasi untuk suatu kasus dimana panas yang hilang pada ujung fin ini bisa diselesaikan dengan ukuran panjang fin t/2 , dimana panjang sesungguhnya Lc , digunakan di persamaan 2.13-13 dan 4.13-15 maka :

Lc = L + t/2

Menghitung effisiensi fin dari persamaan 4/.13-13 untuk fin longitudinal dapat dilihat pada gambar 4.13-5a. Dan pada gambar 4.13-5b disajikan efisiensi untuk sirkular fin.Contoh 4.13-2 Efisiensi Fin dan Panas yang Hilang dari Fin

Sebuah sirkular fin aluminum seperti ditunjukkan pada Gambar. 4.13-3b (k = 222 W/m.K) untuk pipa copper dengan jari-jari luar 0,04 m. Panjang fin adalah 0,04 m dan tebalnya 2 mm. Temperatur dinding luar pipa adalah 523,2 K dan temperatur udara lingkungan adalah 343,2 K dengan koefisien konveksi sebesar 30 W/m2.K. Hitung efisiensi fin dan panas yang hilang dari fin.

Diketahui: T0 = 523,2 K

T = 343,2 K

L = 0,04 m

r1 = 0,04 m

t = 2 mm = 0,002 m

k = 222 W/m.K

h = 30 W/m2.K

Ditanya: f dan qf = ..?

Jawab

: Dari pers. (4.13-16):

Selain itu,

Dengan menggunakan Gambar. 4.13-5b, diperoleh f = 0,89

Untuk transfer panas dari fin itu sendiri sebesar:

. (4.13-17)dimana Af adalah luas permukaan bagian luar (annulus) dari fin dan cenderung terjadi pada kedua sisi dari fin:

(untuk sirkular fin)

(untuk longitudinal fin) .(4.13-18)Sehingga,

Substitusi ke pers. (4.13-17):

Efisiensi fin untuk berbagai macam fin:

Gambar. 4.13-5a. Longitudinal atau fin lurus (straight)

Gambar. 4.13-5b. Sirkular atau fin melintang (transverse)

3. Koefisien transfer panas keseluruhan untuk pipa berfin

Seperti pada Gambar. 4.3-3b, dimana transfer panas terjadi dari fluida di dalam silinder atau pipa, dengan dinding logam silinder A yang mempunyai ketebalan xA dan untuk fluida di luar pipa, dimana pipa mempunyai fin di bagian luarnya. Panas ditransfer terus dengan hambatan secara seri. Total panas q yang meninggalkan bagian luar pipa adalah jumlah panas yang hilang secara konveksi dari dasar lubang pipa qt dan hilang secara konveksi dari fin qf,

.(4.13-19)Persamaan di atas dapat ditulis mengikuti hambatan secara parallel.

.(4.13-20)dimana At adalah daerah lubang pipa diantara fin, Af adalah daerah fin dan h0 adalah koefisien konveksi bagian luar. Hambatan di pers. (4.3-20) dapat disubstitusi ke pers. (4.3-15) untuk lubang pipa sehingga dapat diperoleh persamaan keseluruhan untuk pipa penukar berfin (finned tube exchanger).

.(4.13-21)

dimana T4 adalah temperature fluida di dalam pipa dan T1 adalah temperature fluida di luar.

.(4.13-22)Adanya fin pada bagian luar pipa mengubah karakteristik dari aliran fluida oleh pipa (salah satunya aliran parallel untuk longitudinal fin atau aliran melintang (transversal) untuk sirkular fin). Sehingga hubungan untuk aliran parallel fluida atau aliran melintang (transversal) dengan lubang pipa tidak dapat digunakan untuk memperkirakan koefisien konveksi bagian luar h0. Hubungan ini tersedia pada literatur (K4, M1, P1) untuk transfer panas pada berbagai macam tipe fin._1317505230.unknown

_1317505510.unknown

_1327720986.unknown

_1317524245.unknown

_1317505254.unknown

_1317481726.unknown

_1317503971.unknown

_1317504482.unknown

_1317505058.unknown

_1317504123.unknown

_1317484927.unknown

_1317485209.unknown

_1317503737.unknown

_1317485061.unknown

_1317484128.unknown

_1317480438.unknown

_1317480863.unknown

_1317481306.unknown

_1317481331.unknown

_1317480715.unknown

_1317479830.unknown

_1317480108.unknown

_1317479691.unknown