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