05 BOILING & CONDENSATION PDF

Preview

Summary

Agung Sugeng Widodo E-mail : [email protected]  mempelajari rate of heat transfer (jumlah perpindahan panas persatuan waktu) selama proses pendidihan dan kondensasi  Pendidihan :  liquid ke vapor  Pendidihan : proses terjadinya gelembung2 pada seluruh permukaan cairan. Proses tersebut terjadi ...

Description

Agung Sugeng Widodo E-mail : [email protected]

 mempelajari rate of heat transfer (jumlah perpindahan panas persatuan waktu) selama proses pendidihan dan kondensasi  Pendidihan :

 liquid ke vapor

 Pendidihan : proses terjadinya gelembung2 pada seluruh permukaan cairan. Proses tersebut terjadi jika tekanan cairan meningkat sampai tekanan saturasi. Contoh : air akan mendidih pada temperatur 100o C pada tekanan 1 atm ( 101, 3 kPa) .  Water : Tsat @ 101,1 kPa = 100oC  Water : Tsat @ 3,00 kPa = 24,08oC

 Kondensasi :  vapor ke liquid Proses tersebut terjadi jika tekanan uap lebih kecil dari tekanan saturasinya.

1

 Pendidihan dan Kondensasi berbeda dengan perpindahan panas konveksi lainnya, karena keduanya melibatkan :  panas laten penguapan ( hfg)  teg.permukaan pada permukaan cairan & gas(σ)  Konveksi ~ f (, , k, Cp)  Pendidihan ~ f (, , k, Cp, Hfg, σ )  Ciri khusus dari proses pendidihan dan kondensasi adalah koefisien perpindahan panas (h) beberapa kali lipat dibandingkan dengan bentuk konveksi lainnya yang melibatkan satu fasa.

Pendidihan (Boiling) Terjadi pada interface padat-cairan ketika cairan kontak dengan sebuah benda padat yang temp. Permukaan lebih besar dari temp. Saturasi ( Ts > Tsat )

Contoh : Pada 1 atm air akan mendidih jika dikontakkan dengan benda padat bersuhu 110oC, karena temp. Saturasi air pada 1 atm = 100oC

Penguapan (Evaporation) Terjadi pada permukaan (interface) cairan-uap ketika tekanan uap kurang dari tekanan saturasi pada temperatur tertentu.

Contoh : Air danau akan menguap pada temperatur 20o C dan 60% kelembapan relatif karena Psat@ 20oC = 2,3 kPa dan Pvapor@ 20oC,60% rh = 1,4 kPa Contoh lainnya : mengeringnya pakaian, buah, sayuran

2

 Heat flux pendidihan dari benda padat ke cairan diekspresikan dari hukum Newton tentang pendinginan sbb : = h(T - T ) = h D T q& boiling s sat excess

 Gelembung mempunyai tegangan permukaan pada interface cairanuap dikarenakan gaya tarik molekul pada permukaan terhadap fasa cairan.  Tegangan permukaan (σ , N/m2) menurun ketika temperatur meningkat dan menjadi nol ketika mencapai temperatur kritis. Oleh karena itu tidak terdapat gelembung-gelembung ketika proses pendidihan pada tekanan dan temperatur super kritis.

 Pendidihan dan kondensasi tidak berada kesetimbangan termodinamik dengan lingkungan cair. Perbedaan tekanan yang terjadi di dalam gelembung dan cairan diseimbangkan oleh tegangan permukaan.  Perbedaan temperatur uap dalam gelembung akan menyebabkan proses perpindahan panas dari/ke dalam gelembung

Tb >Tl

menghilang

interface

muncul ke permukaan

interface Tb < T l

3

4

Natural Convection Boiling ( sampai titik A pada grafik)

 terjadi beberapa derajat celcius di atas temp. saturasi ( 2 – 6oC untuk air)  cairan dalam kondisi sedikit superheated, kondisi metastable dan akan menguap jika mencapai permukaan cairan  gerakan fluida diatur oleh konveksi alamiah.

5

Nucleate Boiling ( antara titik A dan C)  awal terbentuknya gelembung dan akan meningkat jumlahnya sampai pada titik C  Pada regime A – B disebut dengan isolated bubble karena, ketika terjadi gelembung dan kemudian lepas dari permukaan heater maka gelembung akan terdissipasi dan hilang ke dalam cairan. Ketika terjadi gelembung dipermukaaan heater, maka permukaaan akan terisi oleh cairan. Hal ini menyebabkan heat transfer coeff. dan heat flux meningkat.  Pada regime B – C, temperatur heater akan terus meningkat dan gelembung yang terbentuk juga akan semakin banyak sehingga membentuk continous coloum of vapor dalam cairan. Gelembung akan naik ke permukaan dan pecah. Pada kondisi ini heat flux yang terjadi relatif besar akibat kombinasi dari pemasukan (entrainment) cairan ke permukaan heater dan proses penguapan.

 Pada harga Texcess besar, permukaan heater akan terselubungi oleh gelembung. Adanya gelembung tersebut akan menyebabkan heat flux menjadi menurun jika dibandingkan dengan peningkatan Texcess.  Heat flux pada titik C disebut dengan critical/maximum heat flux, q& max, yang pada air terjadi pada  1 MW/m2.  Daerah nucleate boiling lebih disukai dalam praktis karena rate of heat transfer yang besar jika dibandingkan dengan peningkatan Texcess yang relatif kecil . Pada air terjadi  30oC.

6

Transition Boiling (antara titik C dan D pada grafik)  Pada daerah ini heat flux menurun dengan meningkatnya Texcess, karena permukaan heater tertutupi oleh vapor film. Lapisan uap tersebut akan berfungsi sebagai isolasi karena uap mempunyai k yang relatif rendah dibandingkan dengan k cairan.  Pada daerah ini, antara nucleate boiling dan film boiling keduanya terjadi bersamaan.  Daerah ini disebut dengan unstable film boiling regime dan dalam praktis tidak disukai. Pada air terjadi pada  30o – 120oC.

7

Film Boiling  Pada daerah ini, seluruh permukaan heater ditutupi oleh continous stable vapor film.  Pada titik D, heat flux akan mencapai minimum dan diberi nama Leidenfrost point ( 1756)  Heat transfer akan meningkat dengan meningkatnya Texcess karena dominannya proses radiasi pada daerah ini ( pada temp. Tinggi).

8

continues film

Burn out phenemena  Burn out phenemena terjadi ketika temp. heater dinaikkan secara mendadak sampai mencapai temperatur lelehnya, sehingga akan terjadi sudden jump yang tidak mengikuti q min pada transition boiling.  Kejadian akan sama jika power/temperatur heater diturunkan secara mendadak, maka penurunan tidak mengikuti q max (lihat gambar)

9

Korelasi Perpindahan Panas dalam Pool Boiling  Dalam nucleate boiling regime, rate of heat transfer sangat bergantung pada kondisi nucleation ( jumlah daerah nucleaisasi aktif, laju pembentukan bubble pd setiap site dll) yang notabene sulit diprediksi.  Type dan kondisi permukaan heater juga mempengaruhi proses perpindahan panas.  Koplikasi tersebut membuat sulit untuk membangun relasi teoritis perpindahan panas untuk daerah nucleate boiling sehingga bergantung pada data eksperimental.  Korelasi yang paling luas digunakan untuk perpindahan panas pada daerah nucleate boiling diawali oleh Rohsenow, 1952 :

Nucleate Boiling  g ( l -  v ) q& nucleate =  l h fg   s 

12

 C pl (Ts - Tsat )  n   C fs h fg Prl 

3

dimana : Catatan :Pers. Ini u/ perm. q& nucleate = nucleate boiling heat flux, W/m2 l = viskositas cairan, kg/(m.s) halus & bersih hfg = entalpi penguapan, J/kg g = percepatan gravitasi, m/s2 l = densitas cairan, kg/m3 v = densitas uap, kg/m3 s = teg. permukaan interface cairan-uap, N/m Cpl = panas jenis cairan, J/(kg.oC) Ts = temp. permukaan, oC Tsat = temp. saturasi fluida, oC Cfs = kontanta eksperimental, tergantung dari Permukaan Pr = Angka Prandl n = konst. eksperimental, tergantung pada fluida

10

Peak Heat Flux  Pada perencanaan peralatan perpindahan panas pendidihan adalah penting untuk mengetahui heat flux maksimum untuk menghindari burn out. Maksimum heat flux pada nucleate boiling ditentukan secara teoritis oleh S. S Kutaeladze (Rusia, 1948) dan N. Zuber (USA, 1958) yang diekspresikan :

[

]

q& max = Ccr h fg s g  v2 ( l -  v ) 1 4  dimana Ccr adalah konstanta yang tergantung pada bentuk geometri heater.

Minimum Heat Flux  Zuber menurunkan persamaan untuk heat flux minimum untuk plat horisontal besar sebagai berikut :

q& min

 s g ( l -  v ) = 0,09  v h fg   2  ( l +  v ) 

14

 dimana 0,99 adalah konstanta yang ditentukan oleh Berenson (1961)

11

Film Boiling  Bromley membentuk sebuah teori untuk memprediksi heat flux pada stable film boiling pada silinder horisontal dan lingkatan dengan diameter D sebagai berikut : q& min

[

] ( T

 gk 3  ( -  v ) h fg + 0,4 C pv (Ts - Tsat )  = C film  v v l   v D (Ts - Tsat )  

14

s

- Tsat )

 dimana kv adalah konduktivitas vapor dalam W/m.oC dan 0,62 untuk silinder horisontal C film =  0,67 untuk bola

Film Boiling  Bromley membentuk sebuah teori untuk memprediksi heat flux pada stable film boiling pada silinder horisontal dan lingkatan dengan diameter D sebagai berikut : q& min

[

] ( T

 gk 3  ( -  v ) h fg + 0,4 C pv (Ts - Tsat )  = C film  v v l   v D (Ts - Tsat )  

14

s

- Tsat )

 dimana kv adalah konduktivitas vapor dalam W/m.oC dan 0,62 untuk silinder horisontal C film =  0,67 untuk bola

12

Film Boiling (con’t)  Pada temp. permukaan yang tinggi ( 300oC), heat transfer sepanjang uap film melalui radiasi menjadi signifikan dan perlu diperhatikan :

(

q& rad = s Ts4 - Tsat4

)

dimana :  = emivisity permukaan s= 5,67 x 10-8 W/m2.K4

 Perpindahan panas total tidak merupakan penjumlahan antara qfilm dengan qrad. . Karena kedua mekanisme perpindahan panas diatas mempengaruhi satu sama lain. Misal, radiasi dari permukaan ke cairan akan meningkatkan laju penguapan, dan akan menebalkan vapor film, sehingga mengurangi perpindahan panas konveksi. Untuk qrad < qfilm Bromley menyatakan : qtotal = q& film + 3 4 q& rad

Meningkatkan heat transfer pada pool boiling  Perpindahan panas pada nucleate boiling sangat bergantung pada jumlah daerah pengintian aktif (active nucleation sites) dan laju pembentukan gelembung pada setiap site. Oleh karena itu usaha dilakukan untuk membuat permukaan heater tidak teratur, termasuk kekasaran permukaan dan kotoran yang menempel dapat berfungsi sebagai site pembentuk inti.  Efek dari kekasaran permukaan dapat diabaikan pada critical heat flux dan heat flux pada film boiling.  Usaha untuk meningkatkan heat transfer pada nucleate boiling dalam praktis (dipasaran) dilakukan dengan melapisi permukaan dengan sebuah lapisan porous tipis ( ± 1 mm ) atau dengan membuat lubang-lubang kecil pada permukaan. Usaha diatas dapat meningkatkan heat transfer sampai 10 x lipat dan critical heat flux sampai 3 x.

13

Flow Boiling A. External F. B semakin besar kec. fluida semakin besar nucleate boiling dan critical boiling heat flux. (qcr = 35 MW/m2 ; bandingkan dgn pool boiling q cr = 1,3 MW/m2

14

B. Internal F. B • awalnya cairan dalam kondisi subcooled. • gelembung pertama muncul pada tube bagian dalam • dan kemudian lepas mengikuti aliran utama  bubbly flow regime.

PERPINDAHAN PANAS KONDENSASI  Kondensasi : vapor ke liquid  Kondensasi terjadi ketika temp. uap turun sampai temp saturasinya ( yg umumnya kontak dengan benda padat yang memp. T < Tsat fluida )  Kondensasi dibedakan menjadi dua : 1. film condensation : kondensasi berbentuk lap. film 2. dropwise condensation : kondensasi berbentuk droplet.

15

FILM CONDENSATION  awal cairan film terjadi pada ujung plat, turun ke bawah akibat gravitasi  tebal film  membesar searah dengan aliran.  panas dlm hfg dilepas selama kondensasi & ditransfer menuju plat yg mempunyai Ts < Tsat  kec. di dinding adalah nol dan kec. max terjadi pada interface cairan-uap  Temp. kondensat semakin mendekati dinding semakin turun sampai sama dng Ts

FILM CONDENSATION (con’t) Perpindahan panas pada kondensasi juga tergantung pada apakah aliran laminar atau turbulen, kriteria tsb dapat didefinisikan sbb : Re =

Dh  l Vl

l

=

4 Ac  l Vl p l

=

4  l Vl 

l

=

4 m& l p l

dimana : Dh = 4Ac/p = diameter hidraulik p = perimeter Ac = p  = perimeter x tebal film, luas penampang l = densitas cairan l = viskositas cairan V = kec. rata2 kondensat & m =  A V = laju aliran massa kondensat l

l

16

FILM CONDENSATION (con’t) Karena dalam kondisi aktual kondensate mengembun secara kontinyu ke temp. rata-rata antara Tsat dan Ts maka, proses kondensasi akan melepaskan lebih banyak panas. Sehingga oleh Rohsenow kalor laten penguapan dimodifikasi menjadi : h*fg = h fg + 0,68C pl ( Tsat - Ts ) + ( C pv ( Tv - Tsat )

Sehingga : Q& conden = hA( Tsat - Ts ) = m& h*fg

Jika m disubstitusikan ke persamaan sebelumnya maka :

Re =

4Q& conden 4 Ah( Tsat - Ts ) = p l h*fg p l h*fg

FILM CONDENSATION (con’t) Kriteria daerah aliran pada kondensasi pada plat vertikal dapat dikategorikan sebagai berikut & beberapa kasus film condesation :

17

DROPWISE CONDENSATION  dropwise condensation dicirikan dgn pembentukan droplet2 dgn berbagai variasi diameter yg kemudian membesar & jatuh menghapus permukaan solid & kembali terekspos ke uap. Merupakan mekanisme perpin panas yg efective ( 10 x FC) Dilakukan dengan : - Pelapisan polimer (teflon), emas, silver, rhodium, palladium or platinum - Promoter chemical : waxes, fatty acid (oleic, stearic, linoic acid) P. Griffith merekomendasi :

18...