Heat Transfer 3Condensing Vapors and Boiling

Liquids

Disusun oleh:Ana Eka Kherliana 0515041023

Karolina Ranti 0515041038

Nuning Aprilianasari 0515041053 Raras Wijayanti 0515041060 Tri Purnama Sari

0515041066Yesti Arizona 0615041079

Jurusan Teknik Kimia Fakultas TeknikUniversitas Lampung

Bandar Lampung2009

Heat Transfer 3

Condensing Vapors and Boiling Liquids

Pengembunan dikarenakan uap jenuh dapat diselesaikan dengan membawa uap itu

sampai berhubungan dengan sebuah permukaan temperature adalah di bawah titik

embun pada uap. Kondensate dari zat organic biasanya permukaan logam basah,

membentuk sebuah film dari cairan pada permukaan dingin yang mana disebut

“film dengan cara pengembunan”. Air kondensate biasanya permukaan metalik

basah, tetapi tidak mungkin di bawah beberapa kondisi dan seperti dalam kasus

terjadi. “pengembunan yang menetes ”

Filmwise Condensation

Ketebalan dari Lapisan kondensate dalam filmwise pengembunan tergantung pada

susunan dari permukaan, kecepatan kondensasi dan kecepatan yang mana aliran-

aliran cairan dari permukaan. Sifat dasar dari film kondensate pada permukaan

vertical dan horizontal dapat dilihat dalam diagram dalam fig. 423

Saturated Vapors(Uap Jenuh)

Mengikuti persamaan pada koefisien perpindahan panas untuk sebuah

pengembunan uap jenuh murni pada sebuah permukaan dingin didapatkan dengan

perumpamaan memadatkan uap dalam sebuah film yang terus menerus mengalir

dalam aliran laminar rendah/bawah pada permukaan pendinginan vertikal yang

seharusnya merupakan pengaruh dari gravitasi, dan perbedaan temperature antara

uap dan permukaan dingin adalah konstan. Pengaruh pada film kondensate

disebabkan oleh kecepatan uap atau oleh aliran turbulen dari cairan pada

tubevertical panjang yang diabaikan. Sebuah penurunan dalam ketebalan film

akan menaikan koefisien pengembunan. Untuk permukaan vertical,

(425)

Dimana: Tsv = Temperatur pada uap jenuh (0F)

Ts = Temperatur pada permukaan (0F)

ΔH = Panas Laten pada pengembunan (Btu/lb)

L = Panjang pada tube atau permukaan vertikal (ft)

g = laju gravitasi (ft/hr.hr)

Pada kondisi stándar g = 4.18 x 108 ft/hr.hr. Berdasar pada asumsi 1/μ adalah

linier dalam T dan pada gradien temperatur linier terus ke film kondensate, pada

bagian temperatur rata-rata dapat digunakan dalam mengevaluasi sifat fisik

(physical properties), kf, ρf, dan μf, adalah

Nilai yang didapatkan dari pers 425 lebih rendah dari yang didapatkan pada

kenyataannya. Konsekuensinya persamaan 425 direkomendasi untuk digunakan

untuk prakteknya.

(426)

(427)

Dimana D : diameter luar tube (ft)

W : kondensat per jam

Semua data kondensat diambil pada temperatur rata-rata.

Persamaan 426 dan 427 adalah equivalent, keduanya bisa digunakan. Jika panjang

permukaan vertikal (L) diketahui, maka yang digunakan adalah persamaan 426.

Jika jumlah uap yang dikondensasi per jam yang diketahui maka persamaan 427

yang digunakan.

Untuk horizontal tube, perhitungan yang tersedia akan dibagi dengan asumsi yang

sama dengan persamaan 425.

(428)

Dimana N : jumlah tube yang pada penampang vertikal.

Variasi dari ketebalan kondensat dari atas ke bawah tube menyababkan

temperatur permukaan tube dapat diketahui. Temperatur rata-rata dari kedua sisi

tube biasanya digunakan.

Penurunan koefisien kondensasi untuk sejumlah tube pada arah vertikal mengikuti

dengan langsung dari kenaikan jumlah liquid yang melewati tube. Ketebalan film

kondensat naik hingga yang tersisa hanyalah kondensat liquid yang melewati

tube-tube, seperti gambar 424.

Kondenser dengan horizontal tube (gambar 405) biasanya mempunyai jumlah

tube yang lebih banyak pada arah vertikal yang berada ditengah daripada arah

pinggirannya. Koefisisen rata-rata bisa dihitung dari persamaan 428 untuk

kondenser yang masuk dengan menghitung N rata-rata

(429)

Dimana N denga tanda 1,2,3,4 adalah jumlah tube pada baris yang dindikasikan

dengan subscribe.

Latihan.

Hitunglah koefisien kondensasi untuk bagian bawah dengan 3 tube, kapankah

koefisien kondensasi untuk tube atas 350, dengan asumsi kondensat film mengalir

dengan aliran laminer.

Ilustrasi contoh : dari data-data yang ada, hitunglah koefisien overall, film

koefisien kondensasi heksana, dan koefisien transfer panas untuk air yang ada di

dalam tube.

Posisi no 1 2 3 4 5 6

T rata-rata (oF) 57.2 62.48 104.5 105.6 106.7 107.4

Kondenser tube dengan copper tunggal (1.049 in ID, 1,31 in OD) digunakan

untuk mengkondensasi heksan pada tekanan atmosfer. Termocouple diletakkan di

tengah kondenser dan termometer memberikan data temperatur rata-rata selama

proses berlangsung. Dengan air mengalir di di dalam tube dengan laju 22.83

lb/min. Tube berubah menjadi temperatur pada 8 angel seperti ditunjukkan pada

gambar 426 no 3. heksan yang dikumpulkan dengan laju 0.833 lb/min. Panjang

efektif tube adalah 20 5/8 inci.

Jawab :

Jumlah heat yang ditransfer :

= 60 x 22.33 x 10(62.48-57.20)

= 7240 Btu/hr

Area :

Inside tube sq ft

Outside tube sq ft

Perbedaan temperatur :

- Overall

- Diantara kondensing film dan satu setengah dinding copper

- Dari dinding copper ke air

Koefisien overall :

- Berdasarkan area dalam

Btu/(hr)(oF) (sq ft)

- Berdasarkan area luar

Btu/(hr)(oF) (sq ft)

Koefisien kondensasi termasuk hambatan “1,5” dengan dasar metal pada

area luar ( U’OD) :

= 248 Btu/(hr)(oF) (sq ft)

U’OD = 248 Btu/(hr)(oF) (sq ft)

Koefisien Kondensing film , hOD :

hOD = Btu/(hr)(oF) (sq ft)

Hambatan metal sangat kecil, bila dibandingkan dengan koefisien film, maka

hambatan metal dapat diabaikan.

Koefisien transfer panas untuk copper ke air termasuk hambatan 1,5 dari tube

dan perpindahan panas dari tube ke air :

= 332 Btu/(hr)(oF) (sq ft)

= 332 Btu/(hr)(oF) (sq ft)

Btu/(hr)(oF) (sq ft)

Dengan cara yang lain, kita harus menghitung temperatur permukaan dalam

dan permukaan luar dari copper tube dari temperatur tengah yang diketahui,

konduktivitas termal, ketebalan, dan fluks panas q/A.

Cara lain untuk menentukan koefisien kondensasi film yang tidak

memperhitungkan temperatur dinding tube dihitung dari kenaikan kecepatan

air pada koefisien kondensasi konstan. Dengan memplot hambatan total

dengan perubahan kecepatan air menjadi 0.8 power memberikan garis yang

bisa di ekstrapolasi menjadi kecepatan air yang infinite untuk memberikan

hambatan dari dinding tube ditambah dengan kondensasi film, yang dapat

dihitung dengan persamaan yang telah dijelaskan oleh Wilson.

Aliran turbulensi pada lapisan kondensat

Walaupun asumsi bahwa lapisan kondensat cair mengalir pada permukaan aliran

laminar biasanya digunakan pada tube horizontal, akumulasi kondensat pada tube

vertical bias meningkatkan turbulensi.

Ketika rasio dimensi 4W/ dievaluasi pada point terendah dalam permukaan

kondensasi lebih rendah dari 2100, aliran adalah laminar dan persamaan 426 dan

427 dapat digunakan. Jika rasio dimensi lebih besar dari 2100, aliran lapisan

kondensat adalah turbulen setidaknya pada bagian bawah tube, dan dapat

digunakan persamaan di bawah ini :

h = 0.0077 (430)

di mana : W = banyaknya kondensat per satuan waktu

D = diameter luar tube

= wetted perimeter

Tidak satupun dari persamaan ini, 423 atu 430, mempertimbangkan turbulensi

atau perubahan ketebalan film sebagai akibat kecepatan timbulnya uap. Untuk

kecepatan uap yang tinggi, koefisien akan lebih dipertimbangkan daripada

memprediksi dari persamaan.

Superheated vapors

Kondensasi uap superheated meliputi langkah tambahan pada penurunan suhu uap

menjadi sehu jenuh sebelum kondensasi berlangsung. Selama reduksi

berlangsung, di mana tube basah dengan kondensat, uap bereaksi dengan prediksi

untuk aliran fluida luar atau dalam tube. Pada kasus ini, koefisien konveksi relatif

rendah ( 10 sampai 40 Btu/(hr)(F)(sq ft). Untuk porsi kondensasi pada transfer

panas, perbedaan suhu adalah suhu jenuh dikurangi suhu permukaan. Di mana

derajat seperheat kecil dibandingkan panas laten, koefisien untuk uap jenuh dapat

digunakan untuk uap superheated, perbedaan suhu antara suhu jenuh dan suhu

permukaan digunakan.

Campuran

Gas di mana tidak bisa dikondensasi pada suhu kondensasi dapat disebabkan

reduksi yang sulit pada kapasitas kondenser dengan menyelimuti permukaan

kondensasi. Udara pada steam dapat diilustrasikan untuk ini. Untuk operasi

kondenser pada sistem tertutup sama seprti sistem refrigerasi, gas yang tidak bisa

dikondensasi dapat dipindahkan dengan sempurna pada waktu refrigerant diisi ke

dalam sistem. Pemindahan secara kontinyu udara juga dibutuhkan jika ada

kebocoran dalam sistem untuk melindungi selimut pada permukaan kondensasi

dengan menjumlahkan udara, walaupun kondensasi sangat lambat. Untuk operasi

kondensasi steam pada tekanan atmosfer, pompa vakum diperlukan untuk

memindahkan gas yang tidak dapat dikondensasi secara kontinyu. Kondensasi

campuran uap di mana hasil fasa cair disajikan pada masalah yang sama.

Dropwise condensation

Penurunan kondensasi terjadi apbila kondensat tidak membasahi permukaan tetapi

membentuk tetesan-tetesan cair yang melingkar pada permukaan.

Sebenarnya cairan membentuk sudut kontak dengan permukaan padat, seperti

ditunjukkan pada gambar 427 dan 428. Jika sudut kontak menjadi lebih rendah

dari 50 derajat, tetesan-tetesan menyebar dengan rata dan area akan terbungkur

dengan film kontinyu.

Normalnya, substansi organik membentuk film kontinyu, dan air embun kecuali

pada permukaan yang terbungkus asam lemak atau material sejenis lainnya yang

tidak basah oleh air. Berdasarkan pengetahuan penurunan kondensasi terbatas

pada steam pada permukaan logam terdiri dari beberapa substansi adsorben

organik seperti asam lemak untuk mengintrol sudut kontak antara cairan

kondensat dan padatan.

Studi tentang penurunan kondensasi steam vertikal dan permukaan sepanjang

garispada kondisi dinamis yang diindikasi pada mekanisme berikut. Uap

mengembun pada permukaan dalam tetesan kecil yang terdiri dari beberapa

ukuran dan bentuk. Tetesan kecil membesar karena pengembunan pada

permukaan sampai tetesan mencapai ukuran maksimum yang mungkin terbentuk

untuk menempel pada permukaan. Tetesan besar ini melingkar dan membesar

dengan cepat dan bergabung dengan tetesan lainnya. Permukaan jalan dibersihkan

berkala dengan kondensat oleh tetesan yang mengalir turun ke permukaan, dapat

dilihat pada kerangka yang benar dari logam. Dengan putaran ketika diulang dari

awal dengan kondensasi uap diatas permukaan tetesan kecil.

Selama proses berlangsung luas permukaan ditutupi oleh banyak tetesan yang

jatuh(sekitar 45% dari literature). Besarnya laju alir transfer panas terjadi ketika

tetesan kecil lurus membersihkan permukaan pada frekuensi interval yang lebih.

Gambar 428 memperlihatkan macam-macam tetesan kondensasi dari steam yang

dilapisi kromium dengan asam stearik noda terang diatas tetesan yang digunakan

untuk mengetahui besarnya kemiringa atau sudut. Asam stearik membasahi

permukaan kondensor dalam waktu yang singkat jika tidak semua terbasahi dan

akan terjadi permukaan film.

Gambar 429 rangkaian alat dilihat pada gambar proses tetesan kondensasi.

Permukaan tetesan air dari permukaan gelap ke permukaan terangdapat dilihat

pada rangkaian alat photografi dari atas ke bawah. Gambar 429.b memberikan

jarak dari atas kepermukaan indikasinya bahwa ukuran tetesan yang jatuh tidak

beraturan mungkin terjadi pada luas yang belum dibersihkan olehgemuruh tetesan.

Gambar 429.a tipe bagian tengah permukaan seluruhnya adalah terang pada

interval frekuensi.

Laju perpindahan panassangat besar untuk cara tetesan kondensasi, dengan

koefisien yang berada diantara10.000-70.000 btu/(hr)(F)(aq ft). Untuk data tipe

tetesan kondensasi steamdiplotkan pada grafik 430. bagian permukaan yang tidak

ditutupi oleh tetesan tidak memiliki hambatan pada kondenser cair. Transfer panas

melewati butiran atau tetesan merupakan proses konduksi melalui bagian speris

dengan ukuran yang berbeda. Variabel pokok yang mempengaruhi ukuran tetesan

melewati panas harus menghasilkan panas yang berbeda. Variabel pokok yang

mempengaruhi ukuran tetesan melewati panas menjadikan panas yang berbeda

antara besar dan kecilnya ukuran pertemuan sudut sejak mengetahui ukuran rusak

oleh tetesan sebelum mereka memulai pertukarannya.

Akibat sementara dengan tetesan kondensasi sulit diperoleh karena pertemuan

sudut tidak dapat dkontrol. Pada permukaan pipa logam dengan nominal minyak

diatas permukaan sering dimulai dengan penguapan tetesan manner. Jika steam

tidak bebas minyak bagian permukaan pipa mungkin melindungi kondisi tetesan

saat mengingat pipa yang dilapisi dengan film pada kondensat.

Koefisien titik didih

Fliuda yang bertemu dengan padatan dengan temperature tinggi meningkatkan

temperature sampai ketitik didih dan tekanan yang bereaksi. Beberapa

temperature dibawah titik didih butiran uap dari penyerapan panas. Banyaknya

kenaikan buble dan pengadukan cairan menghasilkan kondisi yang sesuai untuk

transfer panas lihat pada grafik 431, Hal 453-454

433a dan 433b. Penurunan inti uap dalam mengatur derajat superheat dibutuhkan

liquid untuk memulai pembentukan gelembung dan juga untuk mendidihkan,

selain itu ini juga berfungsi dalam tekanan interfacial antara uap, liquid, dan

padatan. Tumbukan pada bagian dalam labu adalah hasil dari pemanasan

superheat. Ini terjadi karena inti vapor terbantuk sampai temperaturnya diatas

kesetimbangan boiling point. Akhirnya liquid superheated berpencar, dan

tumbukanpun terjadi.

Umumnya, koefisien pemindahan panas antara padatan dan liquid meningkat

dengan terjadinya perbedaan tingkatan temperatur antara padatan dan bagian

utama dari liquid. Gambar 434 menunjukkan bahwa koifisien penguapan

merupakan fungsi dari perbedaan temperatur antara padatan dan liquid.

Peningkatan temperatur yang terus menerus dan peningkatan jumlah gelembung

uap dikerenakan adanya bertambah ukuran dari gelembung. Hal ini dengan

sendirinya cenderung mengurangi proporsi dari surface padatan yang berkontak

dengan liquid. Sampai liquid mengabsorb panas dari uap, penurunan kontak tang

terjadi cenderung untuk menurunkan laju perpindahan dan untuk mangatasi

peningkatan laju perpindaan uap. Itu adalah dua fenomena dalam peningkatan

agitasi dan pelapisan uap yang dikarenakan perpindahan koefisien panas ke

bagian maksimum ketika plot berlawanan dengan penurunan temperatur atau

perubahan panas.

Perubahan interfacial propertis antara padat dan cair dengan meningkat perbedaan

suhu juga mengakibatkan penyelimutan uap. Liquid punya sedikit kecenderungan

membasahi padatan sehingga gelembung uap menyelubungi permukaan dan tidak

tertangkap oleh liquid secepat ketika perbedaan suhu yang terjadi rendah.

Gelembung yang berada di padatan diselimuti oleh uap, gambar 432dan 432c,

pada perbedaan panas yang tinggi, ”film boiling” ditunjukkan oleh berkurangnya

koefisien dengan meningkatnya perbedaan suhu.

Banyak bentuk dari peralatan digunakan untuk mentransfer panas dengan cara

pendidihan. Tabung horizontal yang dicelupkan pada zat cair yang mendidih

digunakan pada reboiler untuk fractionating kolom atau pada tabung horizontal

evaporator. Liquid dapat juga dididihkan pada tabung vertikal, pada kasus ini

aliran dua fase yang dimasukkan kedalam tabung menjadi faktor dalam mekanika

pendidihan. Liquid dapat disirkulasikan kedalam tabung horizontal ataupun

vertikal seperti di pipa perminyakan atau di forced circulation evaporator.

Pengaruh tegangan permukaan untuk fluida yang berbeda pada peralatan yang

berbeda dan efek dari agitasi gelembung atau sirkulasi fluida membuat hal ini

tidak mungkin untuk dirumuskan sebagai hubungan umum untuk merprediksikan

koefisien didih. Selama koefisien didih berubah-ubah dengan adanya perbedaan

temperatur antara permukaan dan cair, perubahan temperatur sekeliling tabung

harizontal akan merubah koefisien didih lokal. Temperature yang mengelilingi

sekitar tube secara horizontal pada titik didih cairan dan berisi steam berada di

dalam kondensasi yang bergantung pada koefisien local condenser yang

mengubah fungsi kualitas kondensate yang mana jumlah porsinya sedikit berada

di tube.

Initial untuk gas yang berada di permukaan atau penularan di permukaan

menggunakan material asing dapat mengakibatkan kesalahan kelakuan dalam

percobaan yang singkat. Tambahan untuk daerah yang basah dari tegangan

interfacial uap cair yang terendah dapat menaikkan koefisien didihnya. Pada level

temperature tertinggi dimana viskositas berkurang dan tegangan permukaan

memberikan koefisien didih tinggi dimana menggambil tempat nukleat mendidih.

Awal cairan mendidih pada temperature tinggi, memerlukan tekanan yang tinggi,

menambahkan koefisien didih dengan menaikkan temperature untuk substansi

yang diberikan. Panas fluk untuk 2.100.000 btu/hr sg ft diperoleh antara kawat

platinum dan air dibawah 1200 psi.

Pada keadaan mendidih normal adalah keadaan dengan perbedaan temperature

silang lapisan didih lebih kecil dari 40 atau 50oF dari titik didih nukleat. Koefisien

didih yang relative tinggi berarti resistan yang rendah untuk lapisan didih dan

perbedaan temperature silang didih lapisan dapat porsi yang lebih sedikit untuk

perbedaan temperature keseluruhan.

Panas fluk maksimum dimana nukleat mendidih dapat tetap diperoleh dan

dihitung dari garik korelasi pada gambar 435 dan 436 dimana dapat digunakan

untuk cairan yang sedikit murni atau campuran. Perbedaan temperature antara

panas permukaan dan cairan yang mendidih bersesuaian dimana panas fluk

maksimum dapat diketahui dengan gambar 437 yang ditandai dengan diketahui

perbedaan temperature terbesar yang lebih optimal untuk campuran daripada

untuk komponen murni.