Berikut ini saya sampaikan penjelasan mengenai TERMODINAMIKA,
ALIRAN FLUIDA DAN PERPINDAHAN PANAS DALAM PROSES PRODUKSI
SEMEN.
1.
Sistem dan Hukum Pertama Termodinamika
Sistem dalam termodinamika merupakan bagian yang
menjadi subyek pembahasan atau sesuatu yang sedang kita perhatikan. Sistem dapat diterapkan pada segala sesuatu
tergantung pada bagaimana cara kita mendefinisikannya. Sedangkan segala sesuatu
yang terdapat di luar sistem disebut sebagai lingkungan. Batas antara sistem
dengan lingkungan biasanya digambarkan dengan garis putus-putus sehingga kita
dapat melakukan analisis secara jelas dan sederhana, seperti contoh sistem pada
gambar 1 di bawah ini:
Sifat adalah
setiap karakteristik atau ciri dari zat yang dapat dinyatakan secara kuantitatif,
misalnya temperatur, tekanan, volume jenis, kalor jenis, enthalpi, entropi,
sifat cair uap dari suatu keadaan dan rapat massa. Dengan kata lain sifat
adalah segala sesuatu yang dimiliki oleh zat. Sifat zat ini hanya tergantung
pada sistem dan tidak tergantung pada proses yang dialami oleh sistem dalam
mencapai suatu tingkat keadaan yang tertentu. Dengan demikian perubahan harga
sifat itu hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir suatu sistem.
Sedangkan tingkat keadaan suatu sistem adalah keadaan yang dinyatakan oleh
seluruh sifat yang dimiliki oleh zat.
Sifat termodinamik ini dapat dibagi
dalam dua golongan, yaitu :
1. Sifat intensif,
yaitu sifat yang tidak tergantung pada massa zat. Artinya bila sejumlah zat dalam suatu keadaan dibagi menjadi dua bagian yang sama, tiap bagian akan
memiliki harga sifat intensif yang sama seperti dalam keadaan sebelum dibagi.
Contoh sifat intensif ini adalah tekanan,
temperatur dan massa jenis.
2. Sifat ekstensif,
yaitu sifat zat yang tergantung pada massa zat. Contohnya adalah massa dan
volume. Sifat ekstensif dapat diubah menjadi sifat intensif bila dibagi dengan
massa zat yang bersangkutan. Jadi sifat ekstensif persatuan massa akan menjadi
sifat intensif, misalnya volume jenis, enthalpi jenis dan entropi jenis.
Energi adalah
sifat yang dimiliki oleh suatu partikel, zat, benda, sistem atau sesuatu yang
didefinisikan. Energi merupakan sifat dari suatu zat yang menunjukkan kemampuan
zat tersebut melakukan usaha baik secara mikroskopik (panas) maupun secara makroskopik
(kerja atau perpindahan). Perpindahan energi dalam bentuk panas merupakan
aktivitas molekuler dari suatu zat yang menyebabkan berkurang atau bertambahnya
kandungan energi. Sedangkan perpindahan dalam bentuk kerja adalah hasil dari perubahan posisi suatu benda akibat gaya
yang diberikan pada benda tersebut.
2. Hukum
konservasi massa dan energi
Pada
suatu sistem yang diasumsikan sudah mencapai kondisi tunak, harga pertambahan
massa dan energi adalah nol. Hal ini
berarti bahwa jumlah massa dan energi yang masuk dan keluar sistem adalah sama
sehingga kalau dituliskan dengan persamaan matematik menjadi :
å Min = å Mout (1)
dimana å Min adalah jumlah seluruh
massa yang masuk ke dalam sistem dan å Mout
adalah jumlah seluruh massa keluar dari sistem. Sedangkan untuk energi, secara
umum dalam kondisi tunak laju energi yang memasuki sistem juga harus sama
dengan yang keluar dari sistem. Penulisan persamaan konservasi energi dalam
kondisi tunak ini adalah:
Qin = Qout (2)
dengan Qin adalah laju
energi yang masuk ke dalam sistem dan Qout adalah laju energi yang
keluar dari sistem.
Dalam
analisis energi pada suatu komponen sistem proses pembuatan semen,, persamaan
di atas dapat dikembangkan. Karena banyak sekali jenis zat yang masuk dan
keluar sistem, maka kandungan energi yang dibawa harus dihitung secara
tersendiri.
Artinya bila terdapat n jenis zat, maka massa dan energi
yang masuk maupun yang keluar merupakan jumlah total dari keseluruhan zat-zat
tersebut.
(m1 + m2
+ m3 + … + mn)in = (m1
+ m2 + m3 + … + mn)out (3)
(Q1 + Q2
+ Q3 + … + Qn)in = (Q1
+ Q2 + Q3 + … + Qn)out (4)
Harga
Q merupakan kandungan energi dari zat (masuk dan keluar sistem) yang dapat
ditentukan dari persamaan berikut :
Biasanya dalam perhitungan neraca energi, harga kapasitas
panas pada tekanan tetap (Cp) dianggap
tidak berubah terhadap temperatur. Tapi dalam perhitungan pada tulisan ini,
harga Cp tidak dapat dianggap konstan untuk perubahan temperatur yang besar.
Perubahan Cp tidak dapat diabaikan karena dapat mempengaruhi hasil
perhitungan.Untuk mempermudah perhitungan yang menggambarkan jumlah energi
masuk dan keluar dari sistem yang dikaji, diperlukan harga temperatur referensi
(Tref), karena yang kita hitung adalah harga energi relatifnya,
bukan harga mutlaknya.
Panas jenis (kalor
spesifik) dari suatu bahan didefinsikan sebagai jumlah energi panas yang
diperlukan untuk menaikkan temperatur satu satuan massa bahan tersebut sebesar
1K. Oleh karena besaran ini dipengaruhi oleh cara proses berlangsung, maka
harga kalor spesifik pada volume konstan (Cn) dan kalor spesifik pada tekanan konstan (Cp)
akan diambil sebagai fungsi temperatur seperti yang akan dibahas pada modul
lain. Besaran yang terakhir merupakan besaran yang paling sering digunakan pada
proses pemanasan dan pendinginan.
3.
Mekanika Fluida Suspensi atau Aerosol
Di dalam industri
semen, banyak sekali fluida campuran antara gas dan partikel debu (debu semen,
debu material baku, debu batu bara) yang terlihat. Oleh karena itu diskusi
sekilas hal-hal penting yang menyangkut aliran suspensi tersebut dirasa perlu.
Satu hal yang perlu bahwa untuk fluida suspensi/aerosol ini konservasi/kekekalan
massa, momentum dan energi tetap berlaku. Yang lebih sulit adalah
mengidentifikasi sifat-sifat termodinamis dari partikel dan campuran. Dalam
kasus ini perlu diingat bahwa kita tidak boleh menganggap kecepatan aliran
partikel sama dengan kecepatan aliran gasnya.
Hal ini merupakan akibat dari perbedaan massa jenis keduanya serta gaya
inersianya. Selain itu kesetimbangan termal antara gas dan partikel yang
mempunyai harga konduktivitas termal berbeda tidak terjadi, selama suspensi
tersebut mengalami mekanisme perpindahan energi secara termal, baik dari
dinding saluran ke suspensi atau sebaliknya.
Dengan demikian
kita harus mengevaluasi konduktivitas termal dan kapasitas panas pada tekanan
dan volume konstan (Cp & Cv) untuk partikel saat terjadi perbedaan temperatur
dan gradien temperatur antara masing-masing fasa. Jika terjadi gradien
kecepatan aliran, viskositas suspensi juga harus dievaluasi tersendiri. Secara
umum dalam diskusi tentang aerosol/suspensi ini, terdapat beberapa hal yang
harus diperhatikan antara lain :
1. Untuk partikel
berdiameter lebih dari 1 mm, kontribusi
partikel terhadap tekanan statis aliran diabaikan dan partikel mempunyai
kecepatan akibat adanya interaksi antara partikel yang terbawa oleh gas dan
gaya tahanan viskositasnya. Umumnya kecepatan partikel Up tidak sama
dengan kecepatan aliran gas U.
2. Antara partikel
dan gas dapat memiliki garis arus yang berbeda. Dengan demikian deferensiasi
parameter ini terhadap waktu harus dapat dievaluasi masing-masing.
3. Percepatan aliran
partikel adalah akibat dorongan gas yang mengalir. Namun perlambatan partikel tidak harus meningkatkan
tekanan statis aliran suspensi.
4. Secara umum untuk
partikel berdiameter 1 mm mempunyai
atom/molekul sekitar 1010. Energi partikel ditandai dengan
temperatur partikel itu sendiri Tp
walaupun temperatur gas T mewakili energi kinetiknya. Biasanya Tp ¹ T.
5. Karena kecilnya
ukuran partikel dan besarnya Cp relatif terhadap gasnya, maka dalam waktu yang
sangat singkat sebuah partikel yang berada dalam gas akan mempunyai temperatur
seragam di seluruh bodi partikel. Misalkan partikel magnesia dengan termal
difusivitas 5 x 10-7 m2/s akan bertemperatur seragam
dalam tempo 0,02 sekon.
6. Penambahan energi
pada suspensi dapat berarti :
§ Bagi gas akan
terjadi kenaikan temperatur total akibat perpindahan panas dan kenaikan energi
kinetiknya (gerakan molekul gas semakin cepat).
§ Bagi partikel yang
naik hanya temperatur statisnya akibat perpindahan panas. Sedangkan energi
kinetik partikel naik sebagai akibat terbawa oleh gas yang meningkat energi kinetiknya.
Apabila
diasumsikan massa sebuah partikel adalah mp dan jumlah partikel yang
berada dalam satuan tersebut n, maka massa partikel total adalah n.mp
= mpt. Volume total Vt sebenarnya terdiri dari volume
yang ditempati gas Vg dan volume yang sitempati partikel Vp.
Bila didefinisikan massa jenis awan partikel rps = mpt/Vt dan massa jenis partikel sendiri rps = mpt/Vp maka hubungan antara fraksi volume dalam awan
Q = Vp/Vt dengan rp dan rps adalah :
rp = Q. rps
Untuk gas, bila
didefinisikan massa jenis awan gas rg = mg/Vt dan massa jenis partikel gas sendiri rgs = mg/Vg maka
hubungan kedua parameter ini dengan fraksi volume partikel adalah :
dan rasio antara massa total partikel
dengan massa total gas dalam satuan volume m* adalah :
Mengingat
kompleksnya formulasi matematis untuk aerosol ini, agar memudahkan analisis
diperlukan asumsi-asumsi penyederhanaan antara lain :
§
Partikel tidak mempengaruhi tekanan fluida
§ Karena perbedaan kecepatan aliran antara gas dan partikel
sangat kecil maka interaksi antara gas dan partikel diabaikan.
§
Karena difusivitas termal kecil, gradien fraksi volume dari
partikel tidak mempengaruhi kesetimbangan momentum.
§ Gerakan partikel adalah akibat gaya yang diterima dari
aliran gas sehingga karakteristik yang riil dan kecepatan partikel adalah
kecepatan partikel dalam awan partikel bukan di dalam fasa partikel itu
sendiri.
4. Perpindahan panas secara umum
Perpindahan
panas (heat transfer) ialah ilmu yang untuk meramalkan perpindahan energi yang
terjadi karena adanya perbedaan temperatur diantara benda atau material. Ilmu
perpindahan panas tidak hanya mencoba menjelaskan bagaimana energi dalam bentuk
panas itu berpindah dari satu benda ke benda lain, tetapi juga dapat
meramalkan laju perpindahan yang terjadi
pada kondisi-kondisi tertentu.
5.1. Konduksi.
Jika
pada suatu benda terdapat gradien temperatur, maka akan terjadi perpindahan
energi dari benda bertemperatur tinggi ke benda benda bertemperatur rendah.
Kita katakan bahwa energi berpindah secara konduksi (conduction) atau hantaran
dan laju perpindahan panasnya berbanding dengan gradien temperatur normal.
5.2. Konveksi antara dinding dengan fluida
Pelat
logam akan menjadi dingin lebih cepat bila ditaruh di dalam udara yang mengalir
dibandingkan bila ditempatkan di udara tenang. Kita katakan bahwa panas
dikonveksikan ke udara sekitar dan proses ini dinamakan perpindahan panas
secara konveksi. Tetapi gambaran ini masih harus dikembangkan agar kita dapat
melakukan pengolahan analitis yang memadai tentang masalah ini.
Perhatikan
gambar 3. Oleh karena kecepatan lapisan fluida pada dinding adalah nol akibat
aksi viskositas dan kondisi tidak slip, maka panas hanya dapat berpindah pada
daerah ini dengan cara konduksi. Gradien temperatur bergantung pada laju fluida
pembawa panas. Kecepatan aliran yang tinggi akan menyebabkan gradien temperatur
menjadi tinggi pula. Jadi gradien temperatur pada dinding bergantung pada
distribusi kecepatan, sehingga perpindahan panas konveksi dipengaruhi pula oleh
distribusi kecepatan fluida tersebut. Namun perlu diingat bahwa mekanisme
perpindahan panas yang dominan pada dinding itu adalah konduksi. Guna
menyatakan pengaruh konduksi secara menyeluruh, kita gunakan hukum Newton
tentang pendinginan, yaitu :
Dari pembahasan di atas, dapatlah
diharapkan bahwa perpindahan panas konveksi bergantung kepada viskositas fluida
disamping ketergantungannya kepada sifat-sifat termal fluida itu (konduktivitas
termal, panas spesifik, densitas). Hal ini dapat dimengerti karena viskositas
mempengaruhi profil kecepatan.
5.3. Perpindahan panas pada aliran suspensi gas-partikel
dalam saluran
Dengan
mengasumsikan bahwa pengaruh radiasi partikel dapat diabaikan, untuk aliran
gas-partikel turbulen dalam pipa, keseimbangan energi termal untuk partikel
dengan diameter dp dapat dituliskan[1].
Perpindahan panas dari gas ke partikel.
Sejumlah peneliti telah melakukan percobaan untuk mencari model perpindahan
panas dari gas ke partikel dengan menghasilkan koefisien perpindahan panas dan
menganggap unggun fluidisasi (fluidized beds) berlaku sebagai sistem satu fasa.
Jika diasumsikan aliran partikel dalam aerosol tidak homogen (ada yang
menggumpal), maka dapat digunakan metode beda temperatur rata-rata logaritmik
(LMTD) dan koefisien perpindahan panasnya dihitung berdasarkan luas permukaan
partikel.
Untuk partikel yang tidak bulat
(nonspherical), perpindahan panas yang terjadi dapat didekati oleh persamaan di
atas dengan menggantikan diameter rata-rata terhadap harga dp.
Perpindahan
panas yang terjadi dari/ke partikel yang kasar terhadap dinding ruangan dapat
diformulasikan sebagai (misalnya untuk kasus fixed bed terhadap udara atau gas
yang berada di atasnya):
Dalam kasus fluidized bed (unggun
fluidisasi) dibahas perpindahan panas dari dinding ruangan ke aerosol atau
sebaliknya dimana aerosol berada dalam bentuk unggun terfluidisasi. Untuk
menganalisis kasus ini, kita harus mengetahui pola aliran (flow pattern) gas
yang diasumsikan. Perlu disediakan pula termokopel untuk mengukur temperatur
gas dan material. Dua cara percobaan untuk menentukan koefisien perpindahan
panas yang terjadi adalah sebagai berikut :
a.
Percobaan steady-state (tunak)
Parameter yang diukur adalah temperatur
gas panas dan partikel pada stasion keluar dan masuk saluran gas. Dengan
mengabaikan rugi-rugi ke dinding, neraca energi untuk gas panas dalam daerah
infinitesimal untuk panjang saluran dl adalah :
[Kalor
suspensi masuk] – {Kalor suspensi keluar] = [Kalor ditransfer ke dinding].
msus
. Cpg . dTg = hp . (Tg – Ts) . dA
b.
Percobaan unsteady-state (tak tunak)
Temperatur suspensi masuk dan keluar
suatu sistem berubah terhadap waktu. Dengan mengabaikan akumulasi panas oleh
gas, neraca energi pada selang waktu dt adalah :
[kalor
suspensi masuk] – [kalor suspensi keluar] = [kalor ditransfer ke dinding]
= [kalor terakumulasi di dinding]
c.
Konveksi antara gas dengan partikel
Perpindahan
panas antara gas dengan partikel di dalam riser duct SP merupakan konveksi
transien, artinya temperatur gas dan partikel berubah sepanjang waktuperjalanan
alirannya. Salah satu metode yang dipergunakan dalam perhitungan perpindahan
panas transient adalah metode lumped capacitance. Gambar 4
menunjukkan perpindahan panas antara partikel dengan temperatur awal Ti
yang dimasukkan ke dalam suatu wadah yang berisi gas dengan temperatur Tµ
yang lebih tinggi dibandingkan Ti. Jika partikel dimasukkan pada
saat t = 0, maka temperatur partikel akan naik sampai akhirnya sama dengan
temperatur gas (Tµ).
5.4. Radiasi
Berlainan
dengan mekanisme konduksi dan konveksi, dimana perpindahan panas terjadi
melalui bahan antara, panas juga dapat berpindah melalui daerah hampa, atau
melalui fluida ke permukaan lain dengan cara pemancaran gelombang
elektromagnetik dan disebut radiasi. Pembahasan termodinamika menunjukkan bahwa
radiator ideal atau benda hitam (black body) memancarkan energi dengan laju
yang sebanding dengan pangkat empat dari temperatur absolut benda itu dan berbanding
langsung dengan luas permukaan. Secara matematis dapat ditulis sebagai :
Qpancaran » s0 . Arad
. T4
(40)
Persamaan ini hanya berlaku untuk benda
hitam dan radiasi termal saja. Sedangkan untuk
radiasi elektromagnetik lain tidak sesederhana itu.
Pertukaran
radiasi netto antara dua permukaan berbanding dengan perbedaan temperatur
absolut pangkat empat dan faktor pandang antara dua permukaan dan emisivitas
masing-masing permukaan, artinya :
Qpertukaran
netto/Arad »
F . e
. so
. (T14 – T24)
(41)
dimana F: Adalah faktor bentuk interaksi antara
dua permukaan yang saling bertukar energinya
e : Adalah emisivitas permukaan
Demikian penjelasan mengenai TERMODINAMIKA,
ALIRAN FLUIDA DAN PERPINDAHAN PANAS DALAM PROSES PRODUKSI
SEMEN.
Semoga bermanfaat.