TERMODINAMIKA, ALIRAN FLUIDA DAN PERPINDAHAN PANAS DALAM PROSES PRODUKSI SEMEN

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 M_in   =  å M_out                                                                  (1)

dimana å M_in adalah jumlah seluruh massa yang masuk ke dalam sistem dan å M_out 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:    

Q_in   =  Q_out                                                                        (2)

dengan Q_in adalah laju energi yang masuk ke dalam sistem dan Q_out 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.

Perhatikan persamaan di bawah ini.

(m₁ + m₂ + m₃ + … + m_n)_in  =  (m₁ + m₂ + m₃ + … + m_n)_out                       (3)

(Q₁ + Q₂ + Q₃ + … + Q_n)_in  =  (Q₁ + Q₂ + Q₃ + … + Q_n)_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 (T_ref), 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 (C_n) dan kalor spesifik pada tekanan konstan (C_p) 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 U_p 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 m_p dan jumlah partikel yang berada dalam satuan tersebut n, maka massa partikel total adalah n.m_p = m_pt. Volume total V_t sebenarnya terdiri dari volume yang ditempati gas V_g dan volume yang sitempati partikel V_p. Bila didefinisikan massa jenis awan partikel r_ps = m_pt/V_t  dan massa jenis partikel sendiri r_ps = m_pt/V_p  maka hubungan antara fraksi volume dalam awan Q = V_p/V_t dengan r_p dan r_ps adalah :

r_p = Q. r_ps

Untuk gas, bila didefinisikan massa jenis awan gas r_g = m_g/V_t  dan massa jenis partikel gas sendiri r_gs = m_g/V_g maka hubungan kedua parameter ini dengan fraksi volume partikel adalah :

                                                    

Dalam satuan volume pada gambar tersebut tradapat n buah partikel, sehingga massa total partikel n.m_p yaitu :

 

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.

 

                                                           

Jika dimasukkan konstanta proporsionalitas atau tetapan kesebandingan, diperoleh:

                                                

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 d_p 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 d_p.

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].

m_sus . C_pg . dTg  =  h_p . (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 T_i yang dimasukkan ke dalam suatu wadah yang berisi gas dengan temperatur T_µ yang lebih tinggi dibandingkan T_i. Jika partikel dimasukkan pada saat t = 0, maka temperatur partikel akan naik sampai akhirnya sama dengan temperatur gas (T_µ).

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 :

Q_pancaran  » s₀ . A_rad . 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 :

                      Q_{pertukaran netto}/A_rad  » F . e . s_o . (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.