Prinsip Konveksi dan Aliran Fluida dalam Perpindahan Panas

1. Pertemuan 7 Perpindahan Panas PENGAMPU IR. SYERLY KLARA,MT PROF.DR.ENG.A ERWIN EKA PUTRA, ST,MT BALQIS SHINTARAHAYU, ST, MSC

2. Prinsip-prinsip Konveksi Konveksi adalah proses perpindahan panas/kalor yang disertai dengan perpindahan partikel – partikel perantaranya. Contoh, Saat memasak air, bagian air yang panas hanya yang terkena nyala kompor saja, lalu mengapa pada akhirnnya keseluruhan air mendidih?

3. Perpindahan panas antara batas benda padat dan fluida terjadi dengan adanya suatu gabungan (transport) massa. Bila suatu fluida mengalir sepanjang suatu permukaan yang bersuhu berlainan daripada suhu fluida, maka perpindahan panas terjadi dengan konduksi molekular di dalam fluida maupun bidang-antara (interface; permukaan-temu) fluida dan permukaan. dari konduksi dan angkutan Gerakan fluida tersebut dapat disebabkan oleh dua proses. Fluida dapat bergerak sebagai akibat dari perbedaan kerapatan yang disebabkan oleh perbedaan suhu di dalam fluida. Mekanisme ini disebut konveksi bebas (free convection) atau konveksi alamiah (natural convection). Bila gerakan disebabkan oleh suatu energi luar, seperti pompa atau kipas, maka kita berbicara tentang konveksi paksa (forced convection).

4. MEKANISME KONVEKSI • Konduksi dan konveksi perlu media • Konveksi perlu aliran fluida • Perpindahan panas melalui cairan atau gas dapat dengan konduksi atau konveksi, tergantung pada kehadiran dari setiap gerakan fluida. Plat panas yang di aliri oleh fluida udara

5. JENIS ALIRAN PADA LAPISAN BATAS Pada lapisan batas terdapat tiga daerah aliran. Pada permukaan terbentuk lapisan batas laminar tetapi pada jarak tertentu dari tepi depan mulai terjadi proses transisi hingga aliran menjadi turbulen. Perubahan daerah lapisan batas ini tidak lepas dari pengaruh gaya viskos. Semakin besar gaya viskos makin besar gangguan-gangguan pada aliran fluida sehingga arah kecepatan tidak lagi searah tetapi menjadi acak ke sebarang arah. Profil kecepatan laminar mendekati bentuk parabola sedangkan profil turbulen pada bagian dekat permukaan hampir mendekati garis lurus.

6. Gambar. Struktur medan aliran turbulen di dekat batas benda padat.

7. ALIRAN VISKOS ? < ? u = 0 ? > ?

8. ALIRAN LAMINAR Aliran laminer diatur oleh hukum yang menghubungkan tegangan geser ke laju perubahan bentuk sudut, yaitu hasil kali kekentalan zat cair dan gradien kecepatan atau   = dv/dy Kekentalan zat cair tersebut dominan dan oleh karenanya mencegah setiap kecendurungan turbulen. menuju ke kondisi

9. ALIRAN TURBULEN Dalam aliran turbulen partikel - partikel bergerak tidak teratur ke semua arah. Tegangan geser turbulen dapat dinyatakan sebagai: dv ) (      untuk aliran dy dimana  (eta) = sebuah faktor yang tergantung pada rapat fluida dan gerakan fluida. Faktor pertama () menyatakan efek - efek dari gerak viskos menyatakan efek - efek dari gerak turbulen. dan faktor kedua ()

10. Modulus konveksi .c, panjang- L, dan konduktivitas termal fluida kf dalam bentuk .cL/kf disebut modulus Nusselt, atau bilangan Nusselet (Nusselet Number), Ńu. Bilangan Nusslet adalah suatu besaran tanpa dimensi. Dalam praktek bilangan Nusselt merupakan ukuran perpindahan-panas konveksi yang memudahkan karena, bilamana harganya telah diketahui, koefisien perpindahan-panas konveksi dapat dihitung dengan rumus ; Nusselt, Gabungan koefisien perpindahan-panas

11. Perpindahan Panas Konveksi Paksa Untuk aliran tabung, energi total yang ditambahkan dapat dinyatakan dengan beda suhu limbak; q = m Cp(T2- T1) (3 – 3) dan perpindahan panas total q = hA(Tw - T )av dapat pula dinyatakan sebagai; (3 – 4) Untuk aliran turbulen yang berkembang penuh (fully developed turbulent flow) dalam tabung licin, oleh Dittus dan Boelter disarankan persamaan berikut; Nud = 0,023 Re 0,8Pr n (3 – 5)

12. Nilai eksponen n = 0,4 untuk pemanasan dan n = 0,3 untuk pendinginan. Persamaan (3-5) berlaku untuk aliran turbulen yang tidak berkembang sepenuhnya di dalam tabung licin, dengan fluida yang angka prandtl-nya berkisar antara 0,6 sampai 100, dan dengan beda suhu moderat antara dinding dan fluida. Untuk perpindahan panas aliran laminer dalam tabung, diusulkan oleh Sieder dan Tate; Pada tabung yang permukaannya kasar analisanya menggunakan analogi Reynolds antara gesekan fluida dan perpindahan panas. Dengan angka Stanton Koefisien gesek (friction coeffisient) didefenisikan oleh;

13. Jika penampang saluran tempat fluida itu mengalir tidak berbentuk lingkaran, maka disarankan agar korelasi perpindahan panas didasarkan atas diameter hidraulik DH, yang didefenisikan oleh; Aliran menyilang silinder dan bola, Perpindahan panas pada silinder yang mengalami aliran melintang dapat diperkirakan, pembentukan lapisan batas pada silinder menentukan karakteristik perpindahan panas. Dalam analisis kita perlu memperhitungkan gradien tekanan, karena hal ini mempunyai pengaruh besar terhadap profil kecepatan. Kenaikan tekanan dan penurunan persamaan Bernoulli, untuk sepanjang garis aliran; kecepatan dihubungkan oleh

14. Koefisien seret (drag coeffisient) untuk benda tumpul (dengan permukaan tegak lurus terhadap aliran) didefenisikan oleh; Gaya seret pada silinder diakibatkan oleh tahanan gesek dari apa yang disebut seret bentuk (form drag) (pressure drag) yang disebabkan oleh daerah tekanan rendah di bagian belakang silinder yang ditimbulkan oleh proses pemisahan aliran. Oleh karena proses pemisahan aliran bersifat rumit maka koefisien perpindahan panas rata-rata dalam aliran silang dapat dihitung dari; atau seret tekanan

15. Eckert dan Drake, menyarankan rumus berikut ini untuk perpindahan panas dari tabung dalam aliran silang adalah; Aliran menyilang rangkunan tabung (tube bank), Karena kebanyakan susunan alat penukar kalor menyangkut tabung yang tersusun rangkap, maka masalah perpindahan panas dalam rangkunan tabung merupakan hal yang penting dan mempunyai nilai praktis.

16. Gambar. Nomenklatur rangkunan tabung (a) tabung baris segaris, dan (b) tabung baris selang seling Penurunan tekanan untuk aliran gas melintas rangkunan tabung dapat dihitung dari;

17. Faktor gesek empiris f’diberikan oleh Jacob sebagai; Zukauskas menyajikan informasi tambahan untuk berkas tabung, dengan memperhitungkan rentang angka Reynolds yang luas, dan perbedaan-perbedaan Sifat. Persamaan ini berlaku untuk 0,7 < Pr < 500 dan 10 < Red, maks< 106

18. Perpindahan Panas Konveksi Bebas Konveksi terjadi proses pemanasan, berubah densitasnya dan bergerak naik. Gerakan fluida dalam konveksi bebas, baik fluida itu gas maupun zat cair terjadi karena gaya apung (bouyancy force) yang dialami apabila densitas permukaan perpindahan kalor berkurang sebagai akibat proses pemanasan. bebas karena (free fluida convection) yang, karena fluida di dekat Gambar. Aliran konveksis bebas diatas plat rata vertikal

19. Perpindahan panas untuk plat rata vertikal dapat diekspresikan dalam penggunaan hukum Newton tentang pendinginan, yang mana memberikan hubungan antara perpindahan panas q dan beda temperatur antara permukaan dan sekitarnya; Koefisien perpindahan panas konveksi bebas rata-rata untuk berbagai situasi, dapat dinyatakan dalam bentuk fungsi berikut; f dievaluasi pada suhu film menunjukkan bahwa sifat-sifat untuk gugus tak berdimensi

20. Konveksi permukaan vertikal, angka Nusselt dan angka Grashof dibentuk dengan L, yaitu tinggi permukaan sebagai dimensi karakteristik. Jika lapisan batas tidak besar dibandingkan dengan diameter silinder, perpindahan panas dapat dihitung dengan rumus yang sama dengan plat vertikal. Kriteria umum ialah bahwa silinder vertikal dapat ditangani sebagai plat vertikal apabila bebas dari bidang dan silinder vertikal, Untuk Koefisien perpindahan panas lokal untuk aliran laminer dikorelasikan oleh rumus; Perpindahan panas dari silinder horisontal ke logam cair dapat dihitung;

21. Latihan Soal 1.Udara pada 90 horizontal dengan kecepatan 60 m/s. Pelat itu 60 cm bujur sangkar dan berada pada suhu seragam 100C. Berapakah perpindahan kalor total ? 2.Sebuah plat vertikal 1 m persegi dipanaskan sampai 400 ditempatkan di udara kamar yang s uhunya 250C. Hitunglah kalor yang dilepas oleh satu sisi plat itu ? 3.Sebuah plat rata horizontal berada pada suhu tetap 50 mempunuai ukuran 50 x 50 cm. Udara pada 50 kPa dan 100C dihembuskan melintas plat itu pada kecepatan 20 m/s. Hitunglah kalor yang dilepas oleh plat ? 0C dan tekanan atmosfir mengalir diatas pelat rata 0C dan 0C dan

22. 4. Sebuah pipa horisontal, diameter = 8,0 cm, detempatkan di dalam ruang di mana suhu udara atmosfir ialah 20 permukaan pipa 1400C. Hitunglah rugi kalor konveksi bebas per meter pipa ? 5. Udara pada 900C dan tekanan atmosfir mengalir diatas pelat rata horisontal dengan kecepatan 60 m/s. pelat itu 60 cm bujur sangkar dan berada pada suhu seragam 10 perpindahan kalor total ? 0C. Suhu 0C. Berapakah