PERPINDAHAN KALOR LANJUT

MATERIPERPINDAHAN KALOR DAN MASSA IIInderalaya, 8 April 2015A. Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh

Suatu alat penukar kalor khususnya berkaitan dengan dua fluida yang mengalir dan dibatasi oleh dinding solid. Kalor pertama-tama dipindahkan dari fluida panas ke dinding secara konveksi, dan pada dinding mengalir secara konduksi, serta dari dinding ke fluida dingin secara konveksi lagi. Pengaruh radiasi biasanya tercakup dalam koefisien perpindahan kalor konveksi.

Gambar: Alat Penukar Kalor Pipa Ganda (double-pipe heat exchanger)Tahanan termal pada dinding, Rwall =

Tahanan termal sisi fluida dingin, Ri =

dimana: Ai = ( Di LTahanan termal sisi fluida panas, Ro =

dimana: Ao = ( Do L

Tahanan termal total, R = Ro + Rwall + Ri

= + +

Laju perpindahan kalor antara fluida panas dan dingin adalah:

Q = = U A (T = Ui Ai (T = Uo Ao (T (*)

Jadi: Ui Ai = Uo Ao, tetapi Ui ( Uo karena Ai ( AoDari persamaan (*) diperoleh:

= = R = + +

= + +

= + +

Jika ketebalan dinding dari pipa (tube) kecil dan konduktivitas termal bahan dinding tinggi maka tahanan termal dari pipa (tube) tersebut dapat diabaikan (Rwall ( 0) dan Ai ( Ao ( A, sehingga koefisien perpindahan kalor menyeluruh dapat dicari dari persamaan berikut:

Q = = U A (T (T = R U A (T 1 = R U A

= R A = A ( + + ) = + +

= +

B. Tabel 1: Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh (U) pada Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger)No.Jenis Alat Penukar KalorU, W/m2.C

1.Air ke Bensin (gasoline) atau Minyak tanah (Kerosene)300-1000

2.Air ke Air850-1700

3.Air ke Minyak (oil)100-350

4.Pemanas Air Pengisi (Feedwater Heaters)1000-8500

5.Kondensor Uap (Stean Condenser)1000-6000

6.Kondensor Alkohol (Didinginkan Air)250-700

7.Kondensor Amoniak (Didinginkan Air)800-1400

8.Gas ke Gas10-40

9.Uap ke Minyak Bahan Bakar Ringan200-400

10.Uap ke Minyak Bahan Bakar Berat50-200

11.Uap ke udara dalam pipa bersirip (uap dalam pipa)30-300*400-4000**

12.Air ke udara dalam pipa bersirip (uap dalam pipa)30-60*

400-850**

13.Kondensor Freon (Didinginkan Air)300-1000

Catatan:

*Didasarkan pada luasan permukaan sisi udara**Didasarkan pada luasan permukaan sisi uap atau air.

C. Contoh Soal

Minyak panas didinginkan dalam sebuah alat penukar kalor aliran berlawanan pipa ganda. Pipa-pipa dalam yang terbuat dari tembaga mempunyai diameter 2 cm dengan ketebalan yang dapat diabaikan. Diameter dalam pipa luar (selongsong/shell) adalah 3 cm. Air mengalir dalam pipa (tube) dengan laju aliran massa 0,5 kg/s, dan minyak mengalir dalam selongsong (shell) pada laju sebesar 0,8 kg/s. Dengan mengambil temperatur rata-rata air dan minyak masing-masing 45 C dan 80 C, hitunglah koefisien perpindahan kalor menyeluruh dari alat penukar kalor tersebut.Asumsi:

Tahanan termal pipa (tube) dalam diabaikan karena bahan tube sangat konduktif dan tebalnya diabaikan.

Keduanya, aliran air dan minyak berkembang penuh.

Sifat-sifat minyak dan air adalah konstan.

Solusi:

Sifat-sifat air pada temperatur 45 C diperoleh dari Tabel A-9 Sifat-sifat Air Jenuh:

Densitas, ( = 990,1 (kg/m3) Konduktivitas termal, k = 0,637 (W/m.C) Angka Prandtl, Pr = 3,91

Viskositas dinamik, ( = 0,596 x 10-3 (kg/m.s)Dari data di atas, diperoleh:

Viskositas kinematik, ( = ( / ( = 0,596 x 10-3 / 990,1 = 0,602 x 10-6 (m2/s)Sifat-sifat minyak pada temperatur 80 C diperoleh dari Tabel A-13 Sifat-sifat Minyak:

Densitas, ( = 852,0 (kg/m3)

Konduktivitas termal, k = 0,138 (W/m.C)

Angka Prandtl, Pr = 499,3

Viskositas dinamik, ( = 0,03232 (kg/m.s)Dari data di atas, diperoleh:

Viskositas kinematik, ( = ( / ( = 0,03232 x 10-3 / 852,0 = 37,93 x 10-6 (m2/s)Gambar: Alat penukar kalor aliran berlawanan pipa ganda

Koefisien perpindahan kalor menyeluruh, U, untuk alat penukar kalor di atas dapat diperoleh dari persamaan berikut:

= +

dimana:

ho = koefisien perpindahan kalor konveksi di luar tube

hi = koefisien perpindahan kalor konveksi di dalam tube

Diameter hidrolik, Dh, untuk pipa bulat adalah sama dengan diameter dalam pipa tersebut, jadi: Dh = Di = 0,02 m. Kecepatan rata-rata (Vm) air dalam pipa (tube) dan bilangan Reynolds (Re) dapat dicari dari persamaan-persamaan berikut:Vm = = = 1,61 (m/s)Re = = = 53.488Re > 4000, jadi aliran adalah turbulen. Karena aliran diasumsi berkembang penuh, angka Nusselt, Nu, dapat dicari dari persamaan berikut:

Nu = = 0,023 Re0,8 Pr0,4 = 0,023 (53.488)0,8 (3,91)0,4

= 240,5Selanjutnya:

h = = = 7660 (W/m2.C)

Analisa di atas diulang untuk minyak (fluida panas):

Diameter hidrolik untuk annular space (bagian luar pipa dalam selongsong) adalah:

Dh = Do Di = 0,03 0,02 = 0,01 (m)

Kecepatan rata-rata (Vm) minyak dalam selongsong (shell) dan bilangan Reynolds (Re) dapat dicari dari persamaan-persamaan berikut:

Vm = = = 2,39 (m/s)

Re = = = 630

Re ternyata lebih kecil dari 4000, berarti alirannya adalah laminar. Karena aliran diasumsi berkembang penuh, angka Nusselt, Nu, dapat dicari dari Tabel 2, sesuai dengan rasio Di/Do. Untuk alat penukar kalor ini, Di/Do = 0,02/0,03 = 0,667. Tabel 2:Angka Nusselt untuk Aliran Laminar Berkembang Penuh dalam suatu Circular Annulus (Pipa Ganda) dimana satu permukaan diisolasi dan permukaan lainnya isothermal.No.Di/DoNuiNuo

1.0,00-3,66

2.0,0517,464,06

3.0,1011,564,11

4.0,257,374,23

5.0,505,744,43

6.1,004,864,86

Dari Tabel 2 untuk Di/Do = 0,667 dengan interpolasi diperoleh:

Nui = 5,74 + = 5,45Jadi: ho = = = 75,2 (W/m2.C)Jadi koefisien perpindahan kalor menyeluruh, dapat dicari dari persamaan berikut:

= + = + = 0,013428421

U = 74,5 (W/m2.C)

Fluida Panas, 0,8 kg/s

Fluida Dingin, 0,5 kg/s

2 cm

3 cm

L

Di

Fluida Dingin

Fluida Panas

Fluida Panas

Do

Dinding/Wall

PAGE 9Materi Perpindahan Kalor Lanjut

_1273090763.unknown

_1273093283.unknown

_1273093412.unknown

_1273093464.unknown

_1273093640.unknown

_1273093649.unknown

_1273093659.unknown

_1490001246.unknown

_1273093654.unknown

_1273093645.unknown

_1273093612.unknown

_1273093616.unknown

_1273093607.unknown

_1273093441.unknown

_1273093460.unknown

_1273093437.unknown

_1273093332.unknown

_1273093340.unknown

_1273093409.unknown

_1273093336.unknown

_1273093290.unknown

_1273093327.unknown

_1273093287.unknown

_1273091456.unknown

_1273091482.unknown

_1273091490.unknown

_1273091503.unknown

_1273091487.unknown

_1273091470.unknown

_1273091475.unknown

_1273091461.unknown

_1273090785.unknown

_1273091440.unknown

_1273091444.unknown

_1273090843.unknown

_1273090775.unknown

_1273090780.unknown

_1273090769.unknown

_1273090715.unknown

_1273090739.unknown

_1273090754.unknown

_1273090759.unknown

_1273090746.unknown

_1273090726.unknown

_1273090731.unknown

_1273090719.unknown

_1273090632.unknown

_1273090641.unknown

_1273090653.unknown

_1273090636.unknown

_1273090323.unknown

_1273090359.unknown

_1273090254.unknown