p i pendahuluan
TRANSCRIPT
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
Tujuan Instruksional Khusus:
• Mahasiswa dapat memahami dan mengerti konsep dasar terjadinya perpindahan panas secara konveksi
• Mahasiswa dapat mengetahui macam-macam perpindahan panas konveksi
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
DEFINISI
Perpindahan Panas Konveksi
o adalah transfer energi panas oleh adanya gerakan fluida (gas maupun cair)
o hanya terjadi pada fluida, karena melibatkan fluida yang bergerak
o gerakan fluida ini disebut arus konveksio sering disebutkan cukup dengan konveksi
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
Mekanisme Konveksi
o Adanya pertukaran panas antara solid surface dengan moving fluid
o Misal, fluida mengalir diatas plat logam
T∞, h
Ts
o Jika T∞ lebih rendah dari TS maka akan terjadi perpindahan panas secara konveksi dari logam ke fluida
T∞ = temperature fluida
Ts = temperature permukaan logam
o Atau Jika T∞ lebih tinggi dari TS maka akan terjadi perpindahan panas secara konveksi dari fluida ke logam
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
TThAq s
q = laju perpindahan panas konveksi (W/m2)A = luas permukaan kontak fluida dengan fluida (m2)h = koefisien konveksi (W/m2 K)Ts = Temperatur permukaan solid (K)T∞ = Temperature fluida (K)
T∞, h
Ts
T∞ < Ts
q
Newton’s Law of Cooling
o Jika T∞ lebih rendah dari TS maka akan terjadi perpindahan panas secara konveksi dari logam ke fluida (cooling)
Newton’s Law of Cooling
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
Koefisien Konveksi (h)
o Koefisien Konveksi (h)mempengaruhi besar kecilnya laju konveksi
o Pada Materi Konduksi: - nilai h diasumsikan sudah diketahui - diambil dari tabel 1.1 (Incropera & DeWitt)
o Pada Materi Konveksi:- nilai h bervariasi - h setempat dan h rata-rata- diantaranya dipengaruhi kecepatan fluida, tebal
tipisnya lapis batas, bahkan kekasaran permukaan
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
Konveksi Paksa
Konveksi Bebas
Aliran Internal
Aliran Eksternal Turbulen
Laminer
Perpindahan Panas Konveksi
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
Konveksi Paksa vs Konveksi Bebas
Konveksi Paksa (Force Convection)
T∞, h
Ts
T∞ < Ts
Udara q
Konveksi Alami (Free/Natural Convection)
Udara q
Udara panas mengalir naik
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
Konveksi Paksa (Force Convection)
o Aliran relatif antara fluida dengan permukaan benda disebabkan oleh gaya luar (external force): fan, blower, pompa
T∞, h
Ts
T∞ < Ts
Udara q
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
Konveksi Alami/Bebas (Free Convection)
cooler water is
more dense and
falls
hotter water is
less dense and rises
o Density fluida makin berkurang dengan kenaikan temperature.
o Pergerakan fluida murni disebabkan oleh adanya kenaikan temperatur pada fluida tersebut.
o Terjadi sirkulasi antara fluida yang lebih panas dengan yang lebih dingin
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
Aliran Eksternal (External Flow)
o Fluida mengalir di luar permukaan benda
o Lapis batas (BL) terbentuk secara bebas
Aliran Internal (Internal Flow)
o Fluida mengalir di dalam saluran/conduit
o Contoh: Aliran Fluida di dalam pipa
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
Aliran Laminer vs Aliran Turbulen
Aliran Laminer
o Streamlines yang teratur
o Highly ordered motion
Aliran Turbulent
o Kecepatan aliran yang berfluktuasi
o Highly disordered motion
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
Aliran laminar dan turbulent ditentukan dari besar kecilnya Bilangan Reynold (Reynold Number) dari suatu aliran. Bilangan Reynold dipengaruhi oleh kecepatan aliran rata-rata (Um), diameter aliran (D) untuk internal flow, panjang laluan (x) untuk external flow, serta viskositas/kekentalan fluida.
Bilangan Reynold (Re)
νx U
Re mX
νD U
Re mD
Aliran Eksternal:
Aliran Internal:
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
Aliran Eksternal
νx U
Re mx Bilangan Reynold:
um = kecepatan rata-rata fluida (m/s)x = jarak dari leading edge (m)ν = kinematic viscosity (St) (1 St = 10-4 m2/s)
Aliran Laminar: Rex < 5 x 105
Aliran Turbulent: Rex > 5 x 105
Rex = 5 x 105 Critical Re
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
Transition
L
Lapis batas
T∞
Ts
Misal : Aliran sejajar diatas pelat
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
Ts
Lapis Batas
Lapis batas kecepatan
Lapis batas termal
Leading edgeTrailing edge
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
Aliran Internal
Aliran Laminar; ReD ≤ 2300
Aliran Transisi; 2300 < ReD ≤ 4000
Aliran Turbulen; 4000 < ReD
νD U
Re mD
um = kecepatan rata-rata fluida (m/s)D = diameter saluran (m)ν = kinematic viscosity (St) (1 St = 10-4 m2/s)
Bilangan Reynold:
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
rro
x
u
Misal : Aliran di dalam pipa
y=r0-r
Lapis batas kecepatan & profil kecepatan
Lapis batas termal & profil temperature
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
Boiling
o Boiling adalah perubahan phase dari cairan ke gas (liquid to vapor), atau evaporasi yang terjadi pada solid-liquid interface
o Liquid (cairan) kontak dengan solid surfaceo Boiling akan terjadi jika temperature permukaan lebih tinggi dari
temperature jenuh liquid (Ts > Tsat), panas dilepaskan dari permukaan solid ke fluida
Laju perpindahan panas yang terjadi
e"s TΔ hq
dengan ΔTe = excess temperature
ΔTe = (Ts – Tsat)
o Proses boiling ditandai dengan terbentuknya bubble (gelembung)o Boiling dapat dibedakan menjadi pool boiling dan flow boiling atau
sub-cooled boiling dan saturated boiling
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
Condensation
o Jika terjadi kontak antara uap dengan temperature jenuh Tsat
o bersentuhan dengan permukaan benda bertemperature Ts
o Condensation terjadi apabila Ts < Tsat
o Ketika bersentuhan, uap akan melepaskan energi latennya ke permukaan benda dan terjadi perpindahan panas dari uap ke benda
o Condensation dapat pula terjadi pada permukaan liquid maupun gas asalkan Ts gas atau Ts liquid < Tsat uap
o Condensation yang yang terjadi pada gas akan membentuk kabut
o Condensation pada permukaan solid dapat berupa lapisan tipis kondensat (film condensation) atau tetes-tetes uap (dropwise condensation)
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
Heat Exchanger (HX’s)
• Device (peralatan) yang digunakan untuk pertukaran energi panas (kalor) antara dua fluida atau lebih yang memiliki temperature berbeda
• HX’s digunakan dalam proses cooling, heating, evaporation, condensation, heat rejection, dll.
• Evaporator dan Condenser pada AC, Radiator pada kendaraan, cooling tower pada pembangkit listrik adalah contoh HX’s
• HX’s dapat diklasifikasikan diantaranya berdasarkan transfer process, flow arrangement, serta construction
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
Parallel Flow HX’s
Log Mean Temperature Difference (LMTD-Method)
TTh,1
Tc,1
Tc,2
Th,2dq
dA x
1
2
oc,oh,ic,ih,
TΔTΔ
ln
TTTT A-Uq
Dari gambar, subscript i = 1 dan subscript o = 2
TΔ 1 = Th,1 – Tc,1 ΔT2 = Th,2 – Tc,2
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
Effectiveness & NTU Method
ic,ih,h
ic,oc,c
TTC
TTCε
hp,hh cmC
cp,cC cmC
jika (CC < Ch)
cC AU
NTU
ic,ih,C
oh,ih,h
TTC
TTCε
Heat capacity (kapasitas panas) fluida
jika (Ch < CC)
dan
Effectiveness (ε)
Number of Transfer Unit (NTU)
jika (CC < Ch)
hC AU
NTU jika (Ch < Cc)
Teknik Mesin-IST. AKPRIND Pendahuluan
LMTD Method vs ε-NTU Method
LMTD Method ε-NTU Method
Temperature fluida di inlet maupun di outlet sudah diketahui/ditentukan
Mass flow rate, ukuran dan tipe HX’s sudah diketahui
Mendesign atau memilih HX’s yang sesuai untuk kondisi temperature yang telah diketahui (menentukan ukuran HX’s)
Untuk menentukan temperature outlet dari tipe dan ukuran HX’s tertentu