Post on 23-Oct-2015
MUFID
Konveksi Natural• Terjadi saat permukaan solid kontak dengan fluida
(gas/cairan) dengan temperatur yang berbeda. • Pada fluida terjadi perbedaan densitas akibat
pemanasan, menimbulkan gaya apung sehingga fluida bergerak.• Konveksi Natural/bebas (Natural/free convection)
disebabkan oleh gerak fluida.• Dalam proses engineering , konveksi natural yang
terpenting terjadi pada bidang vertikal panas yang berada dalam fluida.
3
MUFID
Persamaan Laju KalorLaju perpindahan panas dari benda solid ke fluida disekelilingnya dinyatakan dalam persamaan hukum Newton dari pendinginan:
dengan:o q = laju perpindahan kalor (watt)o h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K)o A = luas penampang pemindah panas (m2)o = temperatur permukaan solid (K)o = temperatur bulk/rata-rata fluida (K)
4
MUFID
Persamaan Laju Kalor• Koefisien perpindahan panas konveksi (h) dapat diperoleh dari
persamaan empiris yang dinyatakan dalam bilangan-bilangan tak berdimesi.
• Bilangan-bilangan tak berdimensi tersebut adalah: Bilangan Grashof (Grashof Number): a dimensionless number
in fluid dynamics and heat transfer which approximates the ratio of the buoyancy to viscous force acting on a fluid. It frequently arises in the study of situations involving natural convection. It is named after the German engineer Franz Grashof
7
MUFID
Persamaan Laju Kalor
dengan: L = panjang benda (m) = densitas (kg/m3) g = percepatan grafitasi (m/s2) = koefisien muai volume fluida (1/K)= beda temperatur positif benda dengan fluida (K) = koefisien viskositas (kg/m.s)
8
MUFID
Persamaan Laju Kalor Bilangan Prandtl (Prandtl Number): a
dimensionless number; the ratio of momentum diffusivity (kinematic viscosity) to thermal diffusivity. It is named after the German physicist Ludwig Prandtl
dengan: k = konduktivitas termal (W/m.K) = kapasitas panas (J/kg) = koefisien viskositas (kg/m.s)
9
𝑵 𝑷𝒓=𝒄𝒑𝝁𝒌
MUFID
Persamaan Laju Kalor Bilangan Nusselt (Nusselt Number): the ratio of
convective to conductive heat transfer across (normal to) the boundary in heat transfer at a boundary (surface) within a fluid
dengan: k = konduktivitas termal (W/m.K) = koefisien konveksi natural rata-rata(W/m2.K) = panjang benda pemindah panas (m)
10
MUFID
Persamaan Laju Kalor• Hubungan antara bilangan Grashof, bilangan Prandtl, dan
bilangan Nusselt dirumuskan sebagai:
Perkalia antara bilangan Grashof dengan bilangan Prandtl dinamakan bilangan Rayleigh(Rayleigh Number).
Sehingga bilangan Nusselt dapat dirumuskan menjadi:
dengan: a dan m = konstanta yang besarnya bergantung pada bentuk
geometri dari benda yang mengkonveksikan panas. 11
MUFID
Konveksi Natural pada Berbagai Bentuk Geometri
Bidang Datar dan Silinder VertikalUntuk tinggi vertikal (L) <1m (3 ft), maka:
Silinder HorisontalUntuk panjang (L) dan diameter(D) < 0,20m (0,66 ft)
12
MUFID
Konveksi Natural pada Berbagai Bentuk Geometri
Bidang Datar Horisontal Untuk permukaan atas yang dipanaskan atau
permukaan bawah yang didinginkan, maka:
Untuk permukaan bawah yang dipanaskan atau permukaan atas yang didinginkan, maka:
13
MUFID
Contoh
• A heated vertical wall 1,0 ft high of an oven for baking food with the surface at 4500F is in contact with air at 1000F. Calculate the heat transfer coeficient and the heat transfer/ft width of wall. Note that heat transfer for radiaton will not be considered.
14
MUFID
Penyelesaian• Temperatur lapisan udara(bulk):
• Properties udara pada 2750F dari table:k=0,0198 btu/h.ft.0F; =0,0541 lbm/ft3; NPr=0,69; =0,0562 lbm/ft.h; =1/(460+275)=1,36 x 10-3 /0R ; T=450-100=3500F.
• Bilangan Grashof:
• Bilangan Rayleigh:
x 15
MUFID
Konveksi Natural dalam Ruang Tertutup
17
𝑇 1 𝑇 2𝐿
𝛿
𝒒
Laju kalor yang dikonveksi kan oleh dinding yang lebih panas melalui fluida di dalam ruang :
)
dengan :
h=𝑁𝑁𝑢 .𝑘𝛿
MUFID
Bilangan Grashof (Grashof Number) pada sistem ruang tertutup didefinisikan sebagai:
Bilangan Nusselt (Nusselt Number) untuk ruang tertutup vertikal berisi gas dengan
18
Konveksi Natural dalam Ruang Tertutup
MUFID
Bilangan Nusselt (Nusselt Number) untuk ruang tertutup vertikal berisi cairan(liquids)
Bilangan Nusselt (Nusselt Number) untuk ruang tertutup horisontal berisi gas dgn plat bawah lebih panas
Bilangan Nusselt (Nusselt Number) untuk ruang tertutup horisontal berisi liquid dgn plat bawah lebih panas
19
Konveksi Natural dalam Ruang Tertutup
MUFID
Konveksi Paksa Dalam proses industri, perpindahan panas secara
konveksi paksa lebih banyak yang terjadi Panas dipindahkan dengan bantuan aliran fluida. Panas dari fluida satu menuju fluida lainnya melewati
dinding pembatas solid/padat.
20
Dinding padat
Fluida dingin
Fluida panasT2
T1
T3
T4
T5
T6
q
MUFID
Konveksi Paksa Laju perpindahan kalor yang erjadi dirumuskan sebagai:
dengan: h = koefisien konveksi dalam W/m2.KA = luas permukaan pemindah kalor dalam m2 T = temperatur rata-rata fluida dalam K
Tw = temperatur dinding solid dalam K. Besar koefisien konveksi dipengaruhi oleh jenis aliran
fluida( laminer atau turbulen), kecepatan aliran, beda temperatur, bentuk geometri sistem.
Hubungan antara parameter-parameter tersebut dirumuskan sebagai bilangan Prandtl, bilangan Nusselt, dan bilangan Reynolds. 21𝑵 𝑷𝒓=
𝒄𝒑𝝁𝒌 dan 𝑁𝑁𝑢=
h D𝑘
𝑁ℜ=D𝑣 𝜌μ
dan
MUFID
Laju perpindahan kalor Untuk aliran Laminer dalam Pipa:
Laju perpindahan kalor dirumuskan sebagai:
dengan: L = panjang pipa b = viskositas fluida pada suhu rata2 fluida w = viskositas fluida pada suhu dinding Tw = temperatur dinding Tbi = temperatur fluida pada sisi masuk Tbo = temperatur fluida pada sisi keluar 22
MUFID
Laju Perpindahan Kalor Untuk aliran Turbulen dalam Pipa
Jika L/D >60 dan NPr antara 0,7 – 16000, maka:
Laju perpindahan kalor dirumuskan sebagai:
dengan: L = panjang pipa b = viskositas fluida pada suhu rata2 fluida w = viskositas fluida pada suhu dinding Tw = temperatur dinding T = temperatur fluida 23
MUFID
Laju Perpindahan Kalor Untuk aliran Transisi dalam Pipa
Pada aliran transisi dengan NRe antara 2000 sampai
6000 tidak dapat dirumuskan persamaan yang simpel, karena persamaan tsb merupakan pers. Transisi. Hubungan antara berbagai parameter perpindahan panas dengan bilangan Reynolds antara 2000 sampai 6000 dapat di gambarkan dalam grafik berikut:
24
MUFID
Laju Perpindahan Kalor Untuk aliran Transisi dalam Pipa
Laju perpindahan kalor dirumuskan sebagai:
dengan: L = panjang pipa b = viskositas fluida pada suhu rata2 fluida w = viskositas fluida pada suhu dinding Tw = temperatur dinding T = temperatur fluida26
MUFID
Log Mean Temperatur Difference Jika terjadi perubahan temperatur fluida dingin
karena menerima kalor dan fluida panas karena melepas kalor, maka beda suhu yang harus digunakan adalah Log Mean Temperatur Difference(
Besar log mean temperatur difference dirumuskan sebagai:
Besar laju perpindahan kalor menyeluruh dirumuskan menjadi:
dengan: U = koefisien konveksi overall27