9_External Forced Convection

Perpindahan Panas Konveksi

External Forced Convection

Pengantar

KONDUKSI

KONVEKSI

RADIASI

PERPINDAHAN PANAS

Perpindahan Panas Konveksi

Konveksi bebas

(natural convection)

Konveksi paksaan

(forced convection)

External forced convection

Internal forced convection

Konveksi (Convection)

Transfer energi antara suatu permukaan padatan dengan fluida(gas atau cairan) yang bergerak dan melibatkan efek konduksisekaligus pergerakan fluida. Semakin cepat pergerakan fluida,semakin besar laju perpindahan panas konveksi.

Dengan Ts>T∞

Koefisien perpindahan panas konveksi (h) adalah suatu parameteryang diperoleh melalui eksperimen dan nilainya spesifik untuksetiap sistem tergantung dari beberapa variable seperti geometripermukaan padatan, sifat-sifat fluida, kecepatan alir, dankarakteristik aliran fluida.

Hukum Newton:

TThA sQ

Perpindahan Panas Konveksi Paksaan (forced convection)Perpindahan panas konveksi paksaan adalahperpindahan panas yang disertai dengan aliranfluida dimana fluida tersebut mengalir karenaadanya gaya dari luar (external force), atau daridalam fluida itu sendiri (internal force) karenadipompa atau ditekan.

Hukum Newton untuk konveksi paksaan:

)T(Tw dengan

) Th.A.(TQ w

Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (h) pada Konveksi Paksaan

Aliran fluida pada perpindahan panas konveksi paksaanterjadi karena adanya energi mekanis yang ditambahkanke fluida sehingga fluida tersebut mengalir. Semakincepat aliran fluida, maka laju perpindahan panassemakin besar.Secara umum, koefisien perpindahan panas konveksipaksaan bernilai lebih besar dibandingkan koefisienperpindahan panas konveksi bebas.

) Th.A.(TQ w

Dengan adanya pengaruh dari kecepatan aliran, makapenentuan koefisien perpindahan panas konveksimelibatkan suatu bilangan tak berdimensi yang terkaitdengan mekanika fluida, yaitu bilangan Reynolds

denganρ : densitas/rapat massa fluida, kg/m3

v : kecepatan aliran fluida, m/sL : panjang karakteristik (untuk aliran dalam pipa,panjang karakteristik=diameter pipa), mµ : viskositas fluida, kg/m.sν : viskositas kinematik fluida, m2/s

Le

vvLR

Selain bilangan Reynolds (Re), koefisien perpindahanpanas pada konveksi paksaan juga dipengaruhi olehbilangan Prandtl

Catatan: untuk forced convection, sifat-sifat fisis fluidadapat didekati pada suhu rata-rata aritmatik ataulogaritmik tergantung dari kasusnya.

k

Cp.

heat ofy diffusivitmolecular

momentum ofy diffusivitmolecular Pr

termalsdifusivita.

kinematis viskositas

Cp

k

Koefisien perpindahan panas konveksi paksaan rata-ratauntuk berbagai situasi dapat didekati dengan persamaanempiris sebagai berikut:

dengank : konduktivitas termal fluidaL : panjang karakteristikRe : bilangan ReynoldsPr : bilangan PrandtlC, m, n : konstanta

Nilai C m, dan n tergantung pada geometri benda dandinamika aliran fluida.

nPrCRek

hLNu m


External forced convection terjadi ketika fluida (yang memilikibeda suhu dengan permukaan suatu benda) mengalir melewatipermukaan luar dari benda tersebut. Aliran fluida disebabkankarena gaya dari luar (dihembus/dipompa/dengan kecepatanlebih dari 1 m/s) dapat sejajar atau tegak lurus benda.Koefisien perpindahan panas konveksi untuk kasus-kasus yangmelibatkan external forced convection diperoleh melaluipersamaan empiris.


1. Aliran melalui plat

L

Aliran laminer

Aliran turbulen

Atau bisa juga menggunakan korelasi rata-rata

Pr0,664ReNu 310,5

Lk

hL

Pr0,037ReNu 310,8

Lk

hL

5x10Re 5

75 10 Re5x10

60Pr0,6


2. Aliran tegak lurus silinder

54

85

41

31

282000

Re1

Pr

0,41

Pr0,62Re3,0Nu

32

0,5

k

hD


3. Aliran tegak lurus bola

4

1

32

21 4,0PrRe06,0Re4,02Nu

sk

hD

dengan µ∞ adalah viskositas fluida pada suhu fluida,danµs adalah viskositas fluida pada suhu permukaan bola


4. Aliran tegak lurus melalui jaringan pipa (tube banks)

LS

TS

1,Tv

D

vDS

Sv

T

T

max

LS

TS

1,Tv

D

DS

(a) in-line (b) staggered

v

DS

Sv

D

T

2max

Arrangement Range of Re Corelation

in-line

0-100

100 - 1000

1000 - 2x105

2x105 - 2x106

staggered

0-100

100 - 1000

1000 - 2x105

2x105 - 2x106

DvmaxRe

25,036,04,0 PrPr/PrRe9,0 sDNu


25,036,063,0 PrPr/PrRe27,0 sDNu




25,036,06,02,0

LT PrPr/PrRe/SS35,0 sDNu

dengan

25,036,08,02,0

LT PrPr/PrRe/SS031,0 sDNu

TABLE 7–2Nusselt number correlations for cross flow over tube banks for NL 16 and

0.7 Pr 500 (from Zukauskas, Ref. 15, 1987)*

Tabel 7-2 hanya berlaku untuk susunan pipa minimal 16 baris.Jika jumlah baris kurang dari 16, maka diperlukan faktorkoreksi dengan persamaan

DND FNuNuL,

untuk kasus fluida yang mengalir melalui jaringan pipa, sifatfisis fluida ditinjau pada suhu rata-rata aritmatik (Tm) dari suhumasuk (Ti) dan suhu keluar (Te)

dan laju perpindahan panas

dengan ΔTln (logarithmic mean temperature difference):

Ts = suhu permukaan pipa

2

eim

TTT

ielns TTCpm.Δh.AQ T

i

e

ie

is

es

isesln

T

Tln

TT

TT

TTln

TTTTΔT

Suhu keluar jaringan pipa (Te) dapat diestimasi denganpersamaan:

dengan

Dan

Dengan NT adalah jumlah pipa ke arah tegak lurus aliran

DLNAs

p

s

Cm

hA

expTTTT isse

LSNvm TT

A long 8-cm-diameter steam pipe whose external

surface temperature is 90°C passes through some

open area that is not protected against the winds.

Determine the rate of heat loss from the pipe per unit

of its length when the air is at 1 atm pressure and 7°C

and the wind is blowing across the pipe at a velocity of

50 km/h.

QUIZ 8

PR

In an industrial facility, air is to bepreheated before entering a furnace bygeothermal water at 120ºC flowingthrough the tubes of a tube bank locatedin a duct. Air enters the duct at 20ºC and 1atm with a mean velocity of 4.5 m/s, andflows over the tubes in normal direction.The outer diameter of the tubes is 1.5 cm,and the tubes are arranged in-line withlongitudinal and transverse pitches of SL =ST = 5 cm. There are 6 rows in the flowdirection with 10 tubes in each row, asshown in Figure. Determine the rate ofheat transfer per unit length of the tubes.

9_External Forced Convection

Documents

Transcript of 9_External Forced Convection