MEET 9 KONVEKSI PAKSA.pdf

BAB VI PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI PAKSA Kita telah mengetahui bahwa mekanisme perpindahan panas secara konveksi berlangsung seperti konduksi yaitu yaitu karena adanya kontak permukaan (lihat bab I). Disamping itu yang yang membedakan dengan perpindahan panas konduksi adalah pada konveksi perpindahan panas diikuti dengan pergerakan curah (bulk) secara makroskopik. makroskopik. Konveksi diklasifikasikan menjadi 2 yaitu secara alamiah (Natural or Free convection) dan konveksi paksa (Force convection). Konveksi paksa terjadi karena fuida dipaksa untuk melalui melalui suatu permukaan atau melewati melewat i  bagian dalam pipa o leh gaya dari luar seperti pompa atau kipas. Pada konveksi secara alamiah ,pergerakan fluida disebabkan oleh sesuatu yang alamiah seperti pengaruh gaya apung yang menyebabkan perpindahan fluida itu sendiri naik ketika temperaturnya bertambah dan turun ketika temperaturnya berubah dingin. 6.1. Mekanisme aliran konveksi Konveksi juga dapat diklasifikasikan sebagai konveksi internal atau eksternal, tergantung pada aliran fluida yang dialirkan apakah di luar permukaan atau di dalam pipa atau kanal.

Gambar 6-1. Model perpindahan kalor pada plat plat permukaan panas ke udara sekitarnya. sekitarnya. Pada gambar 6-1 menunjukkan perpindahan kalor yang dapat terjadi dari suatu  permukaan  permukaan yang panas ke udara sekitarnya. Perpindahan Perpindahan panas konveksi ko nveksi lebih komplek karena  pada suatu pergerakan pergerakan fluida terjadi juga perpindahan perpindahan panas yang baik secara konduksi. konduksi. Pergerakan dari fluida meningkatkan terjadinya perpindahan panas yang membawa gumpalan  panas atau dingin dari dar i fluida melalui terjadiny t erjadinyaa kontak, yang yang mengindikasikan mengindikasikan terjadinya laju 6-1

 perpindahan  perpindahan panas panas lebih tinggi dari dari konduksi. konduksi. Untuk itu laju perpindahan perpindahan panas pada pada fluida jauh lebih besar secara konveksi dari pada secara konduksi. Pada kenyataannya, untuk kecepatan fluida yang lebih tinggi, terjadi laju perpindahan panas yang lebih tinggi pula. Pada Gambar 6.2 Sebuah balok besi hitam dengan sebuah kipas yang menghembuskan udara pada bagian atas plat. Panas akan berpindah dari plat panas ke udara lingkungan disekitarnya

Gambar 6.2. Perpindahan panas oleh dua plat melalui suatu media fluida Kita juga mengetahui bahwa balok akan menjadi dingin secara cepat apabila kipas diputar secara lebih cepat. Dengan menggantikan media udara dengan air akan lebih meningkatkan lagi perpindahan panas konveksi. Meskipun kompleks, laju perpindahan panas konveksi karena perbedaan temperatur dapat dirumuskan dengan persamaan hukum pendinginan Newton berikut : 

Q conv  hAS  (T S   T  )

(W)

Dimana : h = Koefisien perpindahan panas panas konveksi, W/m2 _ °C As = Luas permukaan perpindahan panas, m2 Ts = Temperatur permukaan, °C T∞= Temperatur fluida dari permukaan, °C Secara umum aliran fluida dapat diklasifikasikan sebagai aliran eksternal dan aliran internal. Aliran eksternal terjadi saat fluida mengenai suatu permukaan benda. Contohnya adalah aliran fluida melintasi plat atau melintang pipa. Aliran internal adalah aliran fluida yang dibatasi oleh permukaan zat padat,misalnya aliran dalam pipa. Perbedaan antara aliran eksternal dan aliran internal pada suatu pipaditunjukkan pada Gambar 6-3.

6-2

Gambar 6-3 Aliran eksternal udara dan aliran internal air pada suatu pipa Berdasarkan hukum pendinginan Newton laju perpindahan kalor konveksi dinyatakan dengan  persamaan .……………… (6.1) .……………… (6.2)

6.2. Bilangan Tak Berdimensi Pada Konveksi Paksa Eksperimen menunjukkan bahwa perpindahan panas konveksi tergantung pada sifat fluida viskositas dinamis , konduktifitas thermal k, densitas , kalor jenis Cp dan kecepatan fluida V. Disamping itu juga bentuk geometri ,kekasaran permukaan dan jenis aliran (turbulen / laminar )  berpengaruh pada perpindahan panas konveksi. Dari parameter diatas dapat kita katakan bahwa  perpindahan panas konveksi agak kompleks karena banyaknya variable bebas, sehingga tidak mengherankan apabila kita sebut perpindahan panas ini adalah yang paling kompleks dibandingkan yang lain.Untuk mengurangi jumlah variabel yang terlibat dalam perhitungan, maka sering digunakan bilangan tak berdimensi yang merupakan kombinasi dari beberapa variabel.

6-3

6.2.1 Bilangan Nuselt

Perpindahan kalor yang terjadi pada suatu lapisan fluida terjadi melalui proses konduksi dan konveksi. Bilangan Nusselt menyatakan perbandingan antara perpindahan kalor konveksi pada suatu lapisan fluida dibandingkan dengan perpindahan kalor konduksi pada lapisan fluida tersebut. 

q conv 

q cond 



hT  k T  / L



hL k 

  Nu

.……………… (6.3)

dengan h adalah koefisien konveksi, L panjang karakteristik, dan k adalah koefisien konduksi. Semakin besar nilai bilangan Nusselt maka konveksi yang terjadi semakin efektif. Bilangan  Nusselt

1 menunjukkan bahwa perpindahan kalor yang terjadi pada lapisan fluida tersebut

hanya melalui konduksi.

6.2.2 Bilangan Reynolds Suatu aliran fluida dapat berupa aliran laminar, turbulen, ataupun transisi. Pada aliran laminar molekul-molekul fluida mengalir mengikuti garis-garis aliran secara teratur. Aliran turbulen terjadi saat molekul-molekul fluida mengalir secara acak tanpa mengikuti garis aliran. Aliran transisi adalah aliran yang berada di antara kondisi laminar dan turbulen, biasanya pada kondisi ini aliran berubah-ubah antara transien dan turbulen sebelum benar-benar memasuki daerah turbulen penuh. Gambar 5-3 menunjukkan perbedaan antara aliran laminar dan turbulen  pada percobaan menggunakan jejak tinta. Pada aliran laminar maka jejak tinta berbentuk lurus dan teratur, sedangkan pada aliran turbulen alirantinta menyebar secara acak.

6-4

Gambar 6-4. Aliran laminar dan turbulen pada percobaan menggunakan jejak tinta. Untuk membedakan antara aliran laminar, transisi, dan turbulen maka digunakan  bilangan tak berdimensi, yaitu bilangan Reynolds, yang merupakan perbandingan antara gaya inersia dengan gaya viskos v Gaya Inersia Re Gaya Viskos Re 

 V  viskos v

Gaya  Inersia Gaya

. 



   x  

 5  10

.……………… (6.4)

5

dengan V ∞  adalah kecepatan aliran fluida (m/s) dan

δ 

panjang karakteristik (m). Panjang

karakteristik ditunjukkan oleh jarak x dari ujung plat pada aliran melintasi plat rata serta diameter D untuk silinder atau bola. Viskositas kinematika  ν adalah perbandingan antara viskositas dinamik dengan massa jenisnya :

v   /  

 Nilai bilangan Reynolds yang kecil menunjukkan aliran bersifat laminar sedangkan nilai yang besar menunjukkan aliran turbulen. Nilai bilangan Reynolds saat aliran menjadi turbulen disebut bilangan Reynolds kritis yang nilainya berbeda-beda tergantung bentuk geometrinya seperti kekasaran permukaan aliran, adanya valve, jumlah belokan, getaran dll.. Pada plat aliran  parallel nilai batas bilangan Reynolds adalah sebagai berikut :

 Nu 

 Nu 

hL k  hL k 

0.5

1/ 3

 0.664 Re L Pr 

 0.037 Re L0.8 Pr 1/ 3

Re L  5  105

(Laminar)

(Turbulent)

0.6  Pr  60 5

5 10  Re L  10

.……………… (6.5) .……………… (6.6)

7

Sedangkan pada aliran dalam pipa : Re < 2300

 Aliran laminar 6-5

2300 ≤ Re ≤ 10000  Aliran transisi Re > 10000

 Aliran turbulen

6.2.3 Bilangan Prandtl Bilangan tak berdimensi selanjutnya adalah Bilangan Prandtl yang merupakan  perbandingan antara ketebalan lapis batas kecepatan dengan ketebalan lapis batas termal. Bilangan Prandtl dinyatakan : molecular  diffusivit  y of  momentum

Pr 

 molecular  diffusivit  y of  heat 

   



 C  p

.……………… (6.7)

k 

Dengan:  ν = momentum difusivitas molekul, α = kalor difusivitas molekul, µ = viskositas fluida, Cp = kalor spesifik fluida, dan k = konduktivitas termal.

 Nilai bilangan Prandtl berkisar pada nilai 0.01 untuk logam cair, 1 untuk gas, 10 untuk air, dan 10000untuk minyak berat. Difusivitas kalor akan berlangsung dengan cepat pada logam cair (Pr > 1). Pada umumnya nilai bilangan Prandtl ditentukan menggunakan tabel sifat zat. Tabel 6-1 menunjukkan rentang nilai bilangan Prandtl untuk beberapa jenis fluida. Tabel 6-1. Rentang nilai bilangan Prandtl untuk fluida

6-6

6.3. Konveksi Paksa Melintasi Permukaan Rata Pada bagian ini dibahas tentang perpindahan kalor dan gaya hambat (drag force) yang terjadi saat fluida melintasi suatu permukaan rata. Bilangan Nusselt rata-rata untuk aliran melintasi plat rata dapat dinyatakan dengan persamaan umum. (6.8)

Gambar 6-5. Aliran melintasi permukaan rata

(6.9)

(6.10)

(6.11)

(6.12)

(6.13) 6-7

(6.14)

(6.15)

(6.16)

(6.17) Contoh 6-1.

Gambar 6.-6. Diagram untuk Contoh 6-1

6-8

Contoh 6-2. Pendinginan Plat dengan Konveksi Paksa

o

T = 134 C

Gambar 6.-7. Diagram untuk Contoh 6-2

6-9

Contoh 6-3. Pendinginan Plat dengan Konveksi Paksa udara Seperti contoh 6-2, namun kali ini yang dihitung adalah laju perpindahan kalor jika udara mengalir sepanjang sisi pendek plat (1.5 m)

Catatan : Jika dibandingkan dengan contoh 6-2 maka dapat diambil kesimpulan bahwa aliran fluida berpengaruh terhadap perpindahan kalor yang terjadi.

6.3. Aliran Melintang Silinder dan Bola

(6.18)

6-10

Gambar 6.8. Pola aliran melintang silinder atau bola

(6.19)

(6.20) 6.19

(6.21)

Tabel 6-2. Bilangan Nusselt rata rata untuk berbagai penampang saluran pada aliran laminar

6-11

Contoh 6-4 Konveksi paksa melalui pipa

Pipa berisi uap air berdiameter 10 cm bertemperatur permukaan 110°C melewati daerah berangin.Hitung laju rugi kalor per meter panjang pipa jika udara pada tekanan 1 atm dan 4°C serta angin bertiup pada kecepatan 8 m/s.

o

T =4 C V=8 mk/s ∞

Gambar 6.9. Skema untuk Contoh 6-4

6-12

Contoh 6.5. Konveksi paksa melalui bola

Gambar 6.10. Skema untuk Contoh 6-5

6-13

6.4 Konveksi Paksa Pada Aliran Melintang Berkas Pipa

Aliran melintang berkas pipa sering kali terjadi pada penukar kalor jenis kondenser dan evaporator.Pada perangkat penukar kalor tersebut suatu fluida mengalir pada beberapa buah pipa sedangkan fluida lainnya melintang tegak lurus pipa. Pada kasus seperti ini perhitungan tidak dapat dilakukan dengan menghitung untuk satu pipa kemudian mengalikannya dengan jumlah pipa. Hal ini dikarenakan pola aliran sangat dipengaruhi oleh pipa-pipa tersebut sebagai suatu kesatuan.

Gambar 6.11. Susunan berkas pipa segaris dan berselang seling

6-14

(6.22)

(6.23)

(6.24)

(6.25)

Tabel 6.3. Bilangan Nusselt rata rata untuk NL >16 dan 0.7