P I Pendahuluan

PENDAHULUAN

A. Agung Putu Susastriawan, ST., M.Tech.

INSTITUT SAINS & TEKNOLOGI AKPRIND

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


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


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


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


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


Konveksi Paksa

Konveksi Bebas

Aliran Internal

Aliran Eksternal Turbulen

Laminer

Perpindahan Panas Konveksi


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


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


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


Aliran Eksternal vs Aliran Internal

Udara

Air


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


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


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:


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


Transition

L

Lapis batas

T∞

Ts

Misal : Aliran sejajar diatas pelat


Ts

Lapis Batas

Lapis batas kecepatan

Lapis batas termal

Leading edgeTrailing edge


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:


rro

x

u

Misal : Aliran di dalam pipa

y=r0-r

Lapis batas kecepatan & profil kecepatan

Lapis batas termal & profil temperature


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


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)


(Film Condensation) (Dropwise Condensation)


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


Contoh HX’s


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


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)


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

P I Pendahuluan

Documents

Transcript of P I Pendahuluan