makalah konveksi alamiah

8/12/2019 makalah konveksi alamiah

1/21

KATA PENGANTAR

Segala puji bagi Allah SWT atas nikmat dan karunia-Nya penyusun dapatmenyelesaikan penyusunan makalah berjudul KONVEKSI AA!IA"# ini$ Sala%at dan salam

juga penyusun persembahkan kepada Nabi &esar !uhammad SAW beserta keluarga' sahabat

serta pengikutnya sampai akhir (aman$

)enyusun menyadari bah%a makalah ini masih banyak kekurangan dan jauh dari

kesempurnaan$ *ntuk itu penulis masih mengharapkan kritik dan saran yang bersi+at

membangun guna penyempurnaan makalah di masa datang$

,alam penyelesaian skripsi ini penyusun banyak mendapatkan bantuan dan pengarahan

dari berbagai pihak terutama dari dsen pembimbing$ !aka pada kesempatan ini penyusun ingin

mengu.apan terima kasih yang tulus kepada Ir$ Aida Syarie+'!$T selaku dsen pembimbing

mata kuliah )erpindahan )anas$

Atas semua bantuan dan bimbingan yang telah diberikan kepada penulis' semga akan

mendapatkan imbalan yang setimpal dari Allah SWT$ Akhir kata penyusun mengharapkan

semga makalah ini dapat berman+aat dan berguna baik bagi penyusun maupun bagi pemba.a'

Amin$

)alembang' !aret /01/

)enyusun

1


2/21

DAFTAR ISI

"alaman

,a+tar Isi222222222222222222222222222222222 /

Kata )engantar222222222222222222222222222222$$ 1

&ab I 3 )endahuluan 2222222222222222222222222222$ 4

&ab II 3 Tinjauan )ustaka22222222222222222222222222$$ 5&ab III 3 )embahasan 2222222222222222222222222222

1$ Proses Perpindahan Panas Konveksi Alamiah

dan Peralatan Pengering

/$ Konveksi Bebas dan Aliran Flida

Pada Plat !iring

4$ Konveksi Bebas dan Aliran Flida

Pada plat verti"al

6

&ab IV 3 Sal dan )embahasan 222222222222222222222222 17

&ab V 3 )enutup 222222222222222222222222222222 18

,a+tar )ustaka2222222222222222222222222222$ /0

BAB #

PENDA$%&%AN

2


3/21

Kn9eksi yang kita bi.arakan hanya sejauh masalah itu berhubungan dengan kndisi

batas yang terdapat dalam masalah knduksi$ Sekarang kita akan membahas lebih jauh metde

perhitungan perpindahan kalr kn9eksi dan khususnya .ara-.ara meramalkan nilai ke+isien

perpindahan kalr kn9eksi h$ ,alam masalah perpindahan panas kn9eksi diperlukan nera.a

energy di samping analisis dinamika +luida masalah tersebut$

Kn9eksi alamiah :natural .n9e.tin;' atau kn9eksi bebas :+ree .n9e.tin;' terjadi

karena +luida yang' karena prses pemanasan' berubah densitasnya :kerapatannya;' dan bergerak

naik$


4/21

?ang dimaksud dengan aliran ialah pengangkutan ka1r leh gerak dari (at yang

dipanaskan$ )rses perpindahan ka1r se.ara aliran@kn9eksi merupakan satu +enmena

permukaan$ )rses kn9eksi hanya terjadi di permukaan bahan$ adi dalam prses ini struktur

bagian dalam bahan kurang penting$ Keadaan permukaan dan keadaan sekelilingnya serta

kedudukan permukaan itu adalah yang utama$ a(imnya' keadaan keseirnbangan termdinamik

di dalam bahan akibat prses knduksi' suhu permukaan bahan akan berbeda dari suhu

sekelilingnya$ ,alam hal ini dikatakan suhu permukaan adalah T1 dan suhu udara sekeliling

adalah T/ dengan TlBT/$ Kini terdapat keadaan suhu tidak seimbang diantara bahan dengan

sekelilingnya$

)erpindahan kalr dengan jalan aliran dalam industri kimia merupakan .ara

pengangkutan kalr yang paling banyak dipakai$ Oleh karena kn9eksi hanya dapat terjadi

melalui (at yang mengalir' maka bentuk pengangkutan ka1r ini hanya terdapat pada (at .air

dan gas$ )ada pemanasan (at ini terjadi aliran' karena masa yang akan dipanaskan tidak

sekaligus di ba%a kesuhu yang sama tinggi$ Oleh karena itu bagian yang paling banyak atau

yang pertama dipanaskan memperleh masa jenis yang lebih ke.il daripada bagian masa yang

lebih dingin$ Sebagai akibatnya terjadi sirkulasi' sehingga kalr akhimya tersebar pada seluruh

(at

4


5/21

=ambar 1$4$ )erpindahan panas kn9eksi$ :a; kn9eksi paksa' :b; kn9eksi alamiah' :.; pendidihan' :d;

k-ndensasi

)ada perpindahan kalr se.ara kn9eksi' energi kalr ini akan dipindahkan ke

sekelilingnya dengan perantaraan aliran +luida$ Oleh karena pengaliran +luida melibatkan

pengangkutan masa' maka selama pengaliran +luida bersentuhan dengan permukaan bahan yang

panas' suhu +luida akan naik$ =erakan +luida melibatkan ke.epatan yang seterusnya akan

menghasilkan aliran mmentum$ adi masa +luida yang mempunyai energi terma yang lebih

tinggi akan mempunyai mmentum yang juga tinggi$ )eningkatan mmentum ini bukan

disebabkan masanya akan bertambah$ !alahan masa +luida menjadi berkurang karena kini +luida

menerima energi kalr$

Cluida yang panas karena menerima kalr dari permukaan bahan akan naik ke atas$

Keksngan tempat masa bendalir yang telah naik itu diisi pula leh masa +luida yang bersuhu

rendah$ Setelah masa ini juga menerima energi kalr dari permukan bahan yang kalr dasi' masa

ini juga akan naik ke atas permukaan meninggalkan tempat asalnya$ Keksngan ini diisi pulaleh masa +luida bersuhu renah yang lain$ )rses ini akan berlangsung berulang-ulang$ ,alam

kedua prses knduksi dan kn9eksi' +aktr yang paling penting yang menjadi penyebab dan

pendrng prses tersebut adalah perbedaan suhu$ Apabila perbedaan suhu $terjadi maka

keadaan tidak stabil terma akan terjadi$ Keadaan tidak stabil ini perlu diselesaikan melalui

prses perpindahan kalr$

5


6/21

,alam pengamatan prses perpindahan kalr kn9eksi' masalah yang utama terletak pada

.ara men.ari metde penentuan nilai h dengan tepat$ Nilai ke+isien ini tergantung kepada

banyak +aktr$ umlah kalr yang dipindahkan' bergantung pada nilai h$ ika .epatan medan

tetap' artinya tidak ada pengaruh luar yang mendrmg +luida bergerak' maka prses

perpindahan ka1r berlaku$ Sedangkan bila ke.epatan medan dipengaruhi leh unsur luar seperti

kipas atau peniup' maka prses kn9eksi yang akan terjadi merupakan prses perpindahan kalr

kn9eksi paksa$ ?ang membedakan kedua prses ini adalah dari nilai ke+isien h-nya$

&esarnya kn9eksi dipengaruhi leh D

a$ uas permukaan benda yang bersinggungan dengan +luida :A;$

b$ )erbedaan suhu antara permukaan benda dengan +luida ::T;$

.$ Ke+isien kn9eksi :h;' yang tergantung pada D

1; 9is.sitas +luida

/; ke.epatan +luida

4; perbedaan temperatur antara permukaan dan +luida

5; kapasitas panas +luida

; rapat massa +luida

F; bentuk permukaan kntak

6


7/21

BAB )

PE!BA$ASAN

Perpindahan Panas Konveksi)erpindahan panas antara suatu permukaan padat dan suatu +luida berlangsung se.ara

kn9eksi$ Kn9eksi panas dapat dihitung dengan persamaan pendinginan Ne%tnD

dimana D

G H Kalr yang dipindahkan

h H Ke+isien perpindahan kalr se.ara kn9eksi

A H uas bidang permukaan perpindahan panas

TH Temperatur

Tanda minus :-; digunakan untuk memenuhi hukum II thermdinamika' sedangkan panas

yang dipindahkan selalu mempunyai tanda psiti+ :;$ )ersamaan diatas mende+inisikan

tahanan panas terhadap kn9eksi$ Ke+isien pindah panas permukaan h' bukanlah suatu si+at

(at' akan tetapi menyatakan besarnya laju pindah panas di daerah dekat pada permukaan itu$

Fluks Kalor:

Adalah laju perpindahan panas persatuan luas :G@A;$ Cluks kalr bleh didasarkan

atas luas permukaan luar atau dalam pipa$

Suhu arus rata-rata:

Adalah suhu yang di.apai apabila keseluruhan +luida yang mengalir melalui penampang

itu dikeluarkan lalu di.ampur se.ara adiabati.

Koefisien perpindahan kalor menyeluruh:ika terjadi knduksi dan kn9eksi se.ara berturutan' maka berbagai tahanan panas yang

tersangkut dapat dijumlahkan untuk memperleh ke+isien pindah panas keseluruhan *$

7


8/21

&erdasarkan gaya penyebab terjadinya arus aliran +luida' kn9eksi dapat diklasi+ikasikan

menjadi kn9eksi bebas@alamiah dan kn9eksi paksa$

Gambar '*+Ilustrasi aliran +iuda pada kn9eksi alamiah dan paksa

Kn9eksi alamiah terjadi karena ada arus yang mengalir akibat gaya apung'

sedangkan gaya apung terjadi karena ada perbedaan densitas +luida tanpa dipengaruhi gaya

dari luar sistem$ )erbedaan densitas +luida terjadi karena adanya gradien suhu pada +luida$

Jnth kn9eksi alamiah antara lain aliran udara yang melintasi radiatr panas

!",abe-#..)L$ )ada perbatasan suatu permukaan dan suatu +luida akan terjadi perpindahan

panas se.ara knduksi dan kn9eksi$ &iasanya temperatur permukaan itu .ukup tinggi untuk

menimbulkan pula radiasi$ Tanpa adanya aliran yang dipaksakan terhadap +luida' maka

sekitar permukaan akan terjadi kn9eksi se.ara alamiah$ )erbedaan temperatur antara

bagian-bagian +luida menyebabkan perbedaan densiti dan karena itu timbul gerakan dan

aliran dalam +luida$ Aliran alamiah ini memperbesar perpindahan panas yang semula sampai

ter.apai keadaan yang te.ap$ Jara perpindahan panas sema.am ini disebut kn9eksi alamiah

atau kn9eksi bebas$

&esarnya ke+isien perpindahan panas harus didapat dari hasil per.baan$ &anyak

penyelidikan telah dilakukan untuk menentukan ke+isien pindah panas itu$ ika berbagai

hasil penyelidikan itu dikumpulkan' ternyata dapat diperleh persamaan empiris dalam

bilangan-bilangan tanpa dimensi' salah satu di antaranya adalah bilangan =rash+' yang

dibuat untuk menunjukkan si+at- si+at kn9eksi bebas $

"asil per.baan itu sering juga dinyatakan sebagai nmgram :alignment .hart; atau

gra+ik$

8


9/21

)ersamaan empiris dan nmgram itu dapat dipakai guna memperkirakan ke+isien

perpindahan panas untuk kn9eksi bebas$ Karena terdapat berbagai persamaan dan

nmgram' maka haruslah di.ari yang keadaan sistemnya sama dengan sistem yang sedang

ditinjau$

A&IRAN /ISK0S 1KENTA&2

=aya 3 gaya 9isks biasanya diterangkan dengan tegangan geer :shear stress; antara

lapisan 3 lapisan +luida$ ika tegangan ini dianggap berbanding dengan gradient ke.epatan

:9el.ity gradient; nrmal' maka kita dapatkan persamaan dasar untuk 9isksitas'

)ada permulaan' pembentukan lapisan batas itu laminar' tetapi pada suatu jarak kritis

ditepi depan' bergantung dari medan aliran dan si+at 3 si+at +luida' gangguan 3 gangguan

ke.il pada aliran itu membesar dan mulailah terjadi prses transisi hingga aliran menjadi

turbulen$ ,engan aliran turbulen dapat digambarkan sebagai ke..kan rambang dimana

gumpalan +luida bergerak ke sana ke mari disegala arah$ Transisi dari aliran laminar menjadi

turbulen terjadi apabila

,imana D H ke.epatan aliran bebas

M H jarak dari tepi depan

V H H 9isksitas kinematik

)engelmpkkan khas diatas disebut angka

9


10/21

Angka


11/21

Aliran massa yang masuk dari muka adalah

Aliran massa keluar darim muka atas ialah

Nera.a massa pada unsure itu memberikan

Atau

)ersamaan diatas ialah persamaan kntiunuitas' untuk lapisan batas$

!mentum pada arah yang masuk melalui muka ba%ah iadalah

P9u d

,an mmentum pada arah yang keluar dari muka atas ialah

&agi kita hanya mmentum pada arah yang penting' karena gaya yang menjadi

perhatian kiata dalah analisa ini adalah gaya pada arah $ gaya ini adalah gaya 3 gaya yang

disebabkan leh geser 9isks dan gaya tekanan pada unsure$ =aya tekanan pada muka kiri

adalah Q dy' dan pada muka kanan adalah ' sehingga gaya tekanan

nett pada arah gerakan adalah

=aya geser 9isks pada muka ba%ah adalah

,an gaya geser pada muka atas

11


12/21

=aya geser 9isks nett pada arah gerakan ialah jumlah kedua gaya di atasD

=aya geser-9isks net H R

,engan menyamakan jumlah gaya geser-9isks dan gaya tekanan dengan perpindahanmmentum pada arah ' kita dapatkan

R H Q / dy 3 Qu/dy

disederhanakan' dengan menggunakan persamaan kntinuitas dan mengabaikan

di++rensial rde kedua' kita dapat

)ersamaan diatas ialah persamaan mmentum untuk lapisan batas laminar dengan si+at 3

si+at tetap$ )ersamaan ini dapat diselsaikan se.ara eksak untuk berbagai kndisi batas' dan

para pemba.a$

)enyelesaian eksak persamaan laju lapisan batas sebagaimana diberikan pada lampiran &

menghasilkan

#* Proses Perpindahan Panas Konveksi Alamiah dan Peralatan Pengering

)rinsip dasar prses pengeringan adalah terjadinya pengurangan kadar air atau

penguapan kadar air leh udara karena perbedaan kandungan uap air antara udara

sekeliling dan bahan yang dikeringkan$ )enguapan ini terjadi karena kandungan air

diudara mempunyai kelembapan yang .ukup rendah$

)ada saat prses pengeringan' akan berlangsung beberapa prses yaituD

- )rses perpindahan massa' prses perpindahan massa uap air atau

pengalihan kelembapan dari permukaan bahan kesekeliling udara$

12


13/21

- )rses perpindahan panas' akibat penambahan :perpindahan; energi panas

terjadilah prses penguapan air dari dalam bahan ke permukaan bahan atau prses

perubahan +asa .air menjadi +asa uap$

Kedua prses tersebut diatas dilakukan dengan .ara menurunkan Kelembapan

relati+ udara dengan mengalirkan udara panas disekeliling bahan sehingga tekanan uap air

bahan lebih besar dari tekanan uap air di udara sekeliling bahan yang di

keringkan$perbedaan tekanan ini meneyebabkan terjadinya aliran uap air dari bahan

keudara luar$ *ntuk meningkatkan perbedaantekanan udara antara permukaan bahan

dengan udara sekelilingnya dapat dilakukan dengan memanaskan udara yang

dihembuskan ke bahan$ !akin panas udara yang dihembuskan mengelilingi bahan'

maka banyak pula uap air yang dapat di ttarik leh udara panas pengering$

Energi panas yang berasal dari hasil pembakaran menyebabkan naiknya

temperature ruang pembakaran$ Karena adanya perbedaan temperatur antara ruang

pembakaran dengan lemari pengering' maka terjadi perpindahan panas kn9eksi alamiah

didalam alat pengering$ *dara panas didalam lemari pengeriingg mempunyai densitas

yang lebih ke.il dari udara panas diruang pembakaran sehingga terjadi aliran udara$

Jara perpindahan panas kn9eksi erat kaitannya dengan gerakan atau aliran

+luida$ Salah satu segi analisa yang paling penting adalah mengetahui apakah aliran

+luida tersebut laminar atau turbulen$ ,alam aliran laminar' aliran dari garis aliran

:streamline; bergerak dalam lapisan-lapisan' dengan masing- masing partikel +luida

mengikuti lintasan yang lan.ar serta malar :kntiniu;$ )artikel +luida tersebut tetap pada

urutan yang teratur tanpa saling mendahului$ Sebagai kebalikan dari gerakan laminar'

gerakan partikel +luida dalam aliran turbulen berbentuk (ig-(ag dan tidak teratur$ Kedua

jenis aliran ini memberikan pengaruh yang besar terhadap perpindahan panas kn9eksi$

&ila suatu +luida mengalir se.rara laminar sepanjang suatu permukaan yang

mempunyai suhu berbeda dengan suhu +luida' maka perpindahan panas terjadi dengan

knduksi mlekulardalam +luida maupun bidang antara :inter+a.e; +luida dan permukaan$

Sebaliknya dalam aliran turbulen mekanisme knduksi diubah dan dibantu leh banyak

sekali pusaran-pusaran :eddies; yang memba%a gumpalan +luida melintasi garis

aliran$ )artikel-partikel iniberperan sebagai pemba%a energy dan memindahkan

energi dengan .ara ber.ampur dengan partikel +luida tersebut$ Karena itu' kenaikan

13


14/21

laju pen.ampuran :atau turbulensi; akan juga menaikkan laju perpindahan panas dengan

.ara kn9eksi

*ntuk menganalisa distribusi temperatur dan laju perpindahan panas pada

peralatan pngeringan' diperlukan nera.a energi disamping analisis dinamika +luida dan

analisi lapisan batas yang terjadi$ Setelah kiat melakukan nera.a energi terhadap sistem

aliran itu' dan kita tentukan pengaruh aliran itu tehadap beda temperatur dalam +luida

maka distribusi temperature dan laju perpindahan panas dari permukaan yang dipanaskan

ke +luida yang ada diatasnya dapat diketahui$

Keseimbangan energi panas dapat dilihat dalam rumusan berikutD

Qudout = mudCpdT = Qin = mairLHair

)erpindahan panas kn9eksi dinyatakan dalam bentukD

kn9eksi H h.$A$,t

)ada sistem kn9eksi bebas dikenal suatu 9ariable tak berdimensi baru yang

sangat penting dalam penyelesaian semua persalan kn9eksi alami' yaitu angka =rash+

=r yang peranannya sama dengan peranan angka


15/21

)rduk perkalian antara angka grash+ dan angka prandtl disebut angka


16/21

*ntuk plat miring dengan permukaan panas menghadap ke atas dalam jangkauan

=r$)r 1011

>=r B =r. > dan -1

-6bentuk krelasinya adalah

NuH0$15 :=r

$)r;1@4

-:=r.$)r;

1@4L0'F :=r

.$)r .s ;

1@5

*ntuk plat miring 'panas :atau dingin ; relati9e terhadap temperatur +luida'plat

sejajar dengan 9e.tr gra9itasi'dan gaya apung yang terjadi menyebabkan garakan +luida

ke atas atau ke ba%ah$ &agaimanapun' jika platnya membentuk sudut terhadap

gra9itasi'gaya apung mempunyai kmpnen nrmal terhadap permukaan plat$

,engan adanya pengurangan gaya apung yang paralel terhadap plat'dan juga

terjadi penurunan ke.epatan +luida sepanjang plat'dan bisa diperkirakan bah%a juga

terjadi penurunan pada perpindahan panas kn9eksi$ Tetapi penurunan itu terjadi

apakah perpindahan panasnya berasal dari atas ataau ba%ah permukaan dari plat$

)* Konveksi Bebas dan Aliran Flida Pada Plat /ertikal

Ketika suatu plat rata 9erti.al dipanaskan maka akan akan terbentuklah suatu

lapisan batas kn9eksi bebas' )r+il ke.epatan pada lapisan batas ini tidak seperti pr+il

ke.epatan pada lapisan batas kn9eksi paksa $)ada gambar /$/ dapat dilihat pr+il

ke.epatan pada lapisan batas ini'dimana pada dinding 'ke.epataan adalah nl'karena

terdapat kndisi tanpa gelin.ir :n-slip;> ke.epatan itu bertambah terus sampaai

men.apai nilai maksimum 'dan kemudian menurun lagi hingga nl pada tepi lapisan

batas$)erkembangan a%al lapisan batas adalah laminar'tetapi suatu jarak tertentu dari

tepi depan 'bergantung pada si+at-si+at +luida dan beda suhu antara dinding dan

lingkungan'terbentuklah pusaran-pusaran ke lapisan batas turbulen pun mulailah

terjadi$Selanjutnya'pada jarak lebih jauh pada plat itu lapisan batas menjadi turbulen

sepenuhnya$

!.$Adams mengkrelasikan nilai Nusselt rata-rata dengan bentuk D

H HJ:=r$)r;n

Knstanta J ditentukan pada tabel /$1 Si+at-si+at +isik ,ie9aluasi pada suhu +ilm

T$*ntuk perkalian antara bilangan =rash+ dengan bilangan )randtl disebut dengan

bilangan


17/21


18/21

1@/H 0$7/

7@/6

BAB I/

S0A& 3 S0A&

1$ *dara pada /6YJ dan 1 atm mengalir di atas sebuah plat rata dengan ke.epatan / m@s$

"itunglah tebal lapisan-lapisan pada jarak /0 dan 50 .m tepi depan plat itu$ "itunglah aliran

massa yang memasuki lapisan batas antara H /0 .m dan H 50 .m$ Visksitas udara pada

/6YJ ialah 1'7 Z 10-kg@ms$ Andaikan satu satuan kedalaman pada arah ($

)enyelesaian D

,ensitas :kepadatan; udara dihitung dari D

,ensitas :kepadatan; udara dapat dihitung dari D

Q H

Angka reynld yang dapat dihitung sebagai berikut D

)ada H /0 .m


19/21

,imana ke.epatan diberikan leh persamaan D

E9aluasi integral dengan distribusi ke.epatan ini memberikan

adi aliran massa yang memasuki lapisan batas ialah

BAB /

PEN%T%P


20/21

&esarnya kn9eksi dipengaruhi leh D

a$ uas permukaan benda yang bersinggungan dengan +luida :A;$

b$ )erbedaan suhu antara permukaan benda dengan +luida ::T;$

.$ Ke+isien kn9eksi :h;

Kn9eksi alamiah terjadi karena ada arus yang mengalir akibat gaya apung' sedangkan

gaya apung terjadi karena ada perbedaan densitas +luida tanpa dipengaruhi gaya dari luar

system$

*ntuk kn9eksi bebas berlaku persamaan D

Nu = f(Gr,Pr)

Re = Gr = Pr =

M H dimensi karakteristik

20


21/21

DAFTAR P%STAKA

"lman' )$ )erpindahan Kalr' Fthed' akarta> akarta

)enerbit Erlangga' 187F

!. Jabe' Operasi Teknik Kimia$ )enerbit Erlangga

21

Documents

makalah konveksi alamiah