Perpindahan Panassecara

Konveksi NaturalJURUSAN TEKNIK KIMIA

POLITEKNIK NEGERI MALANG2011

MUFID

Perpindahan Panas Konveksi• Macam-macam konveksi

2

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

6

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

Penyelesaian• Dari tabel untuk

• Laju perpindahan kalor:

16

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

25

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

MUFID

Paralel Flow

28

MUFID

Counter Flow

29

Koefisien Konveksi Overall

30s

oo

io

ii

AAhLk

DD

Ah

U

.1

..2

)/ln(1

1

Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh (U):