bahan kuliah perpan dasar konveksi
TRANSCRIPT
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
1/75
Untuk plat yang dipanaskan (aliran laminar, temperatur permukaan plat
seragam (isothermal) dan 0,6 < Pr < 50) :
Koefisien perpindahan panas konveksi lokal :
ilangan !usselt lokal :
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
2/75
"imana :
Untuk plat yang dipanaskan keseluruhan plat, #o$ 0 , maka %ilangan
!usselt men&adi :
Untuk plat yang dipanaskan mulai di # $ #o, koefisien perpindahan panas
konveksi rata'rata dapat dinyatakan s%% :
"alam kasus ini, perpindahan panas total untuk plat :
"engan asumsi %agian yang dipanaskan pada temperatur konstan Untuk plat yang dipanaskan keseluruhan plat :
atau
"imana :
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
3/75
*ifat'sifat fluida dievaluasi %erdasarkan film temperatur , f
Untuk kasus permukaan plat dikenai fluks kalor konstan, +
ilangan !usselt lokal :
ilangan !u lokal &uga dinyatakan s%% :
Per%edaan temperatur rata'rata sepan&ang plat :
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
4/75
Untuk kasus dengan nilai Pr -00
Untuk aliran laminar, plat datar isotermal :
Untuk kasus fluks kalor konstan :
*ifat'sifat fluida dievaluasi pada film temperature , f
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
5/75
Contoh-contoh soal :
.ir at /12 and - atm flos over a flat plate at a speed of / m3s4 .ssume
that the plate is heated over its entire length to a temperature of 60124
2alulate the heat transferred in (a) the first /0 m of the plate and (%) thefirst 0 m of the plate4 .ssume unit depth in the 7 diretion4
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
6/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
7/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
8/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
9/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
10/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
11/75
Hubungan Antara Gesekan Fluida Dengan Perpindahan Panas
egangan geser pada dinding dapat dinyatakan dalam se%uah parameter
koefisien gesekan, 2f
Koefisien gesekan lokal, 2f#
Persamaan untuk lat isotermal aliran laminar an di anaskan keluruhan
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
12/75
Persamaan di atas &uga dapat ditulis ulang dalam %entuk :
8uas se%elah kiri dalam rumus di atas dise%ut dengan %ilangan *tanton (*t)
*ehingga :
Persamaan di atas dise%ut dengan 8eynolds'2ol%urn .nalogy,
menyatakan hu%ungan antara gesekan fluida dan perpindahan panasuntuk aliran laminar pada plat datar4 Koefisien perpindahan panas (h)
dapat ditentukan dengan melakukan pengukuran gaya seret aki%ar
gesekan pada se%uah plat di %aah kondisi dimana tidak meli%atkan
perpindahan panas4
.nalogy 8eynolds %erlaku untuk nilai Pr $ -
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
13/75
"imana :
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
14/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
15/75
9#ample :
.ir at /12 and - atm flos over a flat plate at a speed of / m3s4 .ssume that
the plate is heated over its entire length to a temperature of 60124 2ompute the
drag fore e#erted on the first 0 m of the plate using the analogy %eteen
fluid frition and heat transfer4
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
16/75
Perpindahan Panas Turbulen Berdasarkan Analogi Gesekan Fluida
oal skin'frition oeffiient : (untuk 54-05< 8e < -0)
Untuk 8e : -0; -0menggunakan persamaan *hult7'=runo :
Koefisien gesekan rata'rata untuk plat datar dengan lapis %atas laminar
hingga 8erdan kemudian tur%ulent dapat dihitung dengan persamaan :
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
17/75
!ilai konstanta . tergantung pada 8er%erdasarkan ta%el 54-
>enggunakan 8eynolds ;2ol%urn analogy diperoleh loal tur%ulent heat
transfer :
Perpindahan panas rata'rata di atas keseluruhan lapis %atas laminar'
tur%ulen :
untuk 8er$ 5 # -05dan 8e< -0
Pers (a)
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
18/75
*u%stitusi persamaan di atas %isa ditulis ulang s%% :
Koefisien perpindahan panas rata'rata dapat &uga diperoleh dengan
mengintegralkan nilai koefisien perpindahan panas lokal untuk keseluruhan
pan&ang plat :
Untuk %ilangan 8e yang le%ih tinggi, persamaan koefisien gesekan (pers4 a)
dapat digunakan sehingga :
Persamaan di atas %erlaku untuk -0< 8e< -0dan 8er$ 5 # -0
5
Untuk 8er
tidak sama dengan 5 # -05dapat digunakan persamaan ?hitaker
Untuk 8e< 107
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
19/75
*emua properties dievaluasi pada temperatur aliran %e%as keuali @4 Untuk
gas rasio viskositas dievaluasi pada temperatur film4
Pada kasus plat datar yang dikenai fluks kalor konstan :
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
20/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
21/75
.A8.! >9.UA *AA!"98 ".! B.
ilangan !usselt rata'rata untuk aliran melintang meleati se%uah silinder,
dapat dihitung dengan korelasi dari 2hurhill dan ernstein :
*ifat'sifat fluida dievaluasi %erdasarkan temperatur film :
dimana adalah temperatur aliran %e%as (free stream), dan s adalah
temperatur permukaan silinder4
Untuk aliran meleati %ola, ?hitaker merekomendasi korelasi se%agai
%erikut :
Korelasi di atas valid untuk C,5 8e D04000 dan 0, Pr CD04 *ifat'sifat
fluida dievaluasi pada temperatur aliran %e%as ,
keuali untuk @s
dievaluasi pada temperatur permukaan %ola, s
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
22/75
ilangan !usselt rata'rata untuk aliran meleati silinder dapat dinyatakan
dalam %entuk yang le%ih ringkas s%% :
dimana n $ -3C dan nilai konstanta 2 dan m ditentukan seara
eksperimental , nilainya dapat dilihat pada ta%el :
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
23/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
24/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
25/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
26/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
27/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
28/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
29/75
.A8.! >99?.A KU>PU.! PAP.
*usunan pipa dalam kumpulan pipa dikarakteristik oleh transverse pith, *
longitudinal pith, * dan diagonal pith, *"
"iagonal pith, *"dapat ditentukan dengan :
"alam kumpulan pipa, karakteristik aliran ditentukan dengan keepatan
maksimum, Ema#
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
30/75
Untuk susunan segaris (in line)
Untuk susunan selang'seling (staggered) dan
ilangan 8eynolds dihitung %erdasarkan Ema#:
!ilai %ilangan !usselt rata'rata untuk aliran melintang meleati kumpulan
pipa (tu%e %anks) dapat dihitung dengan korelasi Fukauskas yangmempunyai %entuk umum s%%:
!ilai konstanta 2, m dan n tergantung pada nilai %ilangan 8eynolds (8e)4
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
31/75
!ilai konstanta 2, m dan n dapat dilihat pada ta%el :
a%el di atas %erlaku dengan %atasan ! -6, 0, < Pr < 500 dan 0 < 8e "< / #
-064
*emua propertis keuali Prs dievaluasi pada rata'rata aritmetika temperatur
fluida masuk dan keluar tu%e %anks (Prsdievaluasi pada s )4
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
32/75
Untuk ¨ah %aris !
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
33/75
emperatur keluar fluida edapat dihitung dari :
Penurunan ekanan (Pressure "rop)
Penurunan tekanan adalah per%edaan tekanan fluida masuk dan fluida keluar
tu%e %ank4"irumuskan s%% :
P $ penurunan tekanan (Pa)
!$ ¨ah %aris dalam arah Pf $ faktor gesekan
Emaks$ keepatan maksimum (m3s)
$ faktor koreksi
Gaktor koreksi diperoleh dari grafik untuk susunan tu%e %ank in line dan
stagerred4
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
34/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
35/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
36/75
"aya yang diperlukan untuk menggerakkan fluida meleati tu%e %ank
dise%ut dengan daya pemompaan (pumping power), ?pump , dirumuskan
s%% :
"imana adalah de%it atau la&u aliran volume fluida
meleati tu%e %ank dan adalah la&u aliran massa
fluida meleati tu%e %ank4
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
37/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
38/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
39/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
40/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
41/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
42/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
43/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
44/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
45/75
INTERNAL FLOW
Aliran laminar dan turbulen dalam pipa
.liran di pipa dapat laminar, transisi atau tur%ulen, dikarakteriksasi dengan
%ilangan 8eynoldsUntuk aliran di dalam pipa %undar, %ilangan 8eynolds dirumuskan s%% :
dimana Emadalah keepatan rata'rata fluida, " adalah diameter dalam pipa
Untuk aliran melalui pipa dengan penampang tidak %undar, %ilangan
8eynolds dirumuskan %erdasarkan diameter hidrolik :
dimana .adalah luas penampang pipa, dan p adalah keliling (perimeter)penampang pipa
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
46/75
Untuk kondisi praktis klasifikasi aliran
%erdasarkan 8e :
ransisi dari laminar ke tur%ulen sangat
tergantung pada dera&at gangguan aliran
oleh kekasaran permukaan, getaran pipa
dan fluktuasi aliran4
ENTRANCE REGION
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
47/75
"aerah dari sisi masuk pipa hingga ke titik dimana lapis %atas keepatan
%erga%ung dengan titik pusat pipa di se%ut dengan hydrodynamic entrance
region dan pan&ang daerah ini dise%ut dengan hydrodynamics entry length
(h)
.liran di entrane region dise%ut dengan hydrodynamically de!eloping "lo#$
"aerah diluar entrane region dise%ut dengan hydrodynamically "ully
de!eloped region$ Profil keepatan di derah fully developed adalah para%ola
untuk laminar dan le%ih rata untuk daerah tur%ulen4
"aerah aliran dimana lapis %atas termal ter%entuk dan menapai pusat pipa
dise%ut entrance termal region, dan pan&ang daerah ini dise%ut dengan
thermal entry region (t)4
"
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
48/75
.liran di daerah thermal entrane region dise%ut thermal de!eloping "lo#4
"aerah diluar thermal entrane region dise%ut dengan thermally "ully
de!eloped region$
"aerah dimana aliran %aik hydrodynamially developed dan thermallydeveloped dan prodil keepatan dan temperatur tetap tidak %eru%ah dise%ut
dengan "ully de!eloped "lo#$
"alam aliran laminar, hydrodynami entry length dan thermal entry length
didekati dengan persamaan s%% :
Untuk 8e $ /C00, hydrodynami entry length didekati dengan --5", dimana
" adalah diameter dalam pipa4
"alam aliran tur%ulen, seara paraktis hydrodynami entry length dan
thermal entry length didekati dengan persamaan s%% :
GENERAL THERMAL ANALYSIS
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
49/75
GENERAL THERMAL ANALYSIS
Persamaan energi aliran tunak dalam se%uah pipa dapat dinyatakan s%% :
dimana idan eadalah temperatur fluida rata'rata masuk dan keluar pipa4
Kondisi permukaan pipa dapat didekati dengan temperatur permukaan
konstan (constant surface temperature, s $ konstan) dan fluks kalor
permukaan konstan (constant surface heat flux, +s$ konstan)4
"alam kasus +skonstan, la&u perpindahan panas dapat dihitung s%% :
emperatur fluida rata'rata keluar pipa :
emperatur permukaan pipa untuk kasus fluks kalor konstan, dihitung s%% :
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
50/75
a&u perpindahan panas untuk kasus temperatur pipa konstan, dihitung s%% :
aveadalah %eda temperatur rata'rata aritmetika4
dimana %$ (iI e)3/ adalah temperatur fluida rata'rata %ulk4
edapat ditentukan dengan :
a&u perpindahan panas dinyatakan dengan %eda temperatur rata'rata
logaritmis :
dimana
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
51/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
52/75
ALIRAN LAMINAR DALAM PIPA
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
53/75
ALIRAN LAMINAR DALAM PIPA
Penurunan tekanan (pressure drop)
"alam prakteknya, untuk semua &enisaliran dalam (internal flo)(aliran
laminar, tur%ulen, pipa %undar, pipa
tidak %undar dan permukaan pipa
halus atau kasar, penurunan tekanan
dirumuskan se%agai %erikut :
"imana f adalah faktor gesekan
(frition fator)4
Gaktor gesekan untuk aliran laminar di dalam pipa %undar :
Kalau pressure drop tersedia, daya pemompaan dapat dihitung dengan :
"imana E adalah de%it aliran
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
54/75
"imana E adalah de%it aliran,
Persamaan di atas dise%ut dengan persamaan PoiseuilleJs a
%&''()T %&*B(+ A),+A% )A*,%A+Untuk kasus fluks kalor konstan aliran di pipa %undar :
Untuk kasus temperatur konstan aliran di pipa %undar :
Untuk pipa %undar pan&ang diperlakukan temperatur permukaan konstan,
%ilangan !usselt rata'rata untuk termal entrane region dapat ditentukan dari :
ilangan !usselt rata'rata untuk developing laminar flo dalam se%uah pipa
%undar dapat ditentukan dengan persamaan *ieder and ate4
*emua properties fluida dievaluasi pada temperatur fluida rata'rata %ulk,keuali dievaluasi ada tem eratur ermukaan i a
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
55/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
56/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
57/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
58/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
59/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
60/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
61/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
62/75
ALIRAN TURBULEN DALAM PIPA
Untuk pipa'pipa halus, faktor gesekan di aliran tur%ulen dapat ditentukan
dengan menggunakan persamaan first Petukhov e+uation :
Untuk aliran tur%ulen %erkem%ang penuh dalam pipa halus persamaansederhana untuk %ilangan !usselt menggunakan persamaan 2ol%urn :
.kurasi persamaan 2ol%urn diper%aiki dengan persamaan "ittus oelter :
"imana nilai n $ 0, untuk proses pemanasan, dan n $ 0,C untuk
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
63/75
pendinginan4 Propertis fluida dievaluasi pada temperatur fluida rata'rata %ulk
(iI o)3/4
Persamaan "ittus oelter sederhana tetapi mempunyai akurasi error hingga
/5 dari data aktual4
Kesalahan persamaan "ittus oelter diper%aiki hingga kurang dari -0
dengan menggunakan persamaan Petukhov kedua (seond Petukhov
e+uation)
.kurasi persamaan Petukhov untuk %ilangan 8eynolds yang le%ih rendah
diper%aiki dengan persamaan =nielinski :
Gaktor gesekan pada persamaan Petukhov dan =nielinski dihitung
dengan menggunakan persamaan first Petukhov e+uation4 Properties fluida pada persamaan Petukhov dan =nielinski dievaluasi
pada temperatur fluida rata'rata %ulk (iI o)3/4
FAKTOR GESEKAN PIPA ALIRAN TURBULEN
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
64/75
Pada aliran tur%ulen, faktor gesekan tergantung pada kekasaran relatif
(3") dan %ilangan 8eynolds (8e)4
Persamaan implisit dari 2ole%rook :
4G >oody memplotkan rumus ini dalam %entuk diagram >oody4 Persamaan eksplisit dari Laaland :
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
65/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
66/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
67/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
68/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
69/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
70/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
71/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
72/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
73/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
74/75
-
7/24/2019 Bahan Kuliah Perpan Dasar Konveksi
75/75