TUGAS PERANCANGAN ALAT PENUKAR PANAS

KONVEKSI PAKSA

OLEH :

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA S1

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS RIAU

PEKANBARU

2011

Konveksi paksa

Pada benda padat perpindahan kalor yang terjadi pasti berupa konduksi,

sedangkan pada fluida perpindahan kalor dapat berupa konduksi ataupun konveksi

tergantung ada-tidaknya gerakan fluida. Jika tidak terdapat gerakan fluida maka yang

terjadi adalah proses perpindahan kalor konduksi, sedangkan jika terdapat gerakan

fluida maka dikatakan terjadi proses perpindahan kalor konveksi.

Berdasarkan sumber gerakan fluida konveksi dibagi lagi menjadi konveksi

paksa dan konveksi bebas. Konveksi paksa terjadi jika gerakan fluida disebabkan

oleh suatu sumber gerak eksternal, misalnya pompa, fan, atau juga angin. Pada

konveksi bebas gerakan fluida disebabkan oleh perbedaan bobot molekul fluida

akibat perbedaan temperatur. Molekul fluida yang lebih tinggi temperaturnya

mempunyai bobot lebih ringan sehingga akan cenderung naik, dan digantikan oleh

molekul fluida lainnya yang bertemperatur lebih rendah dan tentunya bobot yang

lebih berat.

Gambar 1 Menunjukkan perpindahan kalor yang dapat terjadi dari suatu permukaan

yang panas ke udara sekitarnya.

Gambar 1 Perpindahan kalor yang mungkin terjadi dari permukaan panas ke udara

sekitarnya

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 pipa

ditunjukkan pada Gambar 2

Gambar 2 Aliran eksternal udara dan aliran internal air pada suatu pipa

Berdasarkan hukum pendinginan Newton laju perpindahan kalor konveksi

dinyatakan dengan Persamaan

atau dalam bentuk fluks kalor

dengan

h = koefisien perpindahan kalor konveksi, W/m2.°C

A = luas permukaan perpindahan kalor, W/m2.°C

Ts = temperatur permukaan, °C

T∞ = temperatur fluida, °C

Bilangan Tak Berdimensi Pada Konveksi Paksa

Untuk mengurangi jumlah variabel yang terlibat dalam perhitungan, maka

sering digunakan bilangan tak berdimensi yang merupakan kombinasi dari beberapa

variabel.

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.

Dimana;

h = koefisien perpindahan panas konveksi

D = panjang karakteristik

k = konduktivitas bahan

Semakin besar nilai bilangan Nusselt maka konveksi yang terjadi semakin

efektif. Bilangan Nusselt yang bernilai 1 menunjukkan bahwa perpindahan kalor yang

terjadi pada lapisan fluida tersebut hanya melalui konduksi.

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.

N Nu=hDk

Gambar 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 aliran tinta menyebar secara acak

Gambar 3 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

Jadi, rumus bilangan reynold adalah

Dimana;

D = diameter

v = laju alir

ρ = densitas

µ = viskositas

Nilai bilangan Reynolds yang kecil (< 2100) menunjukkan aliran bersifat

laminar sedangkan nilai yang besar menunjukkan aliran turbulen(> 4000). Nilai

NRe=Dv ρμ

bilangan Reynolds saat aliran menjadi turbulen disebut bilangan Reynolds kritis yang

nilainya berbeda-beda tergantung bentuk geometrinya

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 dengan persamaan

Cp adalah kalor spesifik fluida, dan k adalah konduktivitas termal, dan µ adalah

viskositas

Nilai bilangan Prandtl berkisar pada nilai 0.01 untuk logam cair, 1 untuk gas,

10 untuk air, dan 10000 untuk minyak berat. Difusivitas kalor akan berlangsung

dengan cepat pada logam cair (Pr << 1) dan berlangsung lambat pada minyak (Pr >>

1). Pada umumnya nilai bilangan Prandtl ditentukan menggunakan tabel sifat zat.

Tabel 5-1 menunjukkan rentang nilai bilangan Prandtl untuk beberapa jenis fluida.

Perpindahan kalor konveksi aliran dalam pipa merupakan peristiwa perpindahan kalor

yang paling banyak dijumpai di industry proses kimia karena pemanasan atau

pendinginan fluida banyak melibatkan aliran dalam pipa, (HE, coil, boiler,

evaporator, dll). Karena sifat aliran dalam piupa bisa laminar atau turbulent, maka

pada kedua rezim tersebut persamaan yang digunakan berbeda.

Konveksi Paksa Dalam Pipa dengan Aliran Laminar

Dimana NRe < 2100, dapat digunakan persamaan Sieder dan Tate

Dimana;

Bilangan Nusselt

D = diameter pipa

L = panjang pipa

µb = viskositas fluida pada suhu rata rata

µw = viskositas fluida pada suhu dinding

Sifat fisis dihitung pada suhu bulk, kecuali µw yang dievaluasi pada suhu dinding

(wall)

Untuk perhitungan kecepatan transfer :

Dimana;

Bilangan Reynold

Bilangan Prandtl

N Nu=haD

k=1 ,86(N ReN Pr

DL )

13 ( μbμw )

0 ,14

N Nu=hDk

NPr=cp μ

k

NRe=Dv ρμ

q=haAΔT a=ha A(Tw−T bi )+(Tw−T bo)

2

Tbi = Suhu bulk in

Tbo = Suhu bulk out

Berikut ini ditampilkan rata-rata untuk aliran laminar pada berbagai penampang

saluran

Konveksi Paksa Dalam Pipa dengan Aliran turbulent

Untuk NRe >6000 ; 0,7 < NPr < 16000 dan L/D > 60

N Nu=hLD

k=0 ,027N

Re0,8N

Pr

13( μbμw )

0,14

Dimana;

Bilangan Nusselt

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

Contoh Gambar Aliran melintasi permukaan rata

Temperatur fluida pada lapis batas termal mempunyai nilai yang bervariasi

dari Ts pada permukaan hingga T∞ pada sisi luar lapis batas. Karena sifat fluida juga

bervariasi terhadap temperatur, maka untuk penentuan sifat-sifat fluida pada

perhitungan didasarkan pada temperatur film Tf, yaitu

Aliran Laminar

Bilangan Reynold

Bilangan Prandtl

N Nu=hDk

NPr=cp μ

k

NRe=Dv ρμ

Koefisien gesek rata-rata untuk aliran laminar adalah

Bilangan Nusselt rata-rata untuk aliran laminar adalah

Aliran Turbulent

Pada aliran turbulen koefisien gesek rata-rata adalah

sedangkan bilangan Nusselt rata-rata untuk aliran turbulen adalah

Kombinasi Aliran Laminar dan Turbulent

Seringkali pada aliran melintasi plat rata, panjang plat melebihi panjang kritis

sehingga aliran telahturbulen namun masih belum cukup panjang untuk dapat

mengabaikan aliran laminar. Pada kasus ini maka digunakan persamaan

koefisien gesek rata-rata

serta bilangan Nusselt rata-rata

Aliran Melintang dan Bola

Secara praktis sering ditemui aliran melintang silinder dan bola, misalnya

pada penukar kalor jenis aliran silang.

Contoh Gambar Pola aliran melintang silinder atau bola

Untuk Re < 2´105maka aliran yang terjadi adalah laminar Re > 2´105

aliran yang terjadi adalah aliran turbulen. Bilangan Nusselt rata-rata untuk

aliran melintang silinder ditentukan menggunakan persamaan Churchill

Bernstein

Untuk aliran melintang bola digunakan persamaan Whitaker

Selain menggunakan persamaan diatas , Zhukaskas dan Jacob juga

mengusulkan alternatif persamaan yang lebih sederhana untuk aliran

melintang silinder yaitu

C dan m adalah konstanta yang nilainya dapat dilihat pada Tabel

dibawah untuk berbagai macam bentuk penampang silinder selain lingkaran.

Tabel Bilangan Nusselt rata-rata untuk berbagai penampang saluran pada aliran

laminar

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 pipasedangkan 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 polaaliran sangat dipengaruhi oleh pipa-pipa tersebut

sebagai suatu kesatuan.

Contoh Gambar Susunan berkas pipa segaris dan berselang-seling

Berkas pipa biasanya mempunyai susunan segaris (in-line) atau berselang-

seling (staggered) pada arah aliran (Gambar diatas). Panjang karakteristik yang

digunakan adalah diameter luar D. Susunan pipa ditentukan oleh sela (pitch),

yaitu sela transversal ST, sela longitudinal SL, dan sela diagonal SD. Untuk

menghitung sela diagonal digunakan persamaan

Dalam perhitungan bilangan Nusselt rata-rata digunakan persamaan umum

hasil eksperimen yang diusulkan oleh Zukauskas

dengan C, m, dan n adalah konstanta yang tergantung pada nilai bilangan

Reynolds. Tabel dibawah ini menunjukkan beberapa nilai konstanta untuk

nilai bilangan Prandtl 0.7 < Pr < 500, nilai bilangan Reynolds 0 < ReD <2´106,

serta jumlah pipa dalam berkas arah lognitudinal NL > 16. Semua sifat fluida

ditentukan pada temperatur rata-rata fluida

Tabel Bilangan Nusselt rata-rata untuk NL>16 dan 0.7 < Pr < 500

dengan Ti dan To adalah temperatur fluida sebelum dan setelah melewati

berkas pipa. Untuk jumlah pipa dalam berkas kurang dari 16 maka digunakan

persamaan koreksi

dengan F adalah faktor koreksi yang nilainya bergantung pada jumlah pipa

pada berkas seperti tercantum pada Tabel dibawah ini. Begitu nilai bilangan

Nusselt telah dihitung maka nilai koefisien konveksi segera dapat dihitung.

Untuk menghitung laju perpindahan kalor konveksi maka selisih temperature

yang digunakan adalah selisih temperatur rata-rata logaritmik (LMTD)

Temperatur keluar Te dapat dihitung dengan persamaan

dengan s A = NpDL adalah luas permukaan perpindahan kalor dan

adalah laju aliran massa fluida. N adalah jumlah total pipa

pada berkas, NT jumlah pipa pada bidang transversal, L panjang berkas pipa, dan

V kecepatan fluida sebelum melewati berkas pipa. Laju aliran perpindahan

kalor konveksi dapat dihitung menggunakan persamaan

Faktor koreksi dalam perhitungan bilangan Nusselt rata-rata untuk Nu<16 dan

ReD>1000