4 Perp Kalor konveksi dan plat datar (1)

Perpindahan kalor konveksi
dan alat penukar kalor

Prinsip-pinsip perpindahan kalor konveksi
• Pada pembicaraan yang lalu perpindahan kalor
konveksi hanya sejauh masalah yang berhub dg
perpind kalor konduksi.
• Pembicaraan lebih jauh mengenai metode perhitungan perpind kalor konveksi, cara menentukan nilai koef perpind kalor konveksi (h).
• Ada analisa dinamika fluida, masalah perpind
kalor konveksi memerlukan neraca energi atau
prinsip kekekalan energi.
• Pembahasan masalah perpind kalor konveksi
bersifat analitik dan dibatasi pada perpindahan
kalor konveksi paksa.

Perpindahan kalor konveksi:

Q = h . As . (∆T)
Koef perpind. kalor konveksi (h) ditentukan:

a. sifat fluida: konduktivitas termal,

panas jenis, densitas, viskositas
b. jenis aliran fluida: laminer, turbulen
c. geometri: plat datar, silinder, bola

Aliran fluida

• aliran laminer  fluida bergerak menurut lapisanlapisan tertentu dan tiap partikel mengikuti lintasan
yang kontinyu. Tidak terjadi penyimpangan diantara
garis aliran.
• aliran turbulen  tiap-tiap partikel fluida bergerak
tidak teratur, dengan mengakibatkan pertukaran
momentum dari satu bagian fluida ke bagian yang
lain. Turbulensi membangkitkan tegangan geser yang
lebih besar di seluruh fluida & mengakibatkan
kerugian.

Persamaan kontinuitas

Q = A . Um
dengan:Q = volume flow rate (laju aliran), m3/dt

A = luas penampang aliran, m2
Um = kecepatan rerata aliran, m/dt

Bilangan Reynold
1. Pada aliran melintas di atas plat datar

ρ.U .x U.x
dan

Rex 
μ


ρ.U .L U .L

ReL 
μ


Re < 5 x 105, adalah jenis aliran laminer

Re > 1 x 106, adalah jenis aliran turbulen
2. Untuk aliran melintas silinder dan bola

ρ.U.d U.d

Re d 
μ

3. Untuk aliran di dalam pipa

ρ.Um.d Um.d

Re d 


Red < 2000, 
laminer
Red > 4000, 



4. m
Re d 
 . d. 

4. Q
Re d 
. d . 

Saluran bukan penampang lingkaran
Utk penampang segiempat atau bentuk lain, pada saluran
udara, pada penukar kalor dsb.

4.A
dh 
Pw

dh = diameter hidraulik
A = luasan penampang saluran
Pw = keliling basah

4.h.b
dh 
2(h  b)

segiempat b = lbr dan h = tinggi,
 A = h . b dan Pw = 2 ( h + b )

2.h
dh 
1 ar

ar = h/b, utk ar = 1,  dh = h.
1/3 < ar < 3

ρ.Um.dh Um.dh

Re d 



Red < 2000 
laminer
Red > 4000 

Bilangan Nusselt (Nu)
1. Pada aliran melintas plat datar,

h .x
Nu x 
k

dan

h .L
NuL 
k

2. Untuk aliran melintas silinder dan aliran dalam pipa

h .d

Nud 
k
x = jarak dari tepi depan
L = panjang plat
d = diameter dalam pipa, m
h = koefisien perpindahan kalor konveksi, W/m2.K
k = koefisien perpindahan kalor konduksi, W/m.K

Bilangan Prandlt (Pr)
Bil. Prandlt merupakan parameter yang menghubungkan
ketebalan relatif antara lapis batas hidrodinamik dan lapis
batas termal. Bil. Prandlt juga merupakan perbandingan
antara difusi momentum dan diffusivitas kalor di dalam
fluida.

Bilangan Peclet (Pe)
Bil Peclet adalah parameter bebas perpindahan kalor tanpa
satuan.
Pe = Red . Pr

Penggunaan rumus-rumus
empiris

Permasalahan perpind kalor konveksi tidak selalu
dapat diselesaikan dengan cara analitik, shg sering
terpaksa menggunakan cara-cara eksperimental
untuk mendapatkan data.
Data-data eksperimental biasanya dinyatakan
dalam bentuk rumus empiris. Rumus empiris
terhadap soal yang serupa digunakan sebagai
korelasi data untuk penyelesaiannya.
Untuk menganalisis perpindahan kalor konveksi
dikelompokkan terhadap geometri dan jenis aliran
fluida

Aliran melintas di atas plat datar
laminer ( Re < 5 x 105 )
turbulen ( Re > 1 x 106 )

h. x

Nu x 
k

h.L
NuL 
k

1. Untuk aliran laminer ( Re < 5 x 105 )
1/2
1/3

0,332
Pr Rex
Untuk plat yang dipanaskan seluruhnya, Nux

Bila fluk kalor tetap:

1/2
1/3


0,453
Nux
Pr Rex

Catatan: sifat pd Tf dan suhu dinding dijaga tetap

Nilai koefisien perpindahan kalor rerata ;

h.L
NuL 
k

0,664 Pr1/3 Rex1/2

2. Untuk aliran turbulen ( Re > 1 x 106 )
Untuk plat yang dipanaskan seluruhnya, oleh Nusselt
0,8
1
NuL  Pr 3 ( 0,037ReL - 850)
dengan ketentuan:

0,6 < Pr < 60
5 x 105 < Re < 108
Sedangkan Whitaker menyatakan bahwa:
0,43 ( Re 0,8

NuL  0,036Pr

L

1/ 4

 μ 
- 9200) 

 μw 

dengan ketentuan:
sifat fluida dievaluasi pada suhu film Tf kecuali  dan w
0,7 < Pr < 380
105 < Re < 5,5 x 106