Makalah Perpindahan Panas KONVEKSI PAKSA
OLEH: Kelompok 7
1.
Kartika Meilinda Krisna
2.
Yolanda Desriani
Kelas: 4 KB
Dosen Pembimbing: Ir. Aida Syarief, M.T
POLITEKNIK NEGERI SRIWIJAYA 2012
1
KATA PENGANTAR
Segala puji bagi Allah SWT atas nikmat dan karunia-Nya penyusun dapat menyelesaikan penyusunan makalah berjudul ““KONVEKSI KONVEKSI PAKSA” PAKSA ” ini. Salawat dan salam juga penyusun penyusun persembahkan persembahkan kepada Nabi Besar Muhammad Muhammad SAW beserta keluarga, keluarga, sahabat serta pengikutnya sampai akhir zaman. Penyusun menyadari bahwa makalah ini masih banyak kekurangan dan jauh dari kesempurnaan. Untuk itu penulis masih mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun guna penyempurnaan makalah di masa datang. Dalam penyelesaian skripsi ini penyusun banyak mendapatkan bantuan dan pengarahan dari berbagai pihak terutama dari dosen pembimbing. Maka pada kesempatan ini penyusun ingin mengucapan terima kasih yang tulus kepada Ir. Aida Syarief,M.T selaku dosen pembimbing mata kuliah Perpindahan Panas. Atas semua bantuan dan bimbingan yang telah diberikan kepada penulis, semoga akan mendapatkan imbalan yang setimpal dari Allah SWT. Akhir kata penyusun mengharapkan semoga makalah ini dapat bermanfaat dan berguna baik bagi penyusun maupun bagi pembaca, Amin.
Palembang,
Maret 2012
Penyusun
2
DAFTAR ISI Kata Pengantar Pengantar ................................................... ................................................... i
Daftar Isi................................................................................................................ ii
Bab I Pendahuluan............................................................................................... 1
Bab II Tinjauan Pustaka........................................................................................ 3
Bab III Aplikasi Perpindahan Perpindahan Panas.............................................. Panas.............................................. ....................... 10
Bab IV Penutup.................................................................................................. .. 11
Daftar Pustaka........................................................................................................ 12
3
BAB I PENDAHULUAN
I.
LATAR BELAKANG
Perpindahan kalor dari suatu zat ke zat lain seringkali terjadi dalam industri proses. Pada kebanyakan pengerjaan, diperlukan pemasukan atau pengeluaran kalor, untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Kalor mengalir dengan sendirinya dari suhu yang tinggi ke suhu yang rendah. Akan tetapi, gaya dorong untuk aliran ini ada1ah perbedaan suhu. Bila sesuatu benda ingin dipanaskan, maka harus dimiliki sesuatu benda lain yang lebih panas, demikian pula halnya jika ingin mendinginkan sesuatu, diperlukan benda lain yang lebih dingin. Mekanisme perpindahan kalor dibagi menjadi tiga, yaitu: 1. Perpindahan panas secara konduksi 2. Perpindahan panas secara konveksi 3. Perpindahan panas secara radiasi
Konveksi ialah pengangkutan ka1or oleh gerak dari zat yang dipanaskan. Proses perpindahan ka1or secara aliran/konveksi merupakan satu fenomena permukaan. Proses konveksi hanya terjadi di permukaan bahan. Jadi dalam proses ini struktur bagian dalam bahan kurang penting. Keadaan permukaan dan keadaan sekelilingnya serta kedudukan permukaan itu adalah yang utama. Lazimnya, keadaan keseirnbangan termodinamik di dalam bahan akibat proses konduksi, suhu permukaan bahan akan berbeda dari suhu sekelilingnya. Dalam hal ini dikatakan suhu permukaan adalah T1 dan suhu udara sekeliling adalah T2 dengan Tl>T2. Kini terdapat keadaan suhu tidak seimbang diantara bahan dengan sekelilingnya. Perpindahan kalor dengan jalan aliran dalam industri kimia merupakan cara pengangkutan kalor yang paling banyak dipakai. Oleh karena konveksi hanya dapat terjadi melalui zat yang mengalir,maka bentuk pengangkutan ka1or ini hanya terdapat pada zat cair dan gas. Pada pemanasan zat ini terjadi aliran, karena masa yang akan dipanaskan tidak sekaligus di bawa kesuhu yang sama tinggi.
4
Oleh karena itu bagian yang paling banyak atau yang pertama dipanaskan memperoleh masa jenis yang lebih 1 kecil daripada bagian masa yang lebih dingin. Sebagai akibatnya terjadi sirkulasi, sehingga kalor akhimya tersebar pada seluruh zat.
Gambar Perpindahan panas konveksi. (a) konveksi paksa, (b) konveksi alamiah, (c) pendidihan, (d) kondensasi
Konveksi adalah proses perpindahan kalor dari satu bagian fluida ke bagian lain fluida oleh pergerakan fluida itu sendiri. Konveksi dibedakan menjadi dua jenis, yaitu konveksi alamiah dan konveksi paksa . Konveksi alamiah merupakan pergerakan fluida yang terjadi akibat perbedaan massa jenis. Bagian fluida yang menerima kalor/dipanasi memuai dan massa jenisnya menjadi lebih kecil, sehingga bergerak ke atas. Kemudian tempatnya akan digantikan oleh bagian fluida dingin yang jatuh ke bawah karena massanya jenisnya lebih besar. Sedangkan pada konveksi paksa , fluida yang telah dipanasi akan langsung diarahkan tujuannya oleh sebuah blower atau pompa.
5
II.
TUJUAN
Makalah ini bertujuan untuk memperdalam pengetahuan mahasiswa mengenai konveksi paksa didalam proses perpindahan panas, sehingga pada akhirnya mahasiswa akan mampu : 1.
Menjelaskan mekanisme terjadinya perpindahan panas konveksi
2.
Menjelaskan film koefisien pada konveksi
3.
Menjelaskan bilangan aliran fluida di dalam pipa
4.
Menghitung panas konveksi dan film koefisien pada aliran fluida
5.
Menghitung friksi aliran fluida di dalam pipa
III. PERMASALAHAN
– point yang menjadi pokok permasalahan dalam Dalam makalah ini ada beberapa point – point perpindahan panas mengenai konveksi paksa yaitu : a. Bagaimana mekanisme terjadinya perpindahan panas konveksi? b. Bagaimana bilangan aliran fluida di dalam pipa? c. Bagaimana film koefisien pada konveksi? d. Bagaimana aplikasi konveksi paksa dalam industri?
6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Konveksi adalah perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan partikel-partikelnya. Konveksi adalah proses perpindahan kalor dari satu bagian fluida kebagian lain fluida oleh pergerakan fluida itu sendiri. konveksi terjadi karena perbedaan massa jenis dan konveksi hanya terjadi pada zat cair dan gas.Untuk menyelidiki perpindahan kalor secara mengalir , digunakan alat konveksiair dan alat konveksi udara. Proses perpindahan kalor secara konveksi dibedakan menjadi dua yaitu konveksi alamiah dan konveksi paksa. Konveksi alamiah adalah perpindahan kalor yang terjadi secara alami atau pergerakan fluida yang terjadi akibat perbedaan massa jenis, contoh: pemanasan air. Bagian fluida yang menerima kalor/dipanasi memuai dan massa jenisnya menjadi lebih kecil, sehingga bergerak ke atas. Kemudian tempatnya akan digantikan oleh bagian fluida dingin yang jatuh ke bawah karena massanya jenisnya lebih besar. Pada pemanasan pemanasan air, massa jenis air yang dipanasi dipanasi mengecil sehingga sehingga air yang panas naik digantikan air yang massa jenisnya lebih besar.Konveksi paksa adalah konveksi yang terjadi dengan sengaja (dipaksakan),contoh: pada sistem pendingin mesin mobil. Contoh peristiwa konveksi diantaranya: (1).Lampu minyak dan sirkulasi udara diruang tamu (2).Cerobong asap pabrik dan cerobong asap dapur (3). Terjadinya angin darat maupun angin laut Dalam mempelajari dasar konveksi perhatikan gambar di bawah ini.
Gambar 1. Konveksi paksa pada aliran fluida dalam pipa Pipa di atas mengalami konveksi paksa pada bagian dalam dan luar pipa. Pada bagian dalam pipa mengalir fluida panas dan pada bagian luar mengalir fluida dingin. Tahanan pada bagian dalam adalah Ri
7
dan luar Ro sedangkan temperature bagian dalm dinyatakan dengan Tp dan diluar pipa Tw. Dalam keadaan steady, panas yang terjadi :
( )
( ( )
Ti adalah temperature fluida panas didalam dan to adalah temperature fluida dingin. Dengan mengganti symbol tahanan dengan hi dan ho, maka: q = hi. Ai. ∆to kebalikan dari tahanan perpindahan panas memiliki dimensi dimensi : Btu/(hr)(ft2)(f o dari beda tekanan) dan disebut individual film coefisient.
Laju Perpindahan kalor
Untuk menyatakan laju perpindahan panas dinyatakan sebagai fluks kalor perhitungannya Didasarkan atas luas perpindahan panas sehingga fluks kalor didefenisikan sebagai laju perpindahan panas persatuan luas dengan satuan Btu / jam s atau Watt / m 2 atas dasar luas bidang tempat berlangsungnya aliran kalor. Selanjutnya, fluks kalor dihubungkan dengan perbedaan temperature yang ditentukan melalui koefisien perpindahan panas konveksi (konduktans konveksi) h yang didefenisikan sebagai ber ikut :
q A
h T
Tw > T q = h A (Tw- T ) Keterangan : q
= laju perpindahan panas (Kj/det atau W)
h
= koefisien perpindahan panas konveksi (W/m . C)
A
= luas permukaan(ft2 atau m2)
2
o
o
Tw = temperatur temperatur dinding dinding ( C, F, K) o
o
T = temperatur sekeliling ( C, F, K)
8
o
Jika h dan
t diketahui , maka
q A
dapat dihitung. Untuk sebuah tahanan termal dalam peristiwa
konveksi didefinisikan sebagai berikut : R=
1
h
Dimana : R = tahanan termal konvektif h = konduktan konvektif Tabel Nilai Kira - Kira Koefisien Perpindahan – Kalor Konveksi
Koefisien pindah panas digunakan dalam perhitungan pindah panas konveksi atau perubahan fase antara cair dan padat. Koefisien pindah panas banyak dimanfaatkan dalam ilmu termodinamika termodinamika dan mekanika serta teknik kimia.
di mana :
ΔQ = panas yang masuk atau panas yang keluar, W h = koefisien pindah panas, W/(m2K)
9
A = luas permukaan pindah panas, m2
ΔT = perbedaan temperatur antara permukaan padat dengan luas permukaan kontak dengan fluida, K
Dari persamaan di atas, koefisien pindah panas adalah koefisien proporsionalitas antara fluks panas, Q/(A
delta t), dan perbedaan temperatur, ΔT, yang menjadi penggerak utama perpindahan panas. Satuan SI dari koefisien pindah panas adalah watt per meter persegi-kelvin , W/(m2K). Koefisien pindah panas berkebalikan dengan insulasi termal. Pada kasus pindah panas pada pipa yang melingkar, fluks panas bergantung pada diameter dalam dan diameter luar dari pipa, atau tebalnya. Namun jika tebal pipa sangat tipis jika dibandingkan dengan diameter dalamnya, maka perhitungannya:
di maka k adalah konduktivitas konduktivitas termal dari material dinding dan x adalah ketebalan dinding. Penggunaan asumsi ini bukan berarti mengasumsikan mengasumsikan bahwa ketebalan dinding diabaikan, namun diasumsikan bahwa perpindahan panas adalah linier pada satu garis, tidak tersebar dari satu titik di pusat pipa ke segala arah penampang melintang pipa. Jika asumsi di atas tidak berlaku, maka koefisien pindah panas dapat dihitung dengan menggunakan: menggunakan:
() )
di mana di adalah diameter dalam dan do adalah diameter luar.
Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh: Menyeluruh: Hubungan fluks kalor dengan gaya pendorong ialah sebanding. Dalam aliran kalor gaya dorong adalah Th-Tc. Th adalah temperature rata-rata untuk fluida panas dan Tc adalah temperature rata-rata untuk fluida dingin, sehingga hubungan tersebut dapat didefinisikan sebagai berikut:
q A
U (Th Tc) U .T
Keterangan:
q A
= fluks kalor
U = koefisien perpindahan panas menyeluruh Th = temperature rata-rata fluida panas Tc = temperature rata-rata fluida dingin dingin
t = perbedaan temperature
10
Panas yang dipindahkan pada peristiwa konveksi dapat berupa panas laten dan panas sensible. Panas laten adalah panas yang menyertai proses perubahan fasa, sedang panas sensible adalah panas yang berkaitan dengan kenaikan atau penurunan temperatur tanpa perubahan fasa. Rumus Empiris untuk aliran dalam pipa/tabung
Besarnya perpindahan kalor yang terjadi pada suatu penampang/saluran yang berbentuk pipa/tabung dapat dinyatakan dengan beda suhu limbak (bulk temperature): q = m.Cp(Tb2 – Tb1) = h.A(Tw – Tb)
m = ρ.Um.A Untuk mengetahui apakah alirannya laminar atau turbulen maka dibutuhkan bilangan Reynold
Re Dimana : m
= laju aliran fluida (kg/s)
Cp
= Panas jenis (kj/kg. C)
Tb
= Suhu limbak
Tw
= Suhu dinding
Um
= Kec. Rata-rata (m/s)
μ
= Kekentalan (kg/m.s)
ρ
= Kerapatan (kg/m3
11
0
.U m d
Perpindahan panas dengan konveksi di dalam aliran laminar membahas 3 macam perpindahan panas: 1. Perpindahan Panas Aliran Laminar ke Pelat Rata
Gambar Perpindahan panas aliran laminar ke pelat datar Kecepatan fluida yang mendatangi plat, dan pada tepi lapisan batas , serta diluar lapisan batas OA adalah Vo. Suhu fluida yang mendatangi plat, dan pada tepi lapisan batas termal, serta diluar lapisan batas termal O’B adalah T Sifat-sifat fluida berikut ini adalah konstan dan tidak bergantung pada suhu : densitas , konduktivitas k , kalor spesifik c p, dan viskositas . Hubungan persamaan untuk kondisi diatas:
h x . X k
0,332
x 3 1 o x
(1) Keterangan:
3 / 4
.3
Cp V o . . k
(2)
(3)
hx
= konduktif konvektif pada arah x
X
= jarak dari tepi depan
k
= konduktivitas termal
xo
= jarak antara a ntara lapisan hidrodinamik dengan lapisan termal
(1)
= dikenal sebagai angka Nusselt (N Nu,x)
(2)
= dikenal sebagai angka Prandtl (N Pr)
(3)
= dikenal sebagai angka Reynolds (N Re,x)
Bila pelat dipanaskan secara keseluruhan dan xo=0, maka penyusunan kembali persamaan tersebut: N Nu,x = 0,332 N Pr . N Re, x
12
2. Perpindahan Panas Aliran Laminar didalam tabung
Gambar Perpindahan panas aliran laminar didalam tabung Hubungan persamaannya adalah:
N FO
.t T
r 2 m
Keterangan:
4 k .t T
Cp . . D 2
4k L
Cp . . D 2 .V
NFO
= angka Fourier
rm
= jari-jari tabung (m, cm, ft)
tT
= total waktu pemanasan dan pendinginan (sekon, menit, jam)
D
= diameter tabung (m, cm, ft)
V
= kecepatan fluida (m/s, ft/s)
L
= panjang lintasan tabung (m, ft )
Hubungan Angka Fourier dengan Angka Graetz dan Angka Pecklet * Angka Graetz O
N Gz
m Cp kL
O
dimana: m
,
Keterangan:
4
VD 2
NGz = angka Graetz o
m = laju aliran massa *Angka Pecklet
N Pe N Re . N N Pr
=
13
D.V . Cp
k
.V .Cp. D k
D.V
k
.Cp
Keterangan:
= defasivitas termal
NPe = angka Peclet Jadi,hubungan ketiga angka tersebut adalah:
N Gz
D 4 L
N Pe
N Fo
3. Perpindahan Panas Aliran Berkembang Penuh Distribusi temperatur didefinisikan sebagai berikut:
Tw Tb Tw Ta
0,81904.e 3, 65 / N 0,09760.e 22,31 / N 0,01896.e 53 / N ..... Gz
Gz
Gz
Koefisien perpindahan panas individual (hi) ialah nilai rata-rata di sepanjang pipa itu dan untuk kasus dimana suhu dinding konstan, dihitung sebagai berikut: O
hi
m Cp(Tb Ta)
D. LT L
Dimana
TL
Tw Ta D. L Tw Tb mCp
ln
Tw Ta (Tw Tb) Tw Ta Tw Tb
ln
Keterangan:
Tw = temperature dinding Tb = temperature keluar Ta = temperature masuk
Perpindahan panas dengan konveksi di dalam aliran turbulen Persamaan empirik empirik Hubungan empirik untuk tabung dengan menggunakan persamaan SIEDER-STATE: 0 ,8
DG Cp. 0,023 k k
hi. D
N Nu 0,023 N Re
0 ,8
14
1
1 3
. w
N Pr 3 v 0,14
0,14
atau
Keterangan:
G = kecepatan massa fluida
w = μ pada T w
v = faktor korelasi viskositas Untuk mencari nilai w harus dicari terlebih dahulu T w(karena w adalah harga pada temperatur Tw).
Untuk Pemanasan : Tw = T +
Untuk Pendinginan:
Ti
Tw = T - Ti
1
Ti
1
hi
hi Di Do
individu pada pada permukaan permukaan tabung. T , ho adalah perpindahan panas individu
ho
Perbedaan konveksi alamiah dengan konveksi paksa
15
BAB III APLIKASI PERPINDAHAN PANAS
Contoh konveksi Paksa: 1. Sistem suplai air panas Prinsip kerja : Air panas di dalam ketel naik ke bagian atas tangki penyimpan. Air dingin di dalam tangki utama kemudian turun menuju ke ketel untuk dipanaskan. Tangki utama dihubungkan ke suplai air dingin oleh katup yang dikendalikan oleh pelampung. Jika ketinggian air di dalam tangki utama berada di bawah ketinggian minimum tertentu, maka pelampung akan membuka katup suplai air. Pipa luapan berfungsi mengalirkan luapan air panas yang dihasilkan ke dalam tangki utama.
Gambar konveksi air dalam suplai air panas 2. Lemari 2. Lemari es Prinsip kerja : Udara dingin pada kompartemen pendingin bergerak ke bawah, dan tempatnya digantikan oleh udara hangat yang naik dari bagian bawah dan didinginkan oleh pipa-pipa pendingin. Pergerakan udara ini menghasilkan arus konveksi alamiah udara. Arus konveksi udara ini akan mendinginkan semua makanan yang disimpan di dalam lemari es.
Sistem konveksi udara pada lemari es
16
BAB IV KESIMPULAN
Konveksi paksa adalah konveksi yang terjadi dengan sengaja (dipaksakan). Konveksi paksa dapat terjadi dalam aliran laminer dan turbulen. Untuk mengetahui mengetahui apakah alirannya laminar atau turbulen pada konveksi paksa maka dibutuhkan bilangan Reynold
Re
.U m d
Konveksi paksa tanpa perubahan fase di dalam aliran laminer dapat terjadi pada 3 jenis, yaitu: 1.
Pada pelat rata atau datar
2.
Pada tabung
3.
Pada aliran berkembang
17
DAFTAR PUSTAKA
Syarif, aida dkk.2011. Perpindahan Panas . Palembang: POLSRI http://id.wikipedia.org/wiki/Koefisien http://id.wikipedia.org/wiki/Koefisien_pindah_pana _pindah_panass http://elektindo.com/link/aplikasi-konveksi-paksa http://repository.usu.ac.id/bitstr http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789 eam/123456789/19614/4/Chapt /19614/4/Chapter%20II.pdf er%20II.pdf http://canbelajar.blogspot.com/201 http://canbelajar.blogspot.com/2011/03/konveksi-ala 1/03/konveksi-alamiah-vs-konveksi-paksa.h miah-vs-konveksi-paksa.html tml http://www.scribd.com/doc/50259128/7/Konveksi-Paksa http://id.answers.yahoo.com/question http://id.answers.yahoo.com/question/index?qid=2009 /index?qid=20090507010213AAFO 0507010213AAFOK5G K5G http://www.4shared.com/office/1orrTxi6 http://www.4shared.com/ office/1orrTxi6/perpindahan_p /perpindahan_panas_konveksi_pa anas_konveksi_pak.html k.html http://tekim.undip.ac.id/images/down http://tekim.undip.ac.id/images/download/PERPINDAH load/PERPINDAHAN_PANAS.pdf AN_PANAS.pdf http://www.google.co.id/url?sa=t&rct=j& http://www.google.co.id/u rl?sa=t&rct=j&q=menghitung% q=menghitung%20panas%20konveksi 20panas%20konveksi%20dan%20% %20dan%20%20film%2 20film%2 0koefisien%20pada%20aliran% 0koefisien%20pada%20aliran%20fluida&source=web& 20fluida&source=web&cd=3&ved=0CDkQFjAC&u cd=3&ved=0CDkQFjAC&url=http://radi rl=http://radi ks.files.wordpress.com/2010/09/tugas-ot ks.files.wordpress.com/2 010/09/tugas-otk-ii-kelompok-6-perpin k-ii-kelompok-6-perpindahandahan panas.docx&ei=QxtjT4LzFYyqrAel0v28Bw&us panas.docx&ei=QxtjT4LzF YyqrAel0v28Bw&usg=AFQjCNFeIRgfuC1NQi8o g=AFQjCNFeIRgfuC1NQi8orL48YhgdrMvv5g rL48YhgdrMvv5g http://www.scribd.com/doc/49015811/tgas-papp http://rezdy.blogsome.com/2008/12/ http://rezdy.blogsome.com/2008/12/06/konveksi/ 06/konveksi/ http://fisikaxh3.blogspot.com/20 http://fisikaxh3.blogspot.com/2008/03/konveksi-kegiat 08/03/konveksi-kegiatan-68-hal-138.htm an-68-hal-138.htmll
Mc.Cabe, W.L., Smith, J.C. dan Harriott, P., Unit Operations of Chemical Engineering , Jilid1, McGrawHill, Singapore, 1985.
18
