PERPINDAHAN PANASJURUSAN TEKNIK MESIN UNIMUS

PENGANTAR PERPINDAHAN PANASPerpindahan Panas KonduksiPerpindahan Panas KonveksiPerpindahan Panas RadiasiMacam-macam Perpindahan Panas

Perpindahan Panas KonduksiAdalah proses transport panas dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah dalam satu medium (padat, cair atau gas), atau antara medium medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung

Dinyatakan dengan :

Perpindahan Panas KonduksiDimana :q = Laju perpindahan panas (w)A = Luas penampang dimana panas mengalir (m2)dT/dx = Gradien suhu pada penampang, atau laju perubahan suhu T terhadap jarak dalam arah aliran panas x k = Konduktivitas thermal bahan (w/moC)

contoh:

Salah satu permukaan sebuah plat tembaga yang tebalnya 3 cm mempunyai suhu tetap 400 0C, sedangkan suhu permukaan yg sebelah lagi dijaga tetap 100 0C. Berapa kalor yang berpindah melintasi lempeng itu?Perpindahan Panas Konduksi

PenyelesaianDari lampiran A terlihat konduktivitas termal tembaga adalah 370 W/m 0C. Dari hk. Fourier :Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan Panas Konveksi Adalah transport energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan, energi dan gerakan mencampur. Proses terjadi pada permukaan padat (lebih panas atau dingin) terhadap cairan atau gas (lebih dingin atau panas).

q = h A (T)

Dimana :q = Laju perpindahan panas konveksih = Koefisien perpindahan panas konveksi (w/m2 0C)A = Luas penampang (m2)T = Perubahan atau perbedaan suhu (0C; 0F)Perpindahan Panas Konveksi

Contoh:Udara pada suhu 20 0C bertiup diatas plat panas 50 x 75 cm. Suhu plat dijaga tetap 250 0C. Koefisien perpindahan kalor konveksi adalah 25 W/m2 0C. Hitunglah perpindahan kalor.PenyelesaianDari persamaan : q = h A (Tw - T) = (25)(0,50)(0,75)(250 20) = 2,156 kWPerpindahan Panas Konveksi

Perpindahan Panas RadiasiAdalah proses transport panas dari benda bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah, bila benda benda itu terpisah didalam ruang (bahkan dalam ruang hampa sekalipun

q = A (T14 T24)

Perpindahan Panas RadiasiDimana : = Konstanta Stefan-Boltzman 5,669 x10- 8 w/m2 k4A = Luas penampangT = Temperatur

Contoh:Dua plat hitam tak berhingga yang suhunya masing masing 800 0C dan 300 0C saling bertukar kalor melalui radiasi. Hitunglah perpindahan kalor persatuan luas.PenyelesaianDari persamaan:q = A (T14 T24)q/A = (T14 T24)q/A = (5,669 x 10-8)(10734 5734)q/A = 69,03 kW/m2 Perpindahan Panas Radiasi

KONDISI KEADAAN TUNAK SATU DIMENSIDinding DatarLaju perpindahan panas secara konduksi telah kita dapatkan Atau :

Bilamana konduktivitas thermal bahan tetap, tebal dinding adalah x, sedang T1 dan T2 adalah suhu permukaan dinding seperti terlihat pada gambar berikut :KONDISI KEADAAN TUNAK SATU DIMENSI

Jika dalam sistem tersebut terdapat lebih dari satu macam bahan, dan terdiri dari beberapa lapis dinding seperti terlihat pada gambar berikut :KONDISI KEADAAN TUNAK SATU DIMENSI

Aliran kalor dapat dituliskan :atau :KONDISI KEADAAN TUNAK SATU DIMENSI

Dimana :Disebut sebagai Tahanan ThermalKONDISI KEADAAN TUNAK SATU DIMENSI

Dari Gambar dapat juga kita buat analogi listriknya:Analogi listrik digunakan untuk mempermudah memecahkan soal-soal yang rumit baik yang seri maupun paralel.KONDISI KEADAAN TUNAK SATU DIMENSI

Persamaan aliran kalor satu dimensi dapat juga dituliskan sebagai berikut apabila kasusnya seperti pada gambar berikut ini: KONDISI KEADAAN TUNAK SATU DIMENSI

Sistem Silinder - RadialMari kita tinjau suatu silinder panjang dengan jari-jari dalam ri, jari-jari luar ro dan panjang LKONDISI KEADAAN TUNAK SATU DIMENSI

Dimana silinder ini mengalami beda suhu Ti To. Untuk silinder yang panjangnya sangat besar dibandingkan dengan diameternya, dapat diandaikan bahwa aliran kalor berlangsung menurut arah radial.Maka laju aliran panas yang terjadi dapat kita tuliskan :KONDISI KEADAAN TUNAK SATU DIMENSI

Dimana :A = 2rLMaka :Dengan kondisi batas :T = Ti pada r = riT = To pada r = roKONDISI KEADAAN TUNAK SATU DIMENSI

Bila persamaan diatas diintegralkan didapat :

Dan tahanan thermal disini adalah :

KONDISI KEADAAN TUNAK SATU DIMENSI

Koefisien Perpindahan Kalor MenyeluruhKONDISI KEADAAN TUNAK SATU DIMENSI

Sehingga laju aliran kalor menyeluruh menjadi:

Dimana :Uo= koefisien perpindahan kalor menyeluruhA= luas bidang aliran kalorTm= beda suhu menyeluruhKONDISI KEADAAN TUNAK SATU DIMENSI

Sistem dengan sumber kalorDinding datar dengan sumber kalorKONDISI KEADAAN TUNAK SATU DIMENSI

Laju aliran panas yang dibangkitkan disini sama dengan rugi kalor pada permukaan, dan untuk mendapatkan besar suhu pusat:

Untuk silinder dengan sumber kalor:

KONDISI KEADAAN TUNAK SATU DIMENSI

Perhatikan sebuah benda dua dimensi yang dibagi atas sejumlah jenjang yang kecil yang sama pada arah x dan y seperti terlihat pada gambar:KONDISI KEADAAN TUNAK DIMENSI RANGKAP

Jika x =y maka gradien suhu :

Laju Aliran Panas :

KONDISI KEADAAN TUNAK DIMENSI RANGKAP

Contoh:Tentukan :Distribusi SuhuLaju Aliran PanasKONDISI KEADAAN TUNAK DIMENSI RANGKAP

Distribusi suhu:T2 + 100 + 500 + T3 4T1 = 0100 + T1 + 500 + T4 4T2 = 0T4 + 100 + T1 + 100 4T3 = 0100 + T3 + T2 + 100 4T4 = 0

Atau :

600 + T2 + T3 4T1 = 0 .............(1)600 + T1 + T4 4T2 = 0 .............(2)200 + T1 + T4 4T3 = 0 .............(3)200 + T3 + T2 4T4 = 0 .............(4)

Dimana :

T1 = T2T3 = T4KONDISI KEADAAN TUNAK DIMENSI RANGKAP

Dari Persamaan (1)600 + T2 + T3 4T1 = 0600 + T1 + T3 4T1 = 0600 + T3 3T1 = 0 ...................(5)

Dari Persamaan (3)

200 + T1 + T4 4T3 = 0200 + T1 + T3 4T3 = 0200 + T1 3T3 = 0 ..................(6)

Maka dari persamaan (5) dan (6)KONDISI KEADAAN TUNAK DIMENSI RANGKAP

600 + T3 3T1 = 0600 + T3 3T1 = 0

200 + T1 3T3 = 0600 + 3T1 9T3 = 08T3 = 1200T3 = 150 0CSubstitusi ke pers (5) atau (6)600 + T3 3T1 = 0600 + 150 3T1 = 0750 = 3T1T1 = 250 0CMaka : T1 = T2 = 250 0CT3 = T4 = 150 0C1200 8T3 = 0 KONDISI KEADAAN TUNAK DIMENSI RANGKAP

Laju Aliran Panas :

Untuk Permukaan 500 0CQ = -k(x/y)[250 - 500] +[250 - 500] = - k (-500) = 500 kUntuk Permukaan 100 0CQ = -k(x/y)[250 100] + [150 100] + [150 100] + [150 100] + [150 100] + [250 100] = - 500 k KONDISI KEADAAN TUNAK DIMENSI RANGKAP

PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI PAKSA 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 = .Um.AUntuk mengetahui apakah alirannya laminar atau turbulen maka dibutuhkan bilangan Reynold:PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI PAKSA

Dimana :m= laju aliran fluida (kg/s)Cp= Panas jenis (kj/kg.0C)Tb= Suhu limbakTw= Suhu dindingUm= Kec. Rata-rata (m/s)= Kekentalan (kg/m.s)= Kerapatan (kg/m3)PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI PAKSA

Untuk Aliran Turbulen :

Nud = 0,023.Re0,8. Prn = h.d/k..............pipa licin

Untuk pipa licin dgn faktor gesekDimana:n = 0,11 jika Tw >Tbn = 0,25 jika Tw < Tb

PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI PAKSA

Untuk Aliran Laminar:

Contoh:Tabung yang diameternya 2 cm mempunyai kekasaran relatif 0,001 berada pada suhu dinding tetap 90 0C. Air masuk kedalam tabung pada suhu 40 0C dan yang keluar adalah 60 0C. Jika kecepatan masuk ialah 3 m/s hitunglah panjang tabung yang diperlukan.PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI PAKSA

Jwb :q = m.Cp(Tb2 Tb1) = h.A(Tw Tb) = .Um.A.Cp(60 - 40) = .Um.r2.Cp(60 40)Untuk mendapatkan harga dan Cp kita gunakan tabel dan menggunakan rumus interpolasi : Dari temperatur limbak :Tb = (60 +40)/2 = 50 0CMaka : = 990 kg/m3Cp= 4181 j/kgMaka :q = 990.3. .(0,01)2.4181(60 40)q = 77982 WPERPINDAHAN KALOR KONVEKSI PAKSA

PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI PAKSA

Untuk permukaan tabung dengan kekasaran relatif, temperatur rata-ratanya:Tf= (90+50)/2 = 70 0C= 980 kg/m3k= 0,660 w/m0CPr= 2,62= 0,421x10-6m2/s= . = 4,126x10-4 kg/m.sRe= 142.510..TurbulenMaka rumus yang digunakan :

PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI PAKSA

Dari diagram mody didapat harga f = 0,0215Maka f/8 = 0,002688n = 0,11 karna Tw > Tbb= b.vb = 990.0,568x10-6 = 5,62x10-4 kg/m.sw= w.vw = 967 . 0,33x10-6 m2/s = 3,19x10-4 kg/m.s maka :Nud = 640 =h.d/kh = (640x0,66)/0,02 = 21120 w/m2 0CPERPINDAHAN KALOR KONVEKSI PAKSA

PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI PAKSA

Maka panjang tabung :L = 1,47 mq = h.A(Tw Tb)q = h. .d.L(Tw Tb) = 77982 wPERPINDAHAN KALOR KONVEKSI PAKSA

RADIASI TERMALJika suatu benda ditempatkan dalam pengurung, dan suhu pengurung lebih rendah dari pada suhu benda, maka suhu benda tersebut akan turun, sekalipun ruang dalam pengurung tersebut hampa. Proses pemindahan panas yang terjadi hanya semata karena benda suhu dan tanpa bantuan zat perantara (medium), disebut perpindahan panas radiasi

Ditinjau dari gelombang elektromagnetik, energi radiasi dibawa oleh gelombang elektomagnetik .Ada banyak jenis radiasi, yaitu dari radiasi sinar gama ,sinar x, radiasi termal hingga radiasi gelombang radio (dari spektrum panjang gelombang pendek sampai yang berpanjang gelombang panjang).

Sedang radiasi termal, energi pancarannya adalah ditentukan berdasar dari suhu benda tersebut. Daerah spektrum panjang gelombang radiasi termal adalah dari 0 , 1 sampai dengan 100 mikronRadiasi matahari juga merupakan radiasi termal dengan daerah panjang gelombang khusus yaitu 0, 25 sampai dengan 3 mikron.

RADIASI BENDA HITAM Benda hitam adalah idealisasi benda yang pada suhu berapapun, memancarkan atau menyerap seluruh radiasi pada panjang gelombang tertentu manapun (disebut Radiator sempurna).Daya pancar benda hitam tergantung dari suhu dan panjang gelombangnya, seperti terlihat dari persamaan berikut :

Untuk materi seterus Sedang dalam perbaikan