Perpindahan Kalor Dasar Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya

Komponen Penilaian: Tugas/Quiz : 20 % UTS : 35 % UAS : 45 % Total : 100 % Kehadiran minimal 75 % dari jlh Kehadiran.

PERPINDAHAN KALOR DASAR (HEAT TRANSFER PRINCIPLES) Perpindahan Kalor adalah energi yang berpindah akibat adanya suatu perbedaan temperatur. Kapanpun, bila terdapat suatu perbedaan temperatur dalam suatu media atau antara dua media, perpindahan energi (kalor) akan terjadi. Ilmu Perpindahan Kalor: 1. Menjelaskan bagaimana energi (kalor) tersebut berpindah. 2. Memprediksi laju perpindahan energi pada kondisi-kondisi tertentu. Perpindahan Kalor dapat terjadi dengan 3 (tiga) cara/modus: 1). Secara Konduksi (Hantaran) 2). Secara Konveksi (Aliran) 3). Secara Radiasi (Pancaran)

- Konduksi melalui suatu benda (solid) atau fluida diam - Konveksi dari suatu permukaan ke suatu fluida bergerak - Pertukaran Kalor (Radiasi Termal) antara 2 permukaan yang mempunyai temperatur yang berbeda. T1 > T2 T1 T2 q Fluida Bergerak, TL Ts > TL q Ts q1 Radiasi termal adalah energi yang dipancarkan dari benda-benda oleh gelombang elektromagnetik. q2 T1 T2

Benda-benda dalam hal ini dapat berupa benda padat, cair atau gas. I Benda-benda dalam hal ini dapat berupa benda padat, cair atau gas. I. PERPINDAHAN KALOR KONDUKSI (HANTARAN) Perpindahan Kalor konduksi adalah perpindahan kalor dari suatu bagian ke bagian lain dari suatu material (bahan) yang sama atau dari suatu bahan ke bahan lain yang bersentuhan secara fisik (kontak langsung). Laju perpindahan kalor konduksi: Q = - k . A . dimana: Q = laju perpindahan kalor (Watt atau Btu/jam) k = konduktivitas termal

A = luas penampang (m2 atau ft2) = gradien suhu ke arah perpindahan kalor (C/m atau F/ft) Logam-logam, pada umumnya, adalah konduktor yang baik atau mempunyai konduktivitas termal yang tinggi sedangkan asbestos-cement board, plywood dan aspal (asphalt) adalah konduktor yang buruk (isolator yang baik).

Tabel: Konduktivitas Termal (k) dari beberapa Bahan k (Watt/m.K) Perak (Silver), Ag 429 Tembaga (Copper), Cu 401 Aluminium Murni, Al 237 Rhodium, Rh 150 Nikel (Nickel), Ni 90,7 Stainless Steel, AISI 302 15,1 Concrete Block, 20 cm thick 1,1 Asbestos-Cement Board 0,58 Plywood 0,12 Aspal (Asphalt) 0,062

Hampir semua logam murni, konduktivitas termalnya menurun dengan kenaikan temperatur sedangkan konduktivitas termal bahan-bahan paduan dapat meningkat atau menurun dengan kenaikan temperatur. Gradien temperatur melalui suatu pelat dimana kalor mengalir dari sisi temperatur tinggi ke sisi temperatur rendah seperti terlihat pada kurva berikut ini. (a) (b) (c) Gbr. Gradien temperatur melalui pelat yang mempunyai karakteristik konduktivitas termal yang berbeda

Keterangan Gambar: (a) Keterangan Gambar: (a) : Konduktivitas termal dari bahan tidak berubah dengan perubahan temperatur. (b) : Konduktivitas termal dari bahan meningkat dengan peningkatan temperatur. (c) : Konduktivitas termal dari bahan tidak menurun dengan peningkatan temperatur II. PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI (ALIRAN) Perpindahan kalor konveksi adalah perpindahan kalor dari suatu bagian ke bagian lain dari suatu fluida atau antara suatu fluida ke fluida lain akibat adanya gerakan dari fluida tersebut. Rumus dasar untuk menghitung laju perpindahan kalor konveksi adalah: q = h . A . (Tw – Ts)

dimana: q. = laju perpindahan kalor konveksi (Watt) A dimana: q = laju perpindahan kalor konveksi (Watt) A = luas permukaan (m2) Tw = temperatur dinding pelat (C) Ts = temperatur media sekitar pelat (C) h = koefisien perpindahan kalor konveksi (Watt/m2.C) Gbr. Perpindahan kalor konveksi dari suatu dinding pelat Aliran Ts Tw > Ts Us q U Tw Dinding pelat

Perpindahan kalor konveksi dibedakan atas: 1 Perpindahan kalor konveksi dibedakan atas: 1. Perpindahan kalor konveksi alamiah (natural convection heat transfer) Yaitu perpindahan kalor akibat adanya gerakan fluida yang disebabkan perbedaan densitas sebagai konsekuensi adanya perbedaan temperatur. 2. Perpindahan kalor konveksi paksa (forced convection heat transfer) Yaitu perpindahan kalor akibat adanya gerakan fluida yang disengaja secara mekanis, misalnya dengan menggunakan pompa, blower, kompresor, dan sebagainya. III. PERPINDAHAN KALOR RADIASI (PANCARAN) Perpindahan Kalor Radiasi adalah energi yang dipancarkan oleh benda-benda pada suatu temperatur tertentu oleh gelombang elektromagnetik.

Berbeda dengan perpindahan kalor secara konduksi atau konveksi yang membutuhkan adanya suatu media, perpindahan kalor radiasi tidak membutuhkan media malahan melalui ruangan vakum akan lebih efisien. Laju perpindahan kalor radiasi untuk benda hitam (radiator ideal/black body) adalah: Q = σ . A. T4 (Watt) dimana: Q = laju perpindahan kalor radiasi untuk benda hitam (Watt) σ = konstanta Stefan-Boltzmann = 5,669 x 10-8 (W/m2.K4) = 0,1714 x 10-8 (Btu/jam.ft2.R4) T = temperatur absolut benda hitam (K) Persamaan tersebut di atas hanya berlaku untuk benda hitam (radiator ideal), sedangkan untuk benda lain (gray) perpindahan kalor radiasi dapat dituliskan sebagai:

Q = e. σ. A (T14 – T24) 0  e  1 dimana: e Q = e . σ . A (T14 – T24) 0  e  1 dimana: e = emisivitas (suatu ukuran bagaimana efisiennya suatu per- mukaan memancarkan energi relatif terhadap benda hitam T1 = temperatur absolut permukaan yang memancarkan energi radiasi (K atau R) T2 = temperatur absolut permukaan yang menyerap energi radiasi (K atau R) A = luas permukaan benda yang memancarkan energi radiasi (m2 atau ft2) σ = konstanta Stefan-Boltzmann (W/m2.K4 atau Btu/jam.ft2.R4) Contoh Soal: 1. Suatu pipa uap tidak diisolasi terbentang melalui suatu ruangan dimana udara dan dinding bersuhu 25 C.

Diameter luar pipa 70 mm sedangkan temperatur permukaannya 200 C dengan emisivitas 0,8. Hitunglah daya emisivitas permukaan pipa. Jika koefisien perpindahan kalor konveksi bebas dari permukaan ke udara adalah 15 W/m2.K, berapa laju kehilangan kalor dari permukaan pipa per satuan panjang pipa ? Solusi : TL = 25 C Tw = 25 C q’ Ts = 200 C E D = 70 L e = 0,8 h = 15 W/m2.K

Daya emisivitas, E = e. σ. Ts4 = 0,8 x 5,67 x 10-8 (W/m2 Daya emisivitas, E = e . σ . Ts4 = 0,8 x 5,67 x 10-8 (W/m2.K4) x 4734 (K4) = 2270,5 (W/m2) Laju kehilangan kalor per satuan panjang: q’ = q/L = h  D (Ts - Tw) + e ( D) σ (Ts4 – Tw4) = 15 () 0,07 (200 – 25) + 0,8 () 0,07 x 5,67 x 10-8 (4734 – 2984) = (577,0 + 420,4) W/m = 997,4 (W/m) Catatan: 1. Temperatur dapat diekspresikan dalam C atau K saat mengevaluasi beda temperatur untuk laju perpindahan kalor konveksi (atau konduksi), tetapi harus dalam Kelvin (K) saat mengevaluasi laju perpindahan kalor radiasi. 2. Jika Ts sangat besar dibandingkan dengan Tw dan h kecil (konveksi bebas) maka qradiasi perlu diperhitungkan. Akan tetapi pada kondisi dimana Ts tidak terlalu besara dibandingkan Tw dan h besar (konveksi paksa) maka qradiasi sering diabaikan.

KOEFISIEN PERPINDAHAN KALOR MENYELURUH (U) PADA DINDING PELAT KOMPOSIT Aliran kalor melalui dinding pelat berlapis-lapis (komposit): Q = = Q = U . A . (Tg - Tw) Pelat 1 Pelat 2 Tg T1 T2 PANAS DINGIN Q k1 k2 T3 Tw x1 x2

dimana: = Tg – Tw. = beda temperatur keseluruhan hg dimana: = Tg – Tw = beda temperatur keseluruhan hg = kofisien perpindahan kalor konveksi dari gas ke dinding pelat (panas) hw = kofisien perpindahan kalor konveksi dari dinding pelat (dingin) ke fluida dingin k1 = konduktivitas termal pelat 1 k2 = konduktivitas termal pelat 2 Contoh Soal: 2. Suatu aliran kalor melalui dinding baja dilapisi dengan batu tahan api sebagai isolasi pada sisi gas asap dan suatu bahan isolasi pada sisi lainnya (sisi ruang) serta mengikutsertakan lapisan tipis (film) pada kedua sisi tersebut.