Perpindahan Kalor Dasar Kelas B Inderalaya, 5 Oktober 2011 Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya

PERPINDAHAN KALOR DALAM PIPA ATAU “TUBE” Pada pipa atau”tube”, luas perpindahan kalor pada dinding luar selalu lebih besar dari luas perpindahan kalor pada dinding dalam karena diameter luar pipa (tube) selalu lebih besar dari diameter dalamnya, sebagaimana terlihat pada contoh perhitungan berikut ini. 1. Untuk penyaluran uap pada suatu pabrik digunakan sistem perpipaan yang memiliki panjang pipa 80 (m) dan tebal pipa 3 (mm) serta diameter dalam pipa 74 (mm). Konduktivitas termal

pipa tersebut adalah 52 (W/m. C) pada 200 C dan 50 (W/m. C) pada 300 C pipa tersebut adalah 52 (W/m.C) pada 200 C dan 50 (W/m.C) pada 300 C. Pipa tersebut dilapisi dengan suatu bahan isolasi yang mempunyai konduktivitas termal 0,2184 (W/m.C). Temperatur dinding dalam pipa adalah 260 C sedangkan temperatur ruangan dimana pipa tersebut melintas adalah 86 F. Koefisien perpindahan kalor konveksi antara isolasi dengan udara ruang adalah 5,20 (W/m2.C) sedangkan koefisien perpindahan kalor konveksi antara uap dengan dinding dalam pipa 10,5 (W/m2.C). Dengan memperhitungkan konduktivitas termal pipa pada temperatur dinding dalam pipa, hitunglah: …………………….

a. Laju aliran kalor (dalam satuan W dan 2 decimal points) jika a. Laju aliran kalor (dalam satuan W dan 2 decimal points) jika tebal isolasi adalah tebal isolasi kritisnya. b. Laju aliran kalor (dalam satuan W dan 2 decimal points) tanpa isolasi, jika koefisien perpindahan kalor konveksinya sama dengan koefisien perpindahan kalor konveksi antara bahan isolasi dengan udara ruang. c. Temperatur dinding luar pipa dan temperatur uap pada kondisi a.) dalam satuan C (1 decimal point). d. Tebal isolasi (dalam mm dengan satu decimal point) yang dibutuhkan agar terjadi pengurangan kehilangan kalor sebesar 20 % dari yang terjadi bila tanpa isolasi.

e. Energi kalor yang dilepas uap selama 1,5 jam pada kondisi a. ) e. Energi kalor yang dilepas uap selama 1,5 jam pada kondisi a.) dalam satuan kJ (dalam 2 decimal points). Solusi: Panjang pipa, L = 80 (m) Tebal pipa, t = 3 (mm) Temperatur ruangan, Tr = 86 F = (86 – 32)/1,8 = 30 C Temperatur dinding dalam pipa, Tp,i = 260 C Koefisien perpindahan kalor konveksi antara isolasi dengan udara ruang, ho = 5,2 (W/m2.C) Koefisien perpindahan kalor konveksi antara uap dengan dinding dalam pipa, hi = 10,5 (W/m2.C)

Diameter dalam pipa, dp,i = 74 (mm) Jari-jari dalam pipa, rp,i = 74/2 = 37 (mm) = 0,037 (m) Jari-jari luar pipa, rp,o = rp,i + t = 37 + 3 = 40 mm = 0,040 (m) Pada 200 C: Konduktivitas termal pipa, kp = 52 (W/m.C) Pada 300 C: Konduktivitas termal pipa, kp = 50 (W/m.C) Dengan interpolasi didapat konduktivitas termal pipa pada 260 C adalah: kp260 C = 52 + (50 – 52) = 50,8 (W/m.C)  

Jari-jari kritis isolasi, rc = dimana: ki Jari-jari kritis isolasi, rc = dimana: ki = konduktivitas termal bahan isolasi = 0,2184 (W/m.C) ho = koefisien perpindahan kalor konveksi antara isolasi dengan udara ruang (W/m2.C) = 5,20 (W/m2.C)   Jadi: rc = = 0,042 (m)

a. Kerugian kalor dari pipa tersebut jika dibalut dengan bahan isolasi dengan jari-jari sama dengan jari-jari kritis isolasi dapat dicari dari persamaan berikut: Qc = = 24.054,85 (W) b). Kerugian kalor dari pipa tersebut tanpa isolasi dapat dicari dari persamaan berikut:

Qnaked = = = 24.027,15 (W). c. Menentukan temperatur dinding luar pipa pada kondisi a.), Tp,o Qa). = 24.054,85 =

260 – Tp,o = Tp,o = 259,9 C   Jadi temperatur dinding luar pipa, Tp,o = 259,9 C   Menentukan temperatur uap pada kondisi a.), Tu   Qa). =

24.054,85 = Tu – 260 = Tu = 383,2 C   Jadi temperatur uap, Tu = 383,2 C d. Menentukan tebal isolasi agar terjadi pengurangan kehilangan kalor 20 % dari yang terjadi bila tanpa isolasi.   Q0,8Qnaked = 0,8 x Qnaked = 0,8 x 24.027,15 (W) = 19.221,72 (W)

Q0,8Qnaked = 19.221,72 = 19.221,72 = 0,001534676 + + = 6,011532787

+ = 6,009998111 ln + = 1,312583587 = X rx = 0,080 X = 1,218147181 rx = 0,098 X = 1,324659453 Untuk: X = 1,312583587 rx = 0,080 + = 0,0960 (m)

Tebal isolasi, ti = 0,0960 – 0,040 = 0,056 (m) = 56,0 (mm) Tebal isolasi, ti = 0,0960 – 0,040 = 0,056 (m) = 56,0 (mm)   Jadi tebal isolasi yang dibutuhkan, ti = 56,0 (mm)   e). Menentukan energi kalor yang dilepas uap pada kondisi a.) selama 1,5 jam, E1,5 jam   E1,5 jam = Qc x t t = waktu = 1,5 jam = 1,5 x 3600 s = 5400 s = 24.054,85 J/s x 5400 s = 129.896.190 (J) = 129.896,19 (kJ) Jadi energi kalor yang dilepas uap, E1,5 jam = 129.896,19 (kJ)