Konduksi panas
- Hukum Fourier
- Q̇ = kAΔT/L
- Resistansi konduksi
- R = L/(kA)
- Resistansi konveksi
- R = 1/(hA)
- Tahanan seri
- Q̇ = ΔTtotal/ΣR
- Nilai U
- U = 1/(ΣR·A)
Perpindahan Panas: paket kilat
Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 4 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.
1Rumus dan metode
Penukar panas (LMTD)
- Beban kalor
- Q = U·A·ΔTlm
- Beda suhu rata-rata logaritmik
- ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
- Neraca aliran
- Q = ṁcp(Tin − Tout)
2Soal latihan
1.Konduksi panasSedang
Dinding terdiri dari 50 mm kayu dan 100 mm wol mineral, dengan luas 12 m². Permukaan luarnya bersuhu 21 °C dan -3 °C. Cari aliran panas Q̇ melalui dinding.
L1 = 50 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 21 °CT3 = -3 °C
Q̇ = W
2.Konduksi panasSulit
Dinding 100 mm polistirena ekspansi dan 50 mm kaca memisahkan ruangan bersuhu 20 °C dari udara luar bersuhu 3 °C. Koefisien konveksinya 6 W/(m²·K) di dalam dan 25 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding 6 m². Cari suhu Ts permukaan dalam dinding.
L1 = 100 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 6 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = 3 °C
Ts = °C
3.Penukar panas (LMTD)Sedang
Penukar panas aliran berlawanan memindahkan 430 kW. Fluida panas mendingin dari 135 ke 50 °C dan fluida dingin memanas dari 30 ke 125 °C. Koefisien perpindahan panas menyeluruhnya 1500 W/(m²·K). Cari luas perpindahan panas A yang diperlukan.
Q̇ = 430 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 135 → 50 °CTc: 30 → 125 °C
A = m²
4.Penukar panas (LMTD)Sulit
Dalam penukar panas pipa ganda aliran berlawanan, oli panas (0,2 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) mengalir di tabung dalam dan mendingin dari 100 ke 55 °C. Air (0,8 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) di anulus masuk pada 15 °C. Tabung dalam berdiameter 32 mm, dan U = 150 W/(m²·K) didasarkan pada diameter ini. Cari panjang tabung L yang diperlukan.
ṁh = 0,2 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 100 → 55 °Cṁc = 0,8 kg/sTc,in = 15 °CD = 32 mmU = 150 W/(m²·K)
L = m
3Larutan
1.Konduksi panas
Jawaban: Q̇ = 103,1 W
Tahanan termal: aliran panas tunak melalui lapisan seri berperilaku seperti arus melalui resistor seri: Q̇ = ΔT/ΣR, dengan R = L/(kA) untuk lapisan konduksi dan R = 1/(hA) untuk permukaan konveksi. Penurunan suhu pada setiap lapisan sebanding dengan tahanannya.
Tahanan lapisan
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,17·12) = 0,02451 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,04·12) = 0,2083 K/W
Aliran panas
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 24/0,2328 = 103,1 W
Jawaban
Q̇ = 103,1 W
2.Konduksi panas
Jawaban: Ts = 19,09 °C
Tahanan termal: aliran panas tunak melalui lapisan seri berperilaku seperti arus melalui resistor seri: Q̇ = ΔT/ΣR, dengan R = L/(kA) untuk lapisan konduksi dan R = 1/(hA) untuk permukaan konveksi. Penurunan suhu pada setiap lapisan sebanding dengan tahanannya.
Tahanan seri
Ri = 1/(hiA) = 1/(6·6) = 0,02778 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,035·6) = 0,4762 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,96·6) = 0,008681 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·6) = 0,006667 K/W
ΣR = 0,5193 K/W
Kehilangan panas
Q̇ = (20 − (3))/0,5193 = 32,74 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 32,74·0,02778 = 19,09 °C
Jawaban
Ts = 19,09 °C
3.Penukar panas (LMTD)
Jawaban: A = 19,87 m²
Metode LMTD: selisih suhu antar aliran berubah di sepanjang penukar panas, jadi persamaan laju memakai rata-rata logaritmiknya: Q̇ = U·A·ΔTlm, dengan ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), di mana ΔT₁ dan ΔT₂ selisih di kedua ujung. Untuk suhu masuk dan keluar yang sama, aliran berlawanan memberi ΔTlm lebih besar daripada aliran searah.
Selisih suhu di ujung
Pada aliran berlawanan, masukan panas berhadapan dengan keluaran dingin, dan keluaran panas berhadapan dengan masukan dingin.
ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 135 − 125 = 10 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 30 = 20 K
Selisih suhu rata-rata logaritmik
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (10 − 20)/ln(10/20) = 14,43 K
Luas
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 430000/(1500·14,43) = 19,87 m²
Jawaban
A = 19,87 m²
4.Penukar panas (LMTD)
Jawaban: L = 21,82 m
Metode LMTD: selisih suhu antar aliran berubah di sepanjang penukar panas, jadi persamaan laju memakai rata-rata logaritmiknya: Q̇ = U·A·ΔTlm, dengan ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), di mana ΔT₁ dan ΔT₂ selisih di kedua ujung. Untuk suhu masuk dan keluar yang sama, aliran berlawanan memberi ΔTlm lebih besar daripada aliran searah.
Beban panas dan suhu keluar air
Q̇ = 0,2·2,1·(100 − 55) = 18,9 kW
Tc,out = 15 + 18,9/(0,8·4,18) = 20,65 °C
Selisih suhu di ujung
Pada aliran berlawanan, masukan panas berhadapan dengan keluaran dingin, dan keluaran panas berhadapan dengan masukan dingin.
ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 100 − 20,65 = 79,35 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 15 = 40 K
Selisih suhu rata-rata logaritmik
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (79,35 − 40)/ln(79,35/40) = 57,45 K
Luas dan panjang
A = 18900/(150·57,45) = 2,193 m²
L = A/(πD) = 2,193/(π·0,032) = 21,82 m
Jawaban
L = 21,82 m
ExamProblems · examproblems.com/courses/heat-transfer