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 100 mm wol mineral dan 50 mm polistirena ekspansi, dengan luas 20 m². Permukaan luarnya bersuhu 17 °C dan -5 °C. Cari suhu Ti pada antarmuka kedua lapisan.
L1 = 100 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 17 °CT3 = -5 °C
Ti = °C
2.Konduksi panasSulit
Dinding 100 mm kayu dan 100 mm kaca memisahkan ruangan bersuhu 22 °C dari udara luar bersuhu -3 °C. Koefisien konveksinya 10 W/(m²·K) di dalam dan 20 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding 10 m². Cari kehilangan panas Q̇ melalui dinding.
L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 10 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -3 °C
Q̇ = W
3.Penukar panas (LMTD)Sedang
Penukar panas aliran berlawanan memindahkan 150 kW. Luas perpindahan panasnya 25 m². Fluida panas mendingin dari 115 ke 75 °C dan fluida dingin memanas dari 15 ke 105 °C. Cari koefisien perpindahan panas menyeluruh U.
Q̇ = 150 kWA = 25 m²Th: 115 → 75 °CTc: 15 → 105 °C
U = W/(m²·K)
4.Penukar panas (LMTD)Sulit
Oli panas (2 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) mendingin dari 95 ke 65 °C dalam penukar aliran berlawanan. Oli memanaskan 3 kg/s air (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) yang masuk pada 15 °C. Dengan U = 500 W/(m²·K), cari luas perpindahan panas A yang diperlukan.
ṁh = 2 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 95 → 65 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 500 W/(m²·K)
A = m²
3Larutan
1.Konduksi panas
Jawaban: Ti = 3 °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 lapisan
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,04·20) = 0,125 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,035·20) = 0,07143 K/W
Aliran panas
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 22/0,1964 = 112 W
Suhu antarmuka
Suhu turun sebesar Q̇·R₁ pada lapisan pertama.
Ti = T1 − Q̇·R1 = 17 − 112·0,125 = 3 °C
Jawaban
Ti = 3 °C
2.Konduksi panas
Jawaban: Q̇ = 296,8 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 seri
Ri = 1/(hiA) = 1/(10·10) = 0,01 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·10) = 0,05882 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,96·10) = 0,01042 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·10) = 0,005 K/W
ΣR = 0,08424 K/W
Kehilangan panas
Q̇ = (22 − (-3))/0,08424 = 296,8 W
Jawaban
Q̇ = 296,8 W
3.Penukar panas (LMTD)
Jawaban: U = 215 W/(m²·K)
LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.
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 = 115 − 105 = 10 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 75 − 15 = 60 K
Selisih suhu rata-rata logaritmik
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (10 − 60)/ln(10/60) = 27,91 K
Koefisien menyeluruh
U = Q̇/(A·ΔTlm) = 150000/(25·27,91) = 215 W/(m²·K)
Jawaban
U = 215 W/(m²·K)
4.Penukar panas (LMTD)
Jawaban: A = 5,123 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.
Beban panas dan suhu keluar air
Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 2·2,5·30 = 150 kW
Tc,out = 15 + 150/(3·4,18) = 26,96 °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 = 95 − 26,96 = 68,04 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 15 = 50 K
Selisih suhu rata-rata logaritmik
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (68,04 − 50)/ln(68,04/50) = 58,56 K
Luas
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 150000/(500·58,56) = 5,123 m²
Jawaban
A = 5,123 m²
ExamProblems · examproblems.com/courses/heat-transfer