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 beton dan 75 mm bata, dengan luas 4 m². Permukaan luarnya bersuhu 19 °C dan 9 °C. Cari aliran panas Q̇ melalui dinding.
L1 = 50 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 19 °CT3 = 9 °C
Q̇ = W
2.Konduksi panasSulit
Dinding 250 mm kayu dan 100 mm wol mineral memisahkan ruangan bersuhu 20 °C dari udara luar bersuhu 0 °C. Koefisien konveksinya 7,7 W/(m²·K) di dalam dan 30 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding 15 m². Cari suhu Ts permukaan dalam dinding.
L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 15 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = 0 °C
Ts = °C
3.Penukar panas (LMTD)Sedang
Penukar panas aliran searah memindahkan 400 kW. Luas perpindahan panasnya 8 m². Fluida panas mendingin dari 180 ke 145 °C dan fluida dingin memanas dari 25 ke 100 °C. Cari koefisien perpindahan panas menyeluruh U.
Q̇ = 400 kWA = 8 m²Th: 180 → 145 °CTc: 25 → 100 °C
U = W/(m²·K)
4.Penukar panas (LMTD)Sulit
Oli panas (0,5 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) mendingin dari 100 ke 70 °C dalam penukar aliran berlawanan. Oli memanaskan 3 kg/s air (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) yang masuk pada 15 °C. Dengan U = 300 W/(m²·K), cari luas perpindahan panas A yang diperlukan.
ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 100 → 70 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 300 W/(m²·K)
A = m²
3Larutan
1.Konduksi panas
Jawaban: Q̇ = 286 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)/(1,4·4) = 0,008929 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,72·4) = 0,02604 K/W
Aliran panas
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 10/0,03497 = 286 W
Jawaban
Q̇ = 286 W
2.Konduksi panas
Jawaban: Ts = 19,37 °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/(7,7·15) = 0,008658 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·15) = 0,09804 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,04·15) = 0,1667 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·15) = 0,002222 K/W
ΣR = 0,2756 K/W
Kehilangan panas
Q̇ = (20 − (0))/0,2756 = 72,57 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 20 − 72,57·0,008658 = 19,37 °C
Jawaban
Ts = 19,37 °C
3.Penukar panas (LMTD)
Jawaban: U = 562,2 W/(m²·K)
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 searah, kedua masukan berada di ujung yang sama, dan kedua keluaran di ujung lainnya.
ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 180 − 25 = 155 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 145 − 100 = 45 K
Selisih suhu rata-rata logaritmik
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (155 − 45)/ln(155/45) = 88,94 K
Koefisien menyeluruh
U = Q̇/(A·ΔTlm) = 400000/(8·88,94) = 562,2 W/(m²·K)
Jawaban
U = 562,2 W/(m²·K)
4.Penukar panas (LMTD)
Jawaban: A = 1,548 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) = 0,5·2,1·30 = 31,5 kW
Tc,out = 15 + 31,5/(3·4,18) = 17,51 °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 − 17,51 = 82,49 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 15 = 55 K
Selisih suhu rata-rata logaritmik
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (82,49 − 55)/ln(82,49/55) = 67,82 K
Luas
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 31500/(300·67,82) = 1,548 m²
Jawaban
A = 1,548 m²
ExamProblems · examproblems.com/courses/heat-transfer