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 150 mm wol mineral dan 150 mm papan gipsum, dengan luas 20 m². Permukaan luarnya bersuhu 15 °C dan 1 °C. Cari aliran panas Q̇ melalui dinding.
L1 = 150 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 15 °CT3 = 1 °C
Q̇ = W
2.Konduksi panasSulit
Dinding 200 mm papan gipsum dan 150 mm kaca memisahkan ruangan bersuhu 21 °C dari udara luar bersuhu -2 °C. Koefisien konveksinya 10 W/(m²·K) di dalam dan 25 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding 10 m². Cari suhu Ts permukaan dalam dinding.
L1 = 200 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 10 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -2 °C
Ts = °C
3.Penukar panas (LMTD)Sedang
Penukar panas aliran berlawanan memindahkan 130 kW. Fluida panas mendingin dari 85 ke 30 °C dan fluida dingin memanas dari 15 ke 60 °C. Koefisien perpindahan panas menyeluruhnya 300 W/(m²·K). Cari luas perpindahan panas A yang diperlukan.
Q̇ = 130 kWU = 300 W/(m²·K)Th: 85 → 30 °CTc: 15 → 60 °C
A = m²
4.Penukar panas (LMTD)Sulit
Oli panas (1 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) mendingin dari 85 ke 45 °C dalam penukar aliran berlawanan. Oli memanaskan 2 kg/s air (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) yang masuk pada 25 °C. Dengan U = 300 W/(m²·K), cari luas perpindahan panas A yang diperlukan.
ṁh = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 85 → 45 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 300 W/(m²·K)
A = m²
3Larutan
1.Konduksi panas
Jawaban: Q̇ = 60,44 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) = (150/1000)/(0,04·20) = 0,1875 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,17·20) = 0,04412 K/W
Aliran panas
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 14/0,2316 = 60,44 W
Jawaban
Q̇ = 60,44 W
2.Konduksi panas
Jawaban: Ts = 19,44 °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/(10·10) = 0,01 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,17·10) = 0,1176 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,96·10) = 0,01563 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·10) = 0,004 K/W
ΣR = 0,1473 K/W
Kehilangan panas
Q̇ = (21 − (-2))/0,1473 = 156,2 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 156,2·0,01 = 19,44 °C
Jawaban
Ts = 19,44 °C
3.Penukar panas (LMTD)
Jawaban: A = 22,14 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 = 85 − 60 = 25 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 30 − 15 = 15 K
Selisih suhu rata-rata logaritmik
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (25 − 15)/ln(25/15) = 19,58 K
Luas
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 130000/(300·19,58) = 22,14 m²
Jawaban
A = 22,14 m²
4.Penukar panas (LMTD)
Jawaban: A = 8,557 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) = 1·2,1·40 = 84 kW
Tc,out = 25 + 84/(2·4,18) = 35,05 °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 = 85 − 35,05 = 49,95 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 45 − 25 = 20 K
Selisih suhu rata-rata logaritmik
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (49,95 − 20)/ln(49,95/20) = 32,72 K
Luas
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 84000/(300·32,72) = 8,557 m²
Jawaban
A = 8,557 m²
ExamProblems · examproblems.com/courses/heat-transfer