Koefisien perpindahan panas

Koefisien perpindahan panas digunakan dalam perhitungan perpindahan panas konveksi atau perubahan wujud antara cair dan padat. Koefisien perpindahan panas banyak dimanfaatkan dalam ilmu termodinamika dan mekanika serta teknik kimia.

$h={\frac {\Delta Q}{A\cdot \Delta T\cdot }}$

di mana

ΔQ = panas yang masuk atau panas yang keluar, W

h = koefisien perpindahan panas, W/(m²K)

A = luas permukaan perpindahan panas, m²

$\Delta T$ = perbedaan temperatur antara permukaan padat dengan luas permukaan kontak dengan fluida, K

Dari persamaan di atas, koefisien perpindahan panas adalah koefisien proporsionalitas antara fluks panas, Q/(A delta t), dan perbedaan temperatur, $\Delta T$, yang menjadi penggerak utama perpindahan panas.

Satuan SI dari koefisien perpindahan panas adalah watt per meter persegi-kelvin, W/(m²K). Koefisien perpindahan panas berkebalikan dengan insulasi termal.

Terdapat beberapa metode untuk mengkalkulasi koefisien perpindahan panas dalam berbagai jenis kondisi perpindahan panas yang berbeda, fluida yang berlainan, jenis aliran, dan dalam kondisi termohidraulik. Perhitungan koefisien perpindahan panas dapat diperkirakan dengan hanya membagi konduktivitas termal dari fluida dengan satuan panjang, tetapi untuk perhitungan yang lebih akurat sering kali digunakan bilangan Nusselt, yaitu satuan tak berdimensi yang menunjukkan rasio perpindahan panas konvektif dan konduktif normal terhadap bidang batas.

Korelasi Dittus-Boelter (konveksi paksa, forced convection)

Korelasi yang khusus namun sederhana dan biasa digunakan pada berbagai aplikasi adalah korelasi perpindahan panas Dittus-Boelter untuk fluida dalam aliran turbulen. Korelasi ini dapat digunakan ketika konveksi adalah satu-satunya cara dalam memindahkan panas, tidak ada perubahan fase, dan tidak ada radiasi yang signifikan. Koreksi dari perhitungan ini ±15%.

Untuk aliran fluida pada pipa melingkar yang lurus dengan bilangan Reynolds antara 10000 dan 120000, ketika bilangan Prandtl di anara 0.7 dan 120, untuk titik yang jaraknya lebih dari sepuluh kali diameter pipa dan ketika permukaan pipa halus secara hidraulis, koefisien perpindahan panas antara fluida dan permukaan pipa dapat diekspresikan sebagai:

$h={{k_{w}} \over {D_{H}}}Nu$

di mana

$k_{w}$ = konduktivitas termal fluida

$D_{H}$ = $D_{i}$ = diameter hidraulik

Nu = bilangan Nusselt

bilangan Nusselt dapat dicari dengan:

$Nu={0.023}\cdot Re^{0.8}\cdot Pr^{n}$   (korelasi Dittus-Boelter)

di mana:

Pr = bilangan Prandtl

Re = bilangan Reynolds

n = 0.4 untuk pemanasan (dinding lebih panas dari fluida yang mengalir) dan 0.33 untuk pendinginan (dinding lebih dingin dari fluida yang mengalir).

Korelasi Thom

Terdapat korelasi yang sederhana antara koefisien perpindahan panas dalam proses pemanasan fluida hingga mendidih (boiling process). Korelasi Thom adalah untuk aliran air yang mendidih dan jenuh pada tekanan di atas 20 MPa, dalam kondisi di mana molekul-molekul air yang mendidih lebih banyak mendominasi sepanjang konveksi paksa sedang terjadi. Konsep ini berguna untuk perkiraan kasar dari perbedaan temperatur yang mungkin terjadi pada fluks panas yang ditentukan.

$\Delta T_{sat}=22.5\cdot {q}^{0.5}\exp(-P/8.7)$

di mana:

$\Delta T_{sat}$ = kenaikan temperatur pada dinding di atas titik jenuh, K

q = fluks panas, MW/m²

P = tekanan air, MPa

perhatikan bahwa ini adalah rumus empiris yang khusus pada satuan tertentu yang diberikan pada rumus.

Koefisien perpindahan panas pada dinding pipa

Pada kasus perpindahan panas pada pipa yang melingkar, fluks panas bergantung pada diameter dalam dan diameter luar dari pipa, atau tebalnya. Namun jika tebal pipa sangat tipis jika dibandingkan dengan diameter dalamnya, maka perhitungannya:

$h_{wall}={k \over x}$

di maka k adalah konduktivitas termal dari material dinding dan x adalah ketebalan dinding. Penggunaan asumsi ini bukan berarti mengasumsikan bahwa ketebalan dinding diabaikan, tetapi diasumsikan bahwa perpindahan panas adalah linier pada satu garis, tidak tersebar dari satu titik di pusat pipa ke segala arah penampang melintang pipa.

Jika asumsi di atas tidak berlaku, maka koefisien perpindahan panas dapat dihitung dengan menggunakan:

$h_{wall}={2k \over {d_{i}\ln(d_{o}/d_{i})}}$

di mana d_i adalah diameter dalam dan d_o adalah diameter luar.

Koefisien perpindahan panas gabungan

Untuk dua atau lebih proses perpindahan panas yang bekerja secara paralel, koefisien perpindahan panas ditambahkan:

$h=h_{1}+h_{2}+\dots$

Untuk dua atau lebih proses perpindahan panas yang bekerja secara berantai pada garis lurus, koefisien perpindahan panas ditambahkan secara invers:

${1 \over h}={1 \over h_{1}}+{1 \over h_{2}}+\dots$

Misalnya, katakan ada sebuah pipa dengan fluida yang mengalir di dalamnya. Laju perpindahan panas antara fluida di bagian dalam pipa dengan permukaan luar pia adalah

$Q=\left({1 \over {{1 \over h}+{t \over k}}}\right)\cdot A\cdot \Delta T$

di mana

Q = laju perpindahan panas (W)

h = koefisien perpindahan panas (W/(m²·K))

t = ketebalan dinding (m)

k = konduktivitas termal dinding (W/m·K)

A = luas permukaan dinding (m²)

$\Delta T$ = perbedaan temperatur.

Aplikasi koefisien perpindahan panas

Koefisien perpindahan panas banyak digunakan dalam perhitungan dan permodelan proses pengeringan, pengolahan makanan (misalnya penggorengan, pemasakan dengan manipulasi tekanan (puffing), dsb), hingga permodelan suhu udara di dalam bangunan (misalnya rumah tanaman atau greenhouse).

Daftar pustaka

• F.Kreith (editor),The CRC Handbook of Thermal Engineering, CRC Press, 2000.