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
=
Δ
Q
A
⋅
Δ
T
⋅
{\displaystyle 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
Δ
T
{\displaystyle \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,
Δ
T
{\displaystyle \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
D
H
N
u
{\displaystyle h={{k_{w}} \over {D_{H}}}Nu}
di mana
k
w
{\displaystyle k_{w}}
= konduktivitas termal fluida
D
H
{\displaystyle D_{H}}
=
D
i
{\displaystyle D_{i}}
= diameter hidraulik
Nu = bilangan Nusselt
bilangan Nusselt dapat dicari dengan:
N
u
=
0.023
⋅
R
e
0.8
⋅
P
r
n
{\displaystyle 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.
Δ
T
s
a
t
=
22.5
⋅
q
0.5
exp
(
−
P
/
8.7
)
{\displaystyle \Delta T_{sat}=22.5\cdot {q}^{0.5}\exp(-P/8.7)}
di mana:
Δ
T
s
a
t
{\displaystyle \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.
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
w
a
l
l
=
k
x
{\displaystyle 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
w
a
l
l
=
2
k
d
i
ln
(
d
o
/
d
i
)
{\displaystyle h_{wall}={2k \over {d_{i}\ln(d_{o}/d_{i})}}}
di mana di adalah diameter dalam dan do adalah diameter luar.
Untuk dua atau lebih proses
perpindahan panas yang bekerja secara paralel,
Koefisien perpindahan panas ditambahkan:
h
=
h
1
+
h
2
+
…
{\displaystyle 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
h
=
1
h
1
+
1
h
2
+
…
{\displaystyle {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
=
(
1
1
h
+
t
k
)
⋅
A
⋅
Δ
T
{\displaystyle 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)
Δ
T
{\displaystyle \Delta T}
= perbedaan temperatur.
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).
Referensi
Daftar pustaka
F.Kreith (editor),The CRC Handbook of Thermal Engineering, CRC Press, 2000.
