permodelan rumus laju perpindahan kalor dan konduktansi termal pada heat exchanger

Dalam perancangan heat exchanger, salah satu cara yang digunakan adalah permodelan dengan rumus matematika. Variabel-variabel yang biasa digunakan untuk merumuskan rancangan adalah laju perpindahan kalor, luas permukaan exchanger, dan laju aliran fluida.

Untuk mengembangkan hubungan antara laju perpindahan kalor q, luas permukaan A, terminal suhu fluida, dan laju aliran fluida dalam exchanger, persamaan dasar yang digunakan untuk analisis adalah energi persamaan konservasi dan laju perpindahan kalor. Persamaan konservasi energi untuk exchanger yang memiliki aliran tak beraturan adalah:

q = Ch (th,i − th,o ) = Cc (tc,o − tc,i )

q = UA∆tm = ∆tm/Ro

U adalah internal energy
∆tm adalah perbedaan suhu rata-rata sebenarnya (MTD), yang tergantung pada aliran exchanger dan tingkat pencampuran fluida dalam setiap aliran fluida.
Cc adalah laju kapasitas fluida dingin, (Mcp)c
Ch adalah laju kapasitas fluida panas, (Mcp)h
tc,i dan tc,o adalah suhu terminal fluida dingin (masuk dan keluar)
tc,i dan tc,o adalah suhu terminal fluida dingin (masuk dan keluar)

Ro adalah resistansi (hambatan) termal keseluruhan dan bisa disebut sebagai inverse dari UA. Rangkaian resistansi termal ini tersusun secara seri.

Skema hambatan termal. Sumber: Buku Heat Exchanger Design Handbook Second Edition (2013)

Ro = Rh + R1 + Rw + R2 + Rc

Rh, resistansi konveksi film sisi panas, [1/(ηohA),h]
Rc, resistansi konveksi film sisi dingin, [1/(ηohA),c]
R1, resistansi termal karena pengotoran pada sisi panas yang diberikan dalam hal pengotoran resistansi Rf,h , [Rf,h/(ηoA)h]
Rw, resistansi termal pada dinding yang menjadi media perpindahan kalor, [δ/(Aw.Kw)]

Untuk dinding melingkar : Rw = ln(d/d1)/2∏KwLN

d dan d1 adalah diameter luar dan dalam tabung
Kw adalah konduktivitas termal dari material dinding
Aw adalah total luas dinding
L adalah panjang tabung
N adalah jumlah tabung
ηo adalah keefektifan permukaan keseluruhan ηo = [1 – (Ar/A)] (1- ηr)

Pengetahuan tentang suhu dinding dalam heat exchanger sangat penting untuk menentukan panas di suatu titik, titik beku, tegangan termal, karakteristik pengotoran lokal, atau koefisien didih dan kondensasi.

Tw = {Th+Tc[(Rh+R1)/(Rc+R2)]}/{1+[(Rh+R1)/(Rc+R2)]}

Tw = Suhu dinding
Th = Suhu fluida panas
Tc = Suhu fluida dingin

Rumus-rumus diatas dapat ditunjang dengan metode komputasi. Salah satu metode yang paling umum untuk mendesain suatu sistem heat exchanger adalah menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD), yaitu metode menyelesaikan persamaan-persamaan mekanika fluida pada heat exchanger bahkan reaksi kimia yang ada menggunakan komputer, sehingga diperoleh hasil yang komprehensif dan detail. >> Klik di sini untuk mempelajari selengkapnya tentang CFD!

Bagi anda mechanical engineer yang ini meningkatkan skill di bidang heat exchanger atau mechanical engineering secara umum, Kami juga menyediakan solusi yaitu training dengan topik-topik seputar mechanical engineering dengan trainer yang sudah sangat berpengalaman di bidangnya untuk meningkatkan skill dan kompetensi anda sebagai seorang engineer profesional. Untuk list training mechanical engineering >>klik di sini!