Konveksi paksa adalah perpindahaan kalor secara konveksi yang pergerakan molekul mediunnya tejadi karena gaya eksternal seperti kipas atau pompa. Konveksi paksa dapat dikelompokkan menjadi dua, yaitu eksternal dan internal. Untuk lebih jelasnya lihat bagan di bawah ini.
KONVEKSI PAKSA EKSTERNAL
Pada pembahasan ini akan membahas tentang konveksi paksa eksternal. Kenapa dinamakan eksternal? Karena aliran fluidanya tidak berada dalam sebuah saluran (kanal), melainkan di geometri yang terbuka. Perhatikan gambar di bawah ini:
Aliran fluida pada pelat horizontal
Pada gambar terlihat sebuah aliran udara (gas) yang melewati pelat horizontal. Saat sebelum memasuki area pelat, kecepatan udara seragam sepanjang sumbu y. Namun, begitu memasuki area pelat, maka udara yang paling bawah (menempel dengan permukaan pelat) diasumsikan diam (tidak bergerak). Hal ini disebut dengan (no slip condition). Lalu, bagian atasnya bergerak dengan kecepatan rendah. Bagian atasnya lagi bergerak lebih cepat dibandingkan dibawahnya, Begitu seterusnya hingga kecepatan udaranya sama dengan kecepatan udara saat sebelum memasuki wilayah pelat. Hal ini dikarenakan oleh sifat viskositas dari fluida.
Baca Juga : trik mendapatkan voucher gofood terbaru diskon 75%
Garis batas antara kecepetan yang masih terpengearuh oleh keberadaan pelat dan tidak dinamakan boundary layer. Saat mulai masuk ke area pelat, aliran fluida membentuk lapisan-lapisan kecepatan yang teratur, jenis aliran ini dinamakan aliran laminar. Namun seiring berjalannya udara di atas pelat, maka aliran fluida mulai tidak teratur, jenis aliran ini dinamakan aliran turbulen. Untuk menentukan di mana aliran mulai berubah menjadi tidak laminar lagi, digunakanlah konsep bilangan Reynold, yaitu rasio antara gaya inersia dan gaya viskos. Untuk kasus pleat seperti ini, aliran akan mulai tidak laminar lagi jika bilangan Reynoldnya lebih dari 5 x 105.
contoh kasus :
Sebuah plat horizontal sepanjang 5 meter memiliki lebar 50 cm. Plat ini kemudian daliri oleh udara dengan kecepatan 2 m/s. Apakah aliran udara menjadi turbulen? Jika iya, tentukanlah jarak dari ujung pelat hingga posisi aliran udara menjadi turbulen!
Jawaban:
Karena di dapat bahwa aliran akan menjadi turbulen jika panjang pelat setidaknya 3.95 m, sedangkan panjang pelat pada kasus ini adalah 5 m, maka Ya aliran akan menjadi turbulen. Jarak dari ujung pelat hingga posisi aliran menjadi turbulen adalah 3.95 m.
Pembahasan di atas belum memperhitungkan perpindahan kalor. Untuk kasus konveksi paksa eksternal dengan geometri pelat sejajar, maka bilangan Nusseltnya dapat dihitung dengan persamaan di bawah ini:
Untuk lebih jelasnya mari kita kerjakan contoh soal berikut:
Minyak pada temperature 60 oC mengalir diatas sebuah plat sepanjang 5 m dengan lebar 1 m. Plat bertermperatur 20 oC dan minyak mengalir kecepatan 2 m/s. Tentukan laju aliran kalor dari proses ini!
Jawaban:
KONVEKSI PAKSA INTERNAL FLOW
Konveksi paksa internal terjadi pada aliran fluida yang mengalir di sebuah saluran seperti ducting atau pipa. Oleh karena itu pemahaman tentang aliran fluida dalam pipa perlu dibahas terlebih darhulu.
Aliran Turbulen dan Laminar
Ada dua jenis tipe aliran dalam pipa yaitu: laminar dan turbulen. Pada aliran laminar, pergerakan molekul fluida terjadi secara teratur. Sebaliknya, aliran fluida menjadi acak pada aliran turbulen. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar di bawah ini..
Gambar. Aliran laminar dan turbulen
Terjadinya kedua tipe aliran ini dikarenakan banyak faktor antara lain geometri pipa, viskositas fluida, kecepatan fluida, jenis fluida, dan lain-lain. Bilangan Reynold sering kali digunakan untuk menntukan apakah aliran dalam pipa menjadi turbulen atau laminar. Bilangan Reynold sendiri adalah sebuah bilangan tak berdimensi yang merupakan rasio antara gaya inersia dang gaya viskos, yaitu:
Untuk saluran yang bernampang tidak bulat (contoh: ducting), maka besarnya diameter hidrolik adalah:
Dengan A adalah luas penampang saluran dan p adalah keliling penampang pipa.
Hampir semua kondisi aliran dalam pipa berlaku bahwa bilangan Reynold kritisnya adalah 2300. Artinya jika sebuah aliran memiliki bilangag Reynold kurang dari 2300, maka aliran tersebut menjadi laminar. Sebaliknya, jika aliran fluida memiliki bilangan Reynold lebih dari 2300, maka di anggap turbulen.
Daerah masukkan (Entrance Region)
Pada saat aliran fluida memasuki pipa, maka profil kecepatannya tidak langsung terbentuk. Untuk lebih jelasnya lihat gambar di bawah ini. Ketika aliran fluida memasuki pipa, kecepatan aliran sepanjang sumbu arah jari-jari adalah sama. Maksudnya adalah kecepatan aliran di tengah pipa maupun di dekat dengan dinding pipa masih sama. Namun, seiring bergeraknya fluida di sepanjang pipa maka profil kecepatan mulai berubah. Jarak yang diperlukan fluida dari saat masuk ke pipa hingga terbentuk profil kecepatan tidak berubah dinamakan daerah masukkan (entrance region). Daerah setelah profol kecepatan tidak berubah dinamakan daerah terbangun penuh (fully developed region). Tidak hanya kecepatan, profil temperatur juga memiliki entrance region dan fully developed region.
Aliran dalam pipa (sumber gambar: Wikipedia.org & researchgate.net)
Panjang entrance region ini secara empiris dapat ditentukan dengan rumus berikut:
contoh soal :
Air mengalir dalam sebuah pipa berdiameter 2 inci dengan kecepatan 5 m/s. Jika bilangan Prandtl air adalah 6.14, massa jenis air 1000 kg/m3 dan viskositas dinamisnya 0.891 x 10-3 kg/m.s, Tentukan
- Bilangan Reynold
- Jarak yang dibutuhkan untuk menjadi fully developed region untuk kecepatan fluida
- Jarak yang dibutuhkan untuk menjadi fully developed region untuk temperatur
Sumber Contoh soal : http://catatan-teknik.blogspot.com/
