Koefisien pindah panas
Koefisien pindah panas digunakan dalam perhitungan pindah panas konveksi atau perubahan fase antara cair dan padat. Koefisien pindah panas banyak dimanfaatkan dalam ilmu termodinamika dan mekanika serta teknik kimia.
di mana
Dari persamaan di atas, koefisien pindah panas adalah koefisien proporsionalitas antara fluks panas, "Q/(A delta t)", dan perbedaan temperatur, formula_2, yang menjadi penggerak utama perpindahan panas.
Satuan SI dari koefisien pindah panas adalah watt per meter persegi-kelvin , W/(mK). Koefisien pindah panas berkebalikan dengan insulasi termal.
Terdapat beberapa metode untuk mengkalkulasi koefisien pindah panas dalam berbagai jenis kondisi pindah panas yang berbeda, fluida yang berlainan, jenis aliran, dan dalam kondisi termohidraulik. Perhitungan koefisien pindah panas dapat diperkirakan dengan hanya membagi konduktivitas termal dari fluida dengan satuan panjang, namun untuk perhitungan yang lebih akurat seringkali digunakan bilangan Nusselt, yaitu satuan tak berdimensi yang menunjukkan rasio pindah panas konvektif dan konduktif normal terhadap bidang batas.
Korelasi yang khusus namun sederhana dan biasa digunakan pada berbagai aplikasi adalah korelasi pindah 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 hidraulik, koefisien pindah panas antara fluida dan permukaan pipa dapat diekspresikan sebagai:
di mana
bilangan Nusselt dapat dicari dengan:
di mana:
Terdapat korelasi yang sederhana antara koefisien pindah 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.
formula_9
di mana:
perhatikan bahwa ini adalah rumus empiris yang khusus pada satuan tertentu yang diberikan pada rumus.
Pada kasus pindah 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:
di maka k adalah konduktivitas termal dari material dinding dan x adalah ketebalan dinding. Penggunaan asumsi ini bukan berarti mengasumsikan bahwa ketebalan dinding diabaikan, namun 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 pindah panas dapat dihitung dengan menggunakan:
di mana "d" adalah diameter dalam dan "d" adalah diameter luar.
Untuk dua atau lebih proses pindah panas yang bekerja secara paralel, koefisien pindah panas ditambahkan:
Untuk dua atau lebih proses pindah panas yang bekerja secara berantai pada garis lurus, koefisien pindah panas ditambahkan secara invers:
Misalnya, katakan ada sebuah pipa dengan fluida yang mengalir di dalamnya. Laju pindah panas antara fluida di bagian dalam pipa dengan permukaan luar pia adalah
di mana
Koefisien pindah 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").