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.

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

Proses desain PHeat exchanger melibatkan pola aliran fluida dan perpindahan kalor yang kompleks, sehingga metode komputasi dengan software Computational Fluid Dynamics (CFD) dibutuhkan pada proses desain atau modifikasi nya setelah perhitungan analitis di atas dilakukan untuk estimasi desain awal.