Konveksi paksa eksternal

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.

Kali ini kita 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. 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.  

Mari kita kerjakan contoh kasus berikut:

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:

(Tri Ayodha Ajiwiguna)