QUIZ Steady Heat Conduction

Hendi Saryanto, ST, M. Eng

Mengidenfikasi proses/modus perpindahan kalor

SOAL .Persoalan berikut ini melibatkan perpindahan kalor radiasi matahari dan lingkungan luar.Seperti diketahui radiasi matahari terdiri dari komponen gelombang panjang dan pendek. Jika radiasi ini jatuh pada sebuah medium semitransparan, seperti air atau kaca, dua hal akan terjadi terhadap bagian radiasi yang tidak dipantulkan. Komponen gelombang panjang akan diserap permukaan medium, dan komponen gelombang pendek akan diteruskan oleh permukaan.

1). Jumlah lapisan kaca sebuah jendela sangat mempengaruhi kehilangan kalor dari sebuah ruangan yang dipanaskan ke udara luar. Komparasikanlah kehilangan kalor dari ruangan yang berjendela kaca tunggal dan kaca ganda, tunjukkan dengan mengidentifikasi proses (modus) perpindahan kalor yang terjadi pada tiap jenis jendela tersebut.2). Pada sebuah kolektor energi surya tipe pelat-datar, energi diserap oleh fluida kerja yang bersirkulasi dalam pipa (water tubing) yang ditempelkan secara rapat pada permukaan belakang pelat absorber. Pada bagian permukaan belakang pelat absorber diisolasi dari sekelililingnya. Radiasi matahari melalui pelat penutup transparan (Cover glass) diterima oleh permukaan depan atas pelat absorber. Identifikasilah proses perpindahan kalor: a). Jika pelat absorber tanpa pelat penutup

b). Jika pelat absorber ditutup dengan sebuah pelat penutup transparan. 3). Rancangan sebuah kolektor enegi surya yang digunakan di bidang pertanian seperti terlihat pada gambar. Udara dihembuskan melalui sebuah saluran panjang berpenampang segitiga samakaki. Sebuah sisi dari saluran segitiga tersebut ditutup dengan dua lapis bahan semitransparan (Double-paned cover), sedangkan dua sisi lainnya terbuat dari pelat aluminum yang permukaan dalamnya dicat hitam, dan permukaan luarnya dilapisi bahan insulasi styrofoam. Selama matahari bersinar, udara yang melalui sistem terpanasi dan selanjutnya disalurkan ke rumah kaca, unit pengering gabah, atau sebuah sistem penyimpan. Identifikasilah semua proses perpindahan kalor yang berhubungan dengan pelat penutup semitransparan, pelat absorber (pelat aluminum hitam) dan udara.4) Kolektor solar pipa-vakum (Evacuated-tube solar collectors) mempunyai performansi lebih baik dari kolektor solar pelat datar. Konstruksinya terdiri dari sebuah pipa dalam (inner tube) yang berada didalam sebuah pipa luar transparan (outer tube). Ruang annular antara tube divakumkan. Radiasi surya diserap oleh permukaan luar inner tube, dan selanjutnya energi ini diterima oleh fluida kerja yang berada dalam inner tube. Pada rancangan kolektor ini, barisan tube diletakkan didepan/ diatas sebuah panel pemantul (Reflecting panel). Identifikasikanlah semua proses perpindahan kalor yang relevan terhadap performansi alat.Jawaban :

1) Proses perpindahan kalor yang terjadi pada system kerja tersebut adalah sebagai berikut :

Gambar. 1 Ruangan yang terdiri dari 2 lapisan kaca dan 1 lapisan kaca Proses perpindahan kalor terhadap sistem pada kaca ganda (double pane)

Air Space Daouble pane

Keterangan :

= radiasi netto

= perpindahan kalor

q1= Konveksi dari udara ruangan ke permukaan dalam kaca pertamaq2= Pertukaran radiasi netto antara didnding ruangan dengan permukaan dalam kaca pertama

q3= Konduksi melalui kaca pertama

q4= Konveksi dari permukaan luar kaca pertama ke udara diantara kaca pertama dan kedua

q5= Pertukaran radiasi netto antara permukaan luar kaca pertama dengan permukaan dalam

kaca ke dua

q6= Konveksi dari udara (air) ke permukaan dalam kaca kedua

q7 = Konduksi melalui kaca kedua

q8= Konveksi dari permukaan luar kaca kedua ke udara luar

q9= Pertukaran radiasi netto antara permukaan luar kaca kedua dengan udara luar (lingkungan)

qs.m= Radiasi sinar matahari yang menimpa permukaan luar kaca kedua Proses perpindahan kalor terhadap sistem pada kaca tunggal (single pane)

Keterangan :

= radiasi netto

= perpindahan kalor

q1= Konveksi dari udara ruangan ke permukaan dalam kaca q2= Pertukaran radiasi netto antara didnding ruangan dengan permukaan dalam kaca

q3= Konduksi melalui kaca

q4= Konveksi dari permukaan luar kaca ke udara luarq5= Pertukaran radiasi netto antara permukaan luar kaca dengan udara luar (lingkungan)

qs.m= Radiasi sinar matahari yang menimpa permukaan luar kacaJawaban :2) Proses perpindahan kalor yang terjadi pada system kerja tersebut adalah sebagai berikut :

a. Jika pelat absorber tanpa pelat penutup

Water Tubing

Keterangan :

= radiasi netto

= perpindahan kalor

q1(s.m)= Radiasi matahari yang menimpa pelat absorber langsung, sebagian besar diserap oleh pelat absorberq2= Pertukaran radiasi netto antara pelat absorber dan lingkungan sekelilingq3= Konveksi plat absorbed ke udara luar (lingkungan)

q4= Konveksi ke fluida kerja

q5= Konduksi melalui insulation

b. Jika pelat absorber ditutup dengan sebuah pelat penutup transparan

Keterangan :

= radiasi netto

= perpindahan kalor

q1(s.m)= Radiasi matahari yang menimpa permukaan luar pelat absorber langsung, sebagian besar diserap oleh pelat absorberq2= Konduksi pada cover glassq3= Konveksi dari permukaan dalam cover glass dengan lapisan udara (antara cover glass dan

absorbed plate)q4= Konveksi dari udara ke permukaan luar absorbed plate

q5= Konveksi ke fluida kerjaq6= Konduksi melalui insulation

q7= Pertukaran radiasi netto antara permukaan dalam cover glass dan permukaan luar absorbed plate.

Jawaban :

3) Proses perpindahan kalor yang terjadi pada system kerja tersebut adalah sebagai berikut :

Keterangan :

= radiasi netto

= perpindahan kalor

q1(s.m)= Radiasi matahari yang menimpa permukaan luar pane yang pertama.

q2= Konduksi melaui cover pane pertama

q3= Konveksi dari permukaan dalam pane cover pertama ke lapisan udara antara pane pertama

dan kedua

q4= Perpindahan radiasi netto dari permukaan dalam pane cover pertama ke permukaan luar

pane keduaq5= Konveksi dari lapisan udara ke permukaan luar cover pane kedua

q6= Konduksi melaui cover pane kedua

q7= Konveksi dari permukaan dalam cover pane kedua ke lapisan udara antara cover pane

kedua dan lapisan plate alumunium yang di cat berwarna hitam, q8= Perpindahan radiasi netto dari permukaan dalam pane cover kedua dengan permukaan luar

absorbed plate

q9= Konveksi dari lapisan udara ke permukaan plate alumunium yang di cat berwarna hitam

(absorbed plate), sehingga terjadi penyerapan kalor yang cukup besar pada lapisan plate alumunium ini karena dicat berwarna hitam (emansivitas = 0.98)

q10= Konduksi melalui arbsobed plate yang dicat berwarna hitam (alumunium plate)

q11= Konduksi melalui insulation (styrofoam)Jawaban :

4) Proses perpindahan kalor yang terjadi pada system kerja tersebut adalah sebagai berikut :

Keterangan :

= radiasi netto

= perpindahan kalor

q1(s.m)= Radiasi sinar matahari langsung yang menimpa permukaan luar transparan outer tube.

q2= Konduksi melalui transparan outer tube

q3= Radiasi dari lapisan permukaan dalam tranparan outer tube ke lapisan luar inner tube

q4= Konveksi ke fluida kerja

q5= Radiasi sinar matahri yang mengenai lapisan luar dari reflection panel.q6= Konduksi melalui lapisan reflection panel

q7= Konveksi dari lapisan luar reflection panel ke udara luar.q8= Konveksi dari lapisan udara antara reflection panel dengan permukaan luar dari

transparan outter tube.q9= q2

q10= q3

q11= q4q8

q4

Room Air

q1

Ambient Air

q7

Matahari

qsinar matahari

q3

q5

q9

q2

q6

Dinding ruangan

Room Air

Ambient Air

q4

q1

qsinar matahari

Matahari

q3

q5

q2

Pane space (lapisan kaca)

Matahari

Air

qsinar matahari

q3

q2

Absorbed Plate

q4

q4

q4

Insulation

q5

Matahari

qsinar matahari

q2

Cover glass

q3

q7

Air space

q4

Absorbed Plate

q5

q5

q5

Water tubing

Insulation

q6

Matahari

Alumunium Plate

qsinar matahari

q8

q11

q4

q7

q10

q9

q2

q7

q6

q5

q3

Absorbed Plate

q9

Air Space

q10

q11

S t y r o f o a m

Double pane cover

Matahari

Solar radiation

q1(sinar matahari)

q2

q11

q9

q7

q4

Reflection Panel

Vacum space

Working fluid

Inner tube

Transparan outer tube

q3

q10

q5

q5

q5

q5

q8

q5

q7

q7

q7

q7

q6

q6

q6

q6