Sistem termal yang berupa dinding datar yang konstruksinya terdiri dari dua atau lebih bahan yang berbeda konduktivitas termalnya banyak ditemui pada instalasi industri seperti misalnya pada tanur termal bertemperatur tinggi. Permasalahan perpindahan panas pada sistem termal seperti itu dapat diselesaikan dengan menggunakan model analogi tahanan listrik yang tersusun secara seri atau paralel.
Untuk membahas masalah tersebut marilah kita tinjau sistem termal yang terdiri dari dua buah dinding datar yang saling menempel satu dengan lainnya. Kedua dinding termal tersebut memiliki tebal dan konduktivitas termal yang berbeda. Proses perpindahan panas konduksi berlangsung dari permukaan sisi kiri yang bertemperatur lebih tinggi ke sisi permukaan luar dinding yang berada di sisi paling kanan.
Laju perpindahan panas total dari permukaan dinding paling kiri ke permukaan dinding paling kanan dapat dinyatakan dengan persamaan:
Qw = (Twi - Two)/Rw tot
Di sini R wtot adalah tahanan termal total konduksi sistem dinding datar, yang merupakan jumlah dari kedua tahanan termal dinding datar yang ada di dalam sistem:
R wtot = dx1/k1A1 + dx2/k2A2
Untuk lebih memahami prinsip-prinsip yang telah dibahas maka marilah kita bahas contoh soal 1 berikut ini:
Contoh soal 1:
Sebuah oven memiliki jendela berukuran 50 cm x 40 cm tebalnya 40 mm terbuat dari bahan plastik tahan temperatur tinggi dengan konduktivitas termal bahan 0,17 W/mK. Jendela oven tersebut ditempeli bahan plastik jenis lain yang berukuran sama namun dengan tebal 20 mm dan memiliki konduktivitas termal 0,08 W/mK. Temperatur permukaan dalam jendela tersebut adalah 110 °C, sedangkan temperatur permukaan bagian luarnya adalah 50 °C.
Dalam persoalan ini kita akan memperkirakan besarnya:
a) Tahanan termal sistem tersebut
b) Laju transmisi energi panas melalui jendela oven tersebut
c) Temperatur permukaan batas kedua dinding
Pembahasan:
Sebelum melakukan perhitungan, terlebih dahulu kita harus membuat gambar sistem. Di bawah ini adalah contoh gambar sistem yang merepresentasikan soal diatas.
Besarnya laju perpindahan panas konduksi yang terjadi pada dinding pelat tersebut dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
Qw = (Twi - Two)/Rw tot
Rwtot adalah tahanan termal konduksi dinding datar total yang merupakan gabungan dari kedua tahanan dinding yang berimpitan pada jendela oven yang besarnya dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
Qw = (Twi - Two)/Rw tot
Sebelum melakukan perhitungan, terlebih dahulu perlu dilakukan penyetaraan sistem satuan bagi besaran-besaran yang nantinya terlibat dalam perhitungan:
Twi = 110 °C = (110 + 273) K = 383 K
Two = 50 °C = (50 + 273) K = 323 K
dx1 = 40 mm = (40/1000) m = 0,04 m
dx2 = 20 mm = (20/1000)m = 0,02 m
k1 = 0,17 W/mK
k2 = 0,08 W/mK
A1 = A2 = 50 cm x 40 cm = 0,5 m x 0,4 m = 0,2 m²
Perhitungan:
Rw1 = dx1/k1A1 = (0,04 m)/ (0,17 W/mK . 0,2 m2) = 1,18 K/W
Rw2 = dx2/k2A2 = (0,02 m)/ (0,08 W/mK . 0,2 m2) = 1,25 K/W
Rwtot = Rw1 + Rw2 = 1,18 + 1,25 = 2,43 K/W
Qw = (Twi - Two)/Rw tot = (383 K - 323 K) / 2,43 K/W = 24,73 W = 24,73 J/s
Besarnya temperatur permukaan batas kedua dinding dapat dihitung melalui persamaan:
Qw 1= (Twi - TwB)/Rw1
Dengan:
Rw1 = dx1/k1A1 = (0,04 m)/ (0,17 W/mK . 0,2 m2) = 1,18 K/W, dan
Qw1 = Qw = 24,73 W
Maka diperoleh:
TwB = 353,8 K = 80,8 °C
Kesimpulannya adalah bagi persoalan tersebut, energi panas yang ditrasmisikan melalui jendela oven yang memiliki bahan yang berbeda adalah 24,73 joule per detik atau 24,73 W. Sistem tersebut memiliki tahanan termal sebesar 2,43 K/W dan temperatur pada batas di antara kedua dinding adalah 80,8 °C.
Semoga ada manfaatnya....
Referensi: Teknik Perpindahan Energi panas, Chandrasa Soekardi
WordPress.com