Subscribe to DeepL Pro to translate larger documents.
Visit www.DeepL.com/pro for more information.
Dasar-dasar Ilmu Fluida Termal
Edisi ke-4 dalam Satuan SI
Yunus A. Çengel, John M. Cimbala, Robert H. Turner McGrawHill, 2012
Bab 17
KONDUKSI PANAS TUNAK
Slide kuliah oleh
Mehmet Kanoğlu
Hak Cipta© 2012 The McGraw-Hill Companies, Inc. Izin diperlukan untuk reproduksi atau tampilan.
Tujuan
•
Memahami konsep hambatan termal dan batasannya, dan
mengembangkan jaringan hambatan termal untuk masalah konduksi
panas praktis
•
Memecahkan masalah konduksi mantap yang melibatkan geometri
persegi panjang, silinder, atau bola berlapis-lapis
•
Mengembangkan pemahaman intuitif tentang resistensi kontak
termal, dan keadaan di mana resistensi tersebut mungkin
signifikan
•
Mengidentifikasi aplikasi di mana insulasi benar-benar dapat
meningkatkan perpindahan panas
•
Menganalisis permukaan bersirip, dan menilai seberapa efisien dan
efektif sirip meningkatkan perpindahan panas
2
17-1 KONDUKSI PANAS YANG STABIL PADA DINDING BIDANG
Perpindahan panas melalui dinding rumah dapat dimodelkan
sebagai perpindahan panas yang stabil dan satu dimensi.
Suhu dinding dalam hal ini tergantung pada satu arah saja
(katakanlah arah-x) dan dapat dinyatakan sebagai T(x).
untuk operasi yang stabil
Dalam operasi yang stabil, laju perpindahan panas melalui
dinding adalah konstan.
Hukum Fourier tentang
konduksi panas
3
Laju konduksi panas melalui dinding bidang
sebanding dengan konduktivitas termal ratarata, luas dinding, dan perbedaan suhu, tetapi
berbanding terbalik dengan ketebalan dinding.
Setelah laju konduksi panas tersedia, suhu
T(x) di lokasi mana pun x dapat ditentukan
dengan mengganti T2dengan T, dan L dengan
x.
4
Dalam kondisi tunak, distribusi suhu pada
dinding bidang merupakan garis lurus: dT/dx =
konstanta.
Konsep Resistensi Termal
Hambatan konduksi dari dinding:
Resistensi termal dinding terhadap
konduksi panas.
Resistensi termal dari suatu media tergantung
pada geometri dan sifat termal dari media
tersebut.
Analogi antara konsep hambatan termal dan listrik.
laju perpindahan panas→ hambatan termal arus
listrik→ hambatan listrik perbedaan suhu→ perbedaan
tegangan
Hambatan listrik
5
Hukum Newton tentang pendinginan
Hambatan konveksi pada permukaan:
Hambatan termal permukaan terhadap konveksi
panas.
Skema untuk hambatan konveksi pada suatu permukaan.
Apabila koefisien perpindahan panas konveksi sangat besar (h→  ), resistensi
konveksi menjadi nol dan Ts T.
Artinya, permukaan tidak memberikan hambatan terhadap konveksi, dan dengan
demikian tidak memperlambat proses perpindahan panas.
Situasi ini didekati dalam praktiknya pada permukaan di mana pendidihan dan
pengembunan terjadi.
6
Resistensi radiasi pada permukaan:
Resistensi termal permukaan terhadap radiasi.
Koefisien perpindahan panas radiasi
Koefisien perpindahan panas
gabungan
Skema
untuk
hambatan konveksi dan radiasi
pada suatu permukaan.
7
Jaringan Resistensi Termal
Jaringan resistensi termal untuk perpindahan panas melalui dinding bidang yang mengalami konveksi pada
kedua sisi, dan analogi listrik.
8
Penurunan suhu
U koefisien
perpindahan panas
keseluruhan
Setelah Q dievaluasi, suhu
permukaan T1dapat ditentukan
dari
Penurunan suhu di seluruh lapisan sebanding dengan
ketahanan termalnya.
9
Dinding
Bidang
Multilayer
Jaringan resistensi termal untuk
perpindahan panas melalui
dinding bidang dua lapis yang
mengalami konveksi pada kedua
sisinya.
10
Ti
tOtlll, i
Q-
Tp i
T:
j
Tg; - T2
konv. 1+
Tg I - T2
twall, 1
L
l
hA
kiA
Tg
Untuk mencari Tl: g=
Evaluasi temperatur permukaan dan
antarmuka ketika Tqldan Tp(2) diberikan dan
Q dihitung.
conv.2
dinding,
*
Untuk
T,-.
mengisikan
p
-
Untuk
mencari T3: g =
T-i-Ti
CORV, I
Tz" 'eonv,1+
T2
'dinding, 1
17-2 TAHANAN KONTAK TERMAL
Distribusi suhu dan garis aliran panas di sepanjang dua pelat padat
yang saling menempel satu sama lain untuk kasus kontak sempurna dan tidak sempurna.
12
•
Ketika dua permukaan seperti itu
ditekan satu sama lain, puncaknya
membentuk kontak material yang baik,
tetapi lembahnya membentuk celah
yang terisi udara.
•
Banyaknya celah udara dengan
berbagai ukuran ini bertindak sebagai
insulasi karena konduktivitas termal
udara yang rendah.
•
Dengan demikian, suatu antarmuka
menawarkan sejumlah hambatan
terhadap perpindahan panas, dan
hambatan ini per satuan luas antarmuka
disebut hambatan kontak termal, Rc.
Eksperimental yang khas
pengaturan
eksperimental yang khas untuk
penentuan resistansi kontak
termal
13
h c konduktansi kontak
termal
Nilai resistansi kontak
termal tergantung
pada:
• kekasaran permukaan,
• sifat material,
• suhu dan tekanan
pada antarmuka
• jenis cairan yang
terperangkap pada
antarmuka.
Resistensi kontak termal adalah signifikan dan bahkan dapat mendominasi
perpindahan panas untuk konduktor panas yang baik seperti logam, tetapi dapat
diabaikan untuk konduktor panas yang buruk seperti isolasi.
14
Resistensi kontak termal dapat
diminimalkan dengan menerapkan
•
•
pelumas termal seperti minyak silikon
•
lapisan logam lunak seperti timah, perak,
tembaga, nikel, atau aluminium
gas penghantar yang lebih baik seperti
helium atau hidrogen
Pengaruh lapisan logam pada
konduktansi kontak termal
15
Konduktansi kontak termal paling tinggi (dan dengan demikian kontak
resistansi kontak paling rendah) untuk logam lunak dengan permukaan halus pada tekanan tinggi. 16
17-3 JARINGAN RESISTANSI TERMAL UMUM
Jaringan
resistansi termal
untuk dua lapisan
paralel.
17
Dua asumsi dalam memecahkan masalah
perpindahan panas multidimensi yang
kompleks dengan memperlakukannya
sebagai satu dimensi menggunakan
jaringan resistansi termal adalah
(1) setiap bidang dinding yang normal terhadap
sumbu x adalah isotermal (yaitu, dengan
mengasumsikan suhu bervariasi dalam arah-x
saja)
(2) setiap bidang yang sejajar dengan sumbu-x
adalah adiabatik (yaitu, untuk mengasumsikan
perpindahan panas hanya terjadi pada arah-x
saja)
Apakah keduanya memberikan hasil yang sama?
Jaringan resistansi termal untuk gabungan seriparalel
pengaturan.
18
17-4 KONDUKSI PANAS DALAM SILINDER DAN BOLA
Perpindahan panas melalui pipa
dapat dimodelkan sebagai mantap
dan satu dimensi.
Temperatur pipa tergantung pada
satu arah saja (arah radial-r) dan
dapat dinyatakan sebagai T = T(r).
Suhu tidak bergantung pada sudut
azimuthal atau jarak aksial.
Situasi ini diperkirakan dalam
praktiknya pada pipa silinder panjang
dan wadah berbentuk bola.
19
Panas hilang dari pipa air panas ke udara di
luar dalam arah radial, dan dengan demikian
perpindahan panas dari pipa panjang adalah
satu dimensi.
Pipa silinder panjang (atau cangkang bola)
dengan suhu permukaan dalam dan luar
yang ditentukan T1dan T2.
Hambatan konduksi dari lapisan silinder
20
Cangkang bola
dengan suhu
permukaan dalam
dan luar tertentu
T1dan T2.
21
Resistansi konduksi dari lapisan bola
untuk lapisan silinder
untuk lapisan bola
Jaringan resistansi termal untuk
cangkang silinder (atau bola)
yang mengalami konveksi dari
sisi dalam dan luar.
22
Silinder dan Bola Berlapis Banyak
Jaringan resistansi termal untuk
perpindahan panas melalui
silinder komposit tiga lapis yang
mengalami konveksi pada
kedua sisinya.
23
Setelah laju perpindahan panas Q dihitung,
suhu antarmuka T2dapat ditentukan dari salah
satu dari
dua hubungan berikut:
24