Oven konveksi bekerja berdasarkan prinsip menciptakan konveksi paksa di dalam ruang oven menggunakan kipas. Sebuah kue kecil akan dipanggang di dalam oven dengan fitur konveksi dalam keadaan tidak aktif. Dalam kondisi ini, koefisien konveksi bebas yang terkait dengan kue dan loyangnya adalah $h_{fr} = 3 \text{ W/m}^2 \cdot \text{K}$. Udara dan dinding oven berada pada suhu $T_\infty = T_{sur} = 413,15 \text{ K}$. Tentukan fluks kalor yang diterima oleh loyang dan adonan kue saat pertama kali dimasukkan ke dalam oven dan berada pada suhu awal $T_i = 297,15 \text{ K}$. Jika fitur konveksi diaktifkan, koefisien perpindahan kalor konveksi paksa menjadi $h_{fo} = 27 \text{ W/m}^2 \cdot \text{K}$. Berapakah fluks kalor pada permukaan adonan atau loyang saat oven dioperasikan dalam mode konveksi? Asumsikan nilai emisivitas sebesar $0,97$ untuk adonan kue dan loyang.
Kita identifikasi data yang diperlukan
- Koefisien Konveksi Bebas ($h_{fr}$): $3 \text{ W/m}^2 \cdot \text{K}$
- Koefisien Konveksi Paksa ($h_{fo}$): $27 \text{ W/m}^2 \cdot \text{K}$
- Suhu Permukaan ($T_\infty$): $453,15 \text{ K}$
- Suhu Oven ($T_s$): $297,15 \text{ K}$
- Emisivitas ($\varepsilon$): $0,97$
- Konstanta Stefan-Boltzmann ($\sigma$): $5,67 \times 10^{-8} \text{ W/m}^2 \cdot \text{K}$
(a) Fluks Kalor pada Keadaan Konveksi Alami
Kita hitung fluks kalor konveksi
$$q”_{konv,alami} = h_{fr} \cdot (T_\infty – T_s)$$
$$q”_{konv,alami} = 3 \cdot (453,15 – 297,15)$$
$$q”_{konv,alami} = 3 \cdot 156$$
$$q”_{konv,alami} = 468 \text{ W/m}^2$$
Kita hitung fluks kalor radiasi
$$q”_{rad,alami} = \varepsilon \cdot \sigma \cdot (T_\infty^4 – T_s^4)$$
$$q”_{rad,alami} = 0,97 \cdot 5,67 \times 10^{-8} \cdot (453,15^4 – 297,15^4)$$
$$q”_{rad,alami} = 5,499 \times 10^{-8} \cdot ((4,531 \times 10^2)^4 – (2,971 \times 10^2)^4)$$
$$q”_{rad,alami} = 5,499 \times 10^{-8} \cdot (421,479 \times 10^8 – 77,913 \times 10^8)$$
$$q”_{rad,alami} = 5,499 \times 10^{-8} \cdot 343,566 \times 10^8$$
$$q”_{rad,alami} = 1889,269 \text{ W/m}^2$$
Kita hitung fluks kalor keseluruhan
$$q”_{total,alami} = q”_{konv,alami} + q”_{rad,alami}$$
$$q”_{total,alami} = 468 + 1889,269$$
$$\mathbf{q”_{total,alami} = 2357,269 \text{ W/m}^2}$$
(b) Fluks Kalor pada Keadaan Konveksi Paksa
Kita hitung fluks kalor konveksi
$$q”_{konv,paksa} = h_{fr} \cdot (T_\infty – T_s)$$
$$q”_{konv,paksa} = 27 \cdot (453,15 – 297,15)$$
$$q”_{konv,paksa} = 27 \cdot 156$$
$$q”_{konv,paksa} = 4212 \text{ W/m}^2$$
Kita hitung fluks kalor radiasi
$$q”_{rad,paksa} = \varepsilon \cdot \sigma \cdot (T_\infty^4 – T_s^4)$$
$$q”_{rad,paksa} = 0,97 \cdot 5,67 \times 10^{-8} \cdot (453,15^4 – 297,15^4)$$
$$q”_{rad,paksa} = 5,499 \times 10^{-8} \cdot ((4,531 \times 10^2)^4 – (2,971 \times 10^2)^4)$$
$$q”_{rad,paksa} = 5,499 \times 10^{-8} \cdot (421,479 \times 10^8 – 77,913 \times 10^8)$$
$$q”_{rad,paksa} = 5,499 \times 10^{-8} \cdot 343,566 \times 10^8$$
$$q”_{rad,paksa} = 1889,269 \text{ W/m}^2$$
Kita hitung fluks kalor keseluruhan
$$q”_{total,paksa} = q”_{konv,paksa} + q”_{rad,paksa}$$
$$q”_{total,paksa} = 4212 + 1889,269$$
$$\mathbf{q”_{total,paksa} = 6101,269 \text{ W/m}^2}$$
