BAB IV HASIL PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Perhitungan dan Pengolahan Data
4.2.1 Pembahasan untuk Variasi Material Bahan Sirip
Bedasarkan hasil perhitungan yang telah dilakukan, diperoleh grafik distribusi suhu, laju aliran kalor, efisiensi, dan efektivitas sirip dengan bentuk penampang segi enam sama sisi yang tersusun atas dua bahan untuk variasi bahan sirip yang hasilnya dapat dilihat pada Gambar 4.1 sampai Gambar 4.15. Grafik laju aliran panas, efisiensi, dan efektivitas sirip untuk masing – masing variasi material bahan sirip dibandingkan terhadap waktu pada keadaan tak tunak.
Dari masing – masing grafik variasi bahan sirip yang telah diperoleh, dapat dilihat bahwa variasi komposisi bahan pada sirip memiliki pengaruh yang besar terhadap distribusi suhu, laju aliran panas, efisiensi, dan efektivitas dengan bentuk penampang segi enam. Hal mendasar yang membedakan setiap bahan dalam distribusi suhu, laju aliran panas, efisiensi, dan efektivitas untuk setiap komposisi variasi bahan sirip adalah nilai difusivitas termal. Difusivitas termal merupakan kemampuan suatu material untuk menyalurkan panas dibandingkan dengan kemampuannya untuk menyimpan panas. Material yang memiliki nilai difusivitas termal tinggi akan semakin cepat menyalurkan panas dari satu bagian ke bagian lainnya. Difusivitas termal didapatkan dari nilai konduktivitas termal (k), massa jenis (ρ), dan panas jenis (c) masing – masing bahan. Rumus untuk difusivitas termal adalah k/(ρ.c). Data difusivitas termal masing – masing variasi bahan yang ditinjau dapat dilihat pada Tabel 4.10.
Tabel 4.10 Nilai Konduktivitas Termal, Massa Jenis, Panas Jenis, dan Difusivitas Termal Masing – Masing Bahan Material Sirip yang Ditinjau
Bahan k (W/moC) ρ (kg/m3) c (J/kgoC) Difusivitas termal (m2/s)
Aluminium 237 2702 903 9,713 x 10-5
Besi 80,2 7870 447 2,279 x 10-5
Tembaga 401 8933 385 11,659 x 10-5
Seng 116 7140 389 4,176 x 10-5
Nikel 90,7 8900 444 2,295 x 10-5
Dari grafik yang telah diperoleh, laju aliran kalor pada detik – detik awal (t
= 1s) dari masing – masing variasi komposisi bahan sirip cenderung seragam. Hal ini disebabkan karena pada saat t = 1s, sirip dengan semua variasi komposisi bahan suhunya tidak mengalami banyak perbedaan terhadap suhu dasar sirip (Tb).
Saat waktu telah menunjukkan t = 25s sampai pada keadaan tunak, perbedaan antara komposisi material bahan yang memiliki difusivitas termal tinggi dan rendah sudah terlihat perbedaannya. Sirip dengan komposisi variasi material berdifusivitas tinggi, seperti Tembaga dan Aluminium memiliki kemampuan untuk tetap mempertahankan suhu di setiap volume kontrolnya. Sirip dengan variasi komposisi material berdifusivitas tinggi memiliki nilai suhu yang lebih tinggi yang dimana hal ini disebabkan oleh kecepatan perambatan panas yang tinggi secara terus – menerus dari suhu dasar (Tb) yang dipertahankan tetap 100oC dari waktu ke waktu di setiap volume kontrol sirip. Hal ini dapat membuktikan rumus q = h As (Ti - T∞), dimana semakin besar selisih antara suhu dasar sirip Ti
dengan suhu fluida di sekitar sirip T∞ membuat laju aliran kalor (q) menjadi semakin besar. Berbeda dengan sirip yang komposisi materialnya berdifusivitas termal rendah. Sirip dengan komposisi material yang berdifusivitas termal rendah, contohnya Besi dan Nikel yang dimana material ini tidak mampu mempertahankan suhu disetiap volume kontrolnya sehingga suhunya rendah, terutama di ujung volume kontrol cenderung rendah. Material berdifusivitas rendah memiliki kecepatan rambat panas dari dasar sirip hingga ke ujung sirip yang lambat sehingga suhu pada volume kontrol ujung sirip terus menerus bereaksi dengan fluida yang berada disekitar sirip yang memiliki suhu lebih rendah. Suhu sirip yang rendah menyebabkan perbedaan suhu sirip Ti dan suhu fluida di sekitar sirip T∞ menjadi kecil, hal ini menyebabkan laju aliran panas menjadi rendah pula.
Untuk nilai efisiensi dari sirip, grafik yang diperoleh memiliki pola yang hampir sama dengan grafik nilai laju aliran kalor. Grafik dapat dilihat pada Gambar 4.8. Pada detik awal (t = 1s) nilai efisiensi dari masing – masing variasi komposisi material bahan sirip cenderung seragam. Hal ini disebabkan karena pada detik t =1s, sirip belum mengalami perubahan suhu yang signifikan antara
suhu dasar sirip ( Tb =100oC ) dengan suhu fluida di sekitar sirip T∞ = 30oC. Saat suhu pada masing – masing volume kontrol belum banyak mengalami perubahan terhadap suhu dasar Tb dan suhu awal Ti, maka laju aliran kalor yang didapat pada masing – masing variasi komposisi material bahan sirip mendekati laju aliran panas maksimalnya. Ketika t = 1s dapat dilihat bahwa sirip dengan variasi komposisi material bahan yang nilai difusivitas rendah memiliki nilai efisiensi yang lebih tinggi dari komposisi material bahan yang nilai difusivitasnya tinggi.
Contohnya pada variasi material bahan Besi-Besi dengan Besi-Tembaga, dimana variasi komposisi material bahan pada Besi-Besi memiliki nilai difusivitas yang lebih rendah dari pada Besi-Tembaga namun memiliki nilai koefisien yang lebih tinggi pada t = 1s. Hal ini disebabkan karena nilai difusivitas yang tinggi membuat perpindahan panas dapat berdifusi secara cepat dari satu bagian ke bagian yang lain. Ketika t = 25s sampai pada keadaan tunak, terlihat perbedaan nilai efisiensi dari masing – masing variasi komposisi material bahan sirip. Sirip dengan variasi komposisi material bahan yang memiliki difusivitas termal paling tinggi yaitu Besi-Tembaga memiliki nilai efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan sirip dengan variasi komposisi material bahan yang memiliki difusivitas rendah seperti Besi-Besi. Efisiensi merupakan perbandingan antara panas yang mampu dilepas sirip dibandingakan dengan jumlah panas yang mampu dilepas jika seluruh volume kontrol sirip memiliki suhu yang sama dengan suhu dasar sirip, Tb
= 100oC. Sirip dengan komposisi material bahan yang berdifusivitas rendah tidak memiliki kemampuan yang bagus untuk mempertahankan suhu di setiap volume kontrol dikarenakan kecepatan perambatan panas yang lambat dari dasar sirip (Tb) hingga ke ujung sirip, sehingga suhu disetiap volume kontrol menjadi rendah dikarenakan sirip terus mengalami reaksi dengan fluida disekitar sirip yang memiliki suhu lebih rendah daripada suhu pada volume kontrol sirip.
Untuk nilai efektivitas sirip, grafik yang diperoleh memiliki pola yang hampir sama dengan grafik nilai laju aliran kalor dan grafik efisiensi. Grafik dapat dilihat pada Gambar 4.9. Pada detik awal (t = 1s) nilai efektivitas dari masing-masing komposisi bahan belum memiliki perbedaan yang signifikan karena nilai suhu pada setiap volume kontrol sirip belum mengalami banyak perubahan
dibandingkan dengan suhu awalnya, Ti = 100oC. Pada nilai efektivitas hampir serupa dengan nilai efisiensi yaitu pada saat t = 1s dapat dilihat bahwa sirip dengan variasi komposisi material bahan yang nilai difusivitas rendah memiliki nilai efektivitas yang lebih tinggi dari komposisi material bahan yang nilai difusivitasnya tinggi. Contohnya pada variasi material bahan Besi-Besi dengan Besi-Tembaga, dimana variasi komposisi material bahan pada Besi-Besi memiliki nilai difusivitas yang lebih rendah dari pada Besi-Tembaga namun memiliki nilai koefisien yang lebih tinggi pada t = 1s. Hal ini disebabkan karena nilai difusivitas yang tinggi membuat laju aliran panas semakin cepat dari satu bagian ke bagian yang lain sehingga membuat nilai efektivitasnya semakin besar juga. Perbedaan nilai efektivitas dari masing-masing variasi komposisi material bahan terlihat pada t = 25s sampai pada keadaan tunak, sirip dengan variasi komposisi material bahan yang memiliki nilai difusivitas termal yang tinggi seperti Besi-Tembaga memiliki efektivitas yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan variasi komposisi material bahan yang memiliki nilai difusivitas termal rendah seperti Besi-Besi yang memiliki efektivitas paling rendah. Efektivitas merupakan perbandingan laju aliran panas ketika benda dipasang sirip dengan laju aliran panas ketika benda tidak dipasangi sirip.
Dari hasil perhitungan yang telah diperoleh dan grafik yang telah dilampirkan, maka dapat diketahui bahwa nilai difusivitas suatu material bahan sangat mempengaruhi distribusi suhu, laju aliran panas, efisiensi dan efektivitas sirip. Sirip dengan komposisi material yang memiliki nilai difusivitas yang tinggi akan memiliki distribusi suhu, laju aliran panas, efisiensi, dan efektivitas yang juga tinggi.
4.2.2 Pembahasan untuk Variasi Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi