Uji Eksperimental Optimasi Laju Perpindahan Kalor Dan Penurunan Tekanan Akibat Pengaruh Laju Aliran Udara Pada Alat Penukar Kalor Jenis Radiator Flat Tube

(1)

UJI EKSPERIMENTAL OPTIMASI LAJU PERPINDAHAN

KALOR DAN PENURUNAN TEKANAN AKIBAT PENGARUH

LAJU ALIRAN UDARA PADA ALAT PENUKAR KALOR JENIS

RADIATOR FLAT TUBE

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi

Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

BINSAR T. PARDEDE NIM. 06 0401 032

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “UJI

EKSPERIMENTAL OPTIMASI LAJU PERPINDAHAN KALOR DAN PENURUNAN TEKANAN AKIBAT PENGARUH LAJU ALIRAN UDARA PADA ALAT PENUKAR KALOR JENIS RADIATOR FLAT TUBE”.

Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mencapai derajat Sarjana S-1 pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel Hasiholan Napitupulu, DEA, selaku Dosen pembimbing, yang selalu memberikan bimbingan dan motivasi sehingga penelitian ini dapat selesai.

2. Bapak Dr-Ing. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

3. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membantu segala keperluan yang diperlukan selama penulis kuliah.

4. Staf Laboratorium Prestasi Mesin, Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara, yang telah membantu pelaksanaan pengujian alat.

5. Kedua orang tua saya Manaor Edyson Pardede dan Dameria Sinaga yang selalu memberikan dukungan moril dan materiil serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada saya.

6. Bapak Ir. J. Nadeak yang telah membantu dalam penyelesaian penelitian ini.

(11)

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, maka dari itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran bersifat membangun untuk perbaikan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca. Tuhan memberkati.

Medan, Agustusl 2011 Penulis,

(12)

DAFTAR ISI

ABSTRAK

KATA PENGANTAR ... i

DAFTAR ISI ... iii

DAFTAR SIMBOL ... v

DAFTAR GAMBAR ... vi

DAFTAR TABEL ... x

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1. . Latar Belakang ... 1

1.2. Batasan Masalah ... 4

1.3. Tujuan Penelitian ... 4

1.4. Manfaat Penelitian ... 5

1.5. Metode Pengumpulan Data ... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6

2.1Perpindahan Panas ... 6

2.2 Alat Penukar Kalor Kompak ... 9

2.3 Radiator ... 13

(13)

2.3.2. Tangki Atas... 15

2.3.3. Tangki Bawah ... 15

2.3.4. Inti Radiator ... 15

2.3.4.1. Pipa (tube) radiator ... 16

2.3.4.2. Sirip (fin) radiator ... 17

2.4 Landasan Teori ... 18

2.5 Efektivitas Alat Penukar Kalor ... 32

2.6 Penurunan Tekanan ... 33

BAB III METODE PENELITIAN ... 34

3.1. Metode Pelaksanaan Penelitian ... 34

3.2. Tempat Penelitian ... 35

3.3. Bahan dan Alat ... 35

3.4. Dimensi Utama Alat Penelitian ... 42

3.5. Pelaksanaan Penelitian ... 44

3.6. Analasi Data ... 44

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 46

(14)

4.2. Pengolahan Data ... 49

4.3. Pembahasan ... 56

4.4. Perhitungan Teoritis... 60

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 70

5.1. Kesimpulan ... 70

5.2. Saran ... 71

(15)

DAFTAR SIMBOL

q = laju perpindahan panas (W)

h

m = laju aliran massa fluida panas (kg/s)

c

m



= laju aliran massa fluida dingin (kg/s)

ph

c = panas jenis fluida panas (J/kgoC)

pc

c = panas jenis fluida dingin (J/kgoC)

co

T = temperatur fluida dingin keluar (oC)

ci

T = temperatur fluida dingin masuk (oC)

ho

T

= temperatur fluida panas keluar (oC)

hi

T = temperatur fluida panas masuk (oC)

A_c = luas permukaan sisi dingin yang mengalami perpindahan panas (m2) Afr,c = area frontal fluida dingin (m2)

Ao,c = area bebas alir fluida dingin (m2)

c

T = temperatur rata-rata fluida dingin (oC)

c

h = koefisien pindahan panas pada sisi tabung (W/m2.K)

h

T = temperatur rata-rata fluida panas (oC)

Ah = luas permukaan sisi panas yang mengalami perpindahan panas (m2)

Afr,h = area frontal fluida panas (m2)

Ao,h = area bebas alir fluida panas (m2)

h

(16)

ε = efektifitas APK (%)

Pt = jarak antar pipa dari sisi transversal (m)

Pl = jarak antar pipa dari sisi longitudinal (m)

Pf = jarak antar puncak sirip (m)

NP,f = jumlah puncak sirip/baris

Nf = jumlah baris sirip

Dh,c = diameter hidrolik udara (m)

Dh,h = diameter hidrolik air (m)

St = bilangan stanton

(17)

ε = emisivitas ;sifat radiasi pada permukaan A = luas permukaan (m2)

σ = konstanta Stefan-Boltzman (5,67.108 W/m2.K4)

T = temperatur absolute permukaan (K)

(18)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Perpindahan panas konduski dari udara hangat ke kaleng minuman

dingin melalui dinding aluminum kaleng ... 7

Gambar 2.2 Perpindahan panas dari plat panas...7

Gambar 2.3 Perpindahan panas secara radiasi ...8

Gambar 2.4 Susunan pelat-sirip...10

Gambar 2.5 Jenis-jenis sirip ...11

Gambar 2.6 Sirip kontinyu pada susunan pipa bulat dan plat...12

Gambar 2.7 Pipa tunggal bersirip...12

Gambar 2.8 Pipa tunggal dengan sirip longitudinal...13

Gambar 2.9 Konstruksi Radiator ...13

Gambar 2.10 Tutup radiator (a) relief valve, dan (b) vacuum valve...14

Gambar 2.11 Tangki atas radiator...15

Gambar 2.12 Tangki bawah radiator ...15

Gambar 2.13 Inti radiator dengan karakteristik flat tube dan arah aliran kedua fluida...16

Gambar 2.14 flat tube susunan segiempat...17

Gambar 2.15 Sirip (fin)...17

Gambar 2.16 Pipa bersirip kontinyu ...19

Gambar 2.17 Area bebas alir udara ...20

(19)

Gambar 2.19 Bilangan Nusselt untuk aliran laminar pada pipa persegi dengan profil

temperatur dan kecepatan berkembang penuh...31

Gambar 2.20 Faktor gesekan untuk aliran laminar berkembang penuh di dalam pipa persegi...31

Gambar 2.21 Keefektifan pada sirip lurus dan lingkaran...34

Gambar 3.1 Radiator ...38

Gambar 3.2 Flow meter ...39

Gambar 3.3 Termokopel...40

Gambar 3.4 Anemometer ...40

Gambar 3.5 Pompa Sirkulasi...41

Gambar 3.6 Termo Resistance...41

Gambar 3.7 Panel indikator temperatur...42

Gambar 3.8 Jarum termokopel...42

Gambar 3.9 Tangki Pemanas...43

Gambar 3.10 Pemanas air 5000 W...43

Gambar 3.11 Katup Kontrol...43

Gambar 3.12 Regulator...44

Gambar 3.13 Motor Listrik...44

Gambar 3.14 Kipas (fan)...45

Gambar 3.15 Skema pemasangan alat uji penelitian...46

Gambar 4.1 Distribusi temperature radiator ...54

(20)

Gambar 4.3 Grafik hubungan kecepatan udara menumbuk radiator (v) terhadap

perpindahan panas menyeluruh sisi panas (Uh)...61

Gambar 4.4 Grafik hubungan kecepatan udara menumbuk radiator (v) terhadap temperature air keluar radiator (Tho)...61

Gambar 4.5 Grafik hubungan kecepatan udara menumbuk radiator (v) terhadap penurunan tekanan udara melalui radiator (ΔPudara)...62

Gambar 4.6 Grafik hubungan kecepatan udara menumbuk radiator (m/s) terhadap efektivitas radiator...63

Gambar 4.7 Distribusi temperatur radiator...63

Gambar 4.8 Grafik kecepatan udara terhadap temperatur air keluar radiator...71

(21)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Data perpindahan panas dan faktor gesekan sesuai karakteristik sirip..24

Tabel 3.1 Alat penukar kalor kompak …...45

Tabel 3.2 Analisa data...48

Tabel 4.1 Data pengujian pada kecepatan udara 2 m/s...49

Tabel 4.12 Sifat udara pada T_c = 304,3 K ...55

Tabel 4.13 Sifat air pada T_h = 345,5 K ...55

Tabel 4.14 Karakteristik sirip 14.77 ………...56

Tabel 4.15 Hasil perhitungan pada setiap variasi kecepatan udara .…………..….59

Tabel 4.16 Sifat udara pada Tc = 308,5 K ………...……...64

Tabel 4.17 Sifat air pada T_h = 348 K...64

(22)

Tabel 4.19 Iterasi untuk memperoleh temperatur fluida keluar pada kondisi

kecepatan udara 2 m/s...68

(23)

ABSTRAK

Sistem pendinginan pada mobil berfungsi untuk menurunkan temperatur pada mesin yang terjadi akibat pembakaran dari ruang bakar. Salah satu alat pendingin pada mesin adalah alat penukar kalor jenis radiator. Dimana alat ini bekerja untuk menurunkan temperatur air pendingin pada mesin. Radiator bekerja berdasarkan hembusan udara dari kipas pendingin yang menumbuk radiator dan debit aliran air yang mengalir di sepanjang pipa radiator tersebut. Permasalahan yang akan dikaji dalam penelitian ini adalah untuk mendapatkan seberapa besar pengaruh laju aliran udara terhadap laju perpindahan kalor dan penurunan tekanan pada alat penukar kalor jenis radiator flat tube.

Obyek penelitian ialah seperangkat alat uji berupa radiator flat tube yang terdiri dari beberapa komponen dan alat ukur yang terintegrasi dan merupakan hasil rakitan penyusun. Desain penelitian yang digunakan ialah eksperimen , dengan cara memanipulasi suatu variabel tertentu untuk melihat efek yang terjadi akibat pengaruh laju aliran udara. Variabel bebas ialah laju aliran udara (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12) m/s dan debit aliran air pada kondisi 18,927.10-5 m3/s .

Berdasarkan analisa data dan pembahasan unjuk kerja alat penukar kalor jenis radiator flat tube yang optimum terjadi pada kondisi kecepatan aliran udara 8 m/s dimana debit aliran air adalah 18,927.10-5 m3/s.

(24)

ABSTRAK

Sistem pendinginan pada mobil berfungsi untuk menurunkan temperatur pada mesin yang terjadi akibat pembakaran dari ruang bakar. Salah satu alat pendingin pada mesin adalah alat penukar kalor jenis radiator. Dimana alat ini bekerja untuk menurunkan temperatur air pendingin pada mesin. Radiator bekerja berdasarkan hembusan udara dari kipas pendingin yang menumbuk radiator dan debit aliran air yang mengalir di sepanjang pipa radiator tersebut. Permasalahan yang akan dikaji dalam penelitian ini adalah untuk mendapatkan seberapa besar pengaruh laju aliran udara terhadap laju perpindahan kalor dan penurunan tekanan pada alat penukar kalor jenis radiator flat tube.

Obyek penelitian ialah seperangkat alat uji berupa radiator flat tube yang terdiri dari beberapa komponen dan alat ukur yang terintegrasi dan merupakan hasil rakitan penyusun. Desain penelitian yang digunakan ialah eksperimen , dengan cara memanipulasi suatu variabel tertentu untuk melihat efek yang terjadi akibat pengaruh laju aliran udara. Variabel bebas ialah laju aliran udara (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12) m/s dan debit aliran air pada kondisi 18,927.10-5 m3/s .

Berdasarkan analisa data dan pembahasan unjuk kerja alat penukar kalor jenis radiator flat tube yang optimum terjadi pada kondisi kecepatan aliran udara 8 m/s dimana debit aliran air adalah 18,927.10-5 m3/s.

(25)

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Kemajuan teknologi bidang otomotif berkembang sangat pesat mendorong manusia untuk selalu mempelajari ilmu pengetahuan dan teknologi. Dalam dunia otomotif khususnya pada mesin motor bakar dikenal berbagai macam sistem yang bekerja. Sistem-sistem tersebut bekerja saling berkaitan antara satu dengan yang lainnya, sehingga apabila salah satu dari sistem tersebut mengalami kerusakan, maka mesin mobil akan mengalami kerusakan.

Mesin dapat digambarkan secara sederhana sebagai sebuah sistem yang terdiri dari beberapa sistem pendukung yang bekerja secara simultan dan terintegrasi. Suatu mesin didalamnya terdapat beberapa sistem pendukung yang bekerja sekaligus. Sistem–sistem tersebut antara lain :

1. Sistem kelistrikan 2. Sistem bahan bakar 3. Sistem pelumasan 4. Sistem pendinginan

(26)

sehingga kinerjanya dapat dipertahankan dalam jangka waktu yang relative lebih lama.

Sistem pelumasan merupakan sistem yang berfungsi sebagai media pelumasan bagian–bagian mesin (engine) yang bergerak sebagai pendukung kerja. Mesin akan dapat bekerja apabila komponen–komponen pendukung didalamnya bergerak (moving part). Gerakan–gerakan komponen tersebut menghasilkan gesekan yang pada akhirnya menimbulkan keausan pada komponen–komponen mesin. Keausan tersebut pada akhirnya mengurangi kinerja mesin.

Sistem pendingin pada mobil berfungsi untuk menurunkan temperature pada mesin yang terjadi akibat pembakaran dari ruang bakar. Proses pembakaran selanjutnya akan menghasilkan tenaga mekanis yang kemudian akan menggerakkan mesin. Akibat lain dari proses pembakaran adalah adanya panas yang apabila tidak didinginkan akan merusak komponen dari mesin itu sendiri. Sistem pendinginan

(cooling sistem) adalah suatu rangkaian untuk mengatasi terjadinya over heating

pada mesin agar mesin dapat bekerja secara optimal.

(27)

Sistem pendinginan pada mesin berfungsi sebagai pelindung mesin dengan cara menyerap panas. Panas mesin dihasilkan dari pembakaran bahan bakar dalam silinder. Panas tersebut merupakan suatu hal yang sengaja diciptakan untuk menghasilkan tenaga, namun jika dibiarkan akan menimbulkan panas yang berlebihan (over heating effect). Panas yang berlebihan itu menjadi penyebab berubahnya sifat–sifat mekanis serta bentuk dari komponen mesin. Sifat serta komponen mesin bila telah berubah akan menyebabkan kinerja mesin terganggu dan mengurangi usia mesin [1].

Selain pendinginan yang disebabkan oleh minyak pelumas ada dua lagi fluida yang berperan penting dalam mendinginkan mesin yaitu udara dan air. Sering dikenal sebagai :

1. Sistem pendinginan udara

Pada sistem ini panas yang dihasilkan dari pembakaran gas dalam silinder dirambatkan keluar. Proses perambatannya menggunakan sirip– sirip yang dipasangkan dibagian luar dari silinder dan ruang bakar. Panas tersebut selanjutnya diserap udara luar yang bersirkulasi dengan temperatur yang lebih rendah dari temperatur sirip pendingin. Udara yang menyerap panas dari sirip-sirip pendingin harus berbentuk aliran atau dengan kata lain udaranya harus mengalir agar temperatur udara sekitar sirip tetap rendah sehingga penyerapan panas berlangsung sempurna [2].

2. Sistem pendinginan air

(28)

ini bekerja berdasarkan prinsip pertukaran panas. Panas hasil pembakaran akan diserap oleh air pendingin yang bersirkulasi. Air pendingin tersebut kemudian didinginkan oleh udara luar yang bertekanan yang dihembuskan oleh blower radiator.

Proses pelepasan panas ke udara sekitar, terjadi melalui kontak langsung antara udara dengan pipa yang dilengkapi dengan perangkat sirip setelah pipa tersebut menerima panas dari air yang sebelumnya membawa panas dari proses pembakaran yang terjadi diruang bakar. Dimana proses pelepasan kalor ini terjadi melalui sebuah alat penukar kalor yang sering disebut dengan radiator.

1.2 Batasan Masalah

Batasan masalah dalam penelitian ini yaitu pengujian dilakukan dengan rencana awal data yang ditetapkan sebagai berikut:

1. Radiator yang digunakan adalah radiator kijang 4-K

2. Kecepatan udara yang mengalir tegak lurus terhadap penampang radiator divariasikan dengan 11 kecepatan, yaitu pada kecepatan 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, dan 12 m/s.

3. Air memasuki radiator pada laju aliran 1,8927.10-4 m3/s, dengan temperatur 80 0C.

1.3 Tujuan Penelitian

Penelitian ini bertujuan untuk :

(29)

2. Menentukan kecepatan udara yang optimal terhadap penurunan temperatur dan tekanan pada radiator yang dipakai pada motor bakar.

3. Membandingkan penurunan temperatur air dan udara yang keluar radiator secara eksperimen dan teoritis.

1.4 Manfaat Penelitian

1. Menghasilkan informasi dalam menentukan kecepatan udara yang optimal untuk mendinginkan air yang melalui radiator pada laju aliran 1,8927.10-4 m3/s.

2. Sebagai penerapan dan pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi di bidang alat penukar kalor kompak

3. Sebagai pengembangan wawasan penelitian secara eksperimental pada Laboratorium Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

1.5. Metode Pengumpulan Data

Adapun metode pengumpulan data dalam skripsi ini, dilakukan dengan cara : 1. Studi Lapangan, dimana penulis melakukan pengamatan langsung dari alat

penukar kalor kompak pada Laboratorium Perpindahan Panas Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

2. Study Literatur, dimana penulis melakukan penelaahan dari buku-buku yang berhubungan dengan permasalahan yang dibahas dalam skripsi ini.

(30)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Perpindahan panas

Perpindahan panas adalah perpindahan energi karena adanya perbedaan temperatur. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

2.1.1. Konduksi

Konduksi merupakan perpindahan panas dari tempat yang bertemperatur tinggi ke tempat yang bertemperatur rendah di dalam medium yang bersinggungan langsung. Jika pada suatu benda terdapat gradien suhu, maka akan terjadi perpindahan panas serta energi dari bagian yang bersuhu tinggi ke bagian yang bersuhu rendah, sehingga dapat dikatakan bahwa energi akan berpindah secara konduksi, laju perpindahan kalornya dinyatakan sebagai [3] :

q= -k.A.∂T

∂x ( 2.1)

Dimana : q = laju perpindahan kalor (W) ⁄ = gradien suhu perpindahan kalor

(31)

Gambar 2.1. Perpindahan panas konduski dari udara hangat ke kaleng minuman dingin melalui dinding aluminum kaleng[4].

2.1.2. Konveksi

Konveksi merupakan perpindahan panas antara permukaan solid dan berdekatan dengan fluida yang bergerak atau mengalir dan itu melibatkan pengaruh konduksi dan aliran fluida.

Gambar 2.2. Perpindahan panas dari plat panas[5].

(32)

q= h.A( Ts-T∞) ( 2.1)

Dimana : h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K) A = luas penampang (m2)

Ts = temperatur plat (K)

T_ɷ = temperatur fluida yang mengalir dekat permukaan (K) 2.1.3. Radiasi

Radiasi, merupakan perpindahan energi karena emisi gelombang elektromagnet (atau photons)

Gambar 2.3. Perpindahan panas secara radiasi [7].

Holman [8] menjabarkan laju perpindahan kalor secara radiasi dapat dinyatakan sebagai :

q= ε . A . σ( Ts4-Tsur4 ) ( 2.1)

Dimana : ε = emisivitas ;sifat radiasi pada permukaan A = luas permukaan (m2)

σ = konstanta Stefan-Boltzman (5,67.108 W/m2.K4)

(33)

2.2. Alat Penukar Kalor Kompak

Secara bebas dapat diartikan, alat penukar kalor kompak merupakan salah satu yang tergabung dalam alat penukar kalor yang memiliki bidang perpindahan panas dengan kerapatan tinggi. Kerapatan tinggi yang dimaksud adalah rasio antara luas permukaan bidang yang mengalami perpindahan panas terhadap volume alat penukar kalor. Namun hal tersebut bukan berarti alat penukar kalor kompak harus selalu memiliki dimensi dan massa yang kecil. Dengan pengartian yang sama, juga dapat

ditetapkan kerapatan permukaan alat penukar kalor kompak (β) lebih besar dari 700

m2/m3[9].

Seperti yang disebutkan sebelumnya, penukar kalor kompak yang menggunakan udara sebagai fluida kerjanya membutuhkan luas permukaan yang lebih besar dari pada alat penukar kalor kompak yang menggunakan cairan sebagai fluida kerjanya. Peningkatan luas permukaan dapat dilakukan dengan menaikkan

kerapatan permukaan perpindahan panasnya (β). Jenis konstruksi dasar yang

digunakan dalam desain sebuah penukar kompak adalah ;

 Menambahkan luas permukaan alat penukar dengan menggunakan sirip pada satu atau lebih sisi-sisinya,

 Pembangkit panasnya menggunakan diameter hidrolik permukaan yang kecil, dan

 Pipa pada alat penukar memiliki diameter yang kecil.

Beberapa yang patut dipertimbangkan adalah biaya, tekanan dan temperatur pada saat pengoperasian, pengotoran, kontaminasi fluida, dan pertimbangan produksi.

(34)

plat-sirip, sirip-sirip ini diapit oleh pelat secara paralel, seperti yang ditampilkan oleh gambar 2.4, terkadang sirip ini digabungkan dengan pipa yang bentuknya telah disesuaikan.

Sirip tersebut dilekatkan pada pelat dengan cara mematri, solder, mengelem, las, dan ekstrusi. Yang tergolong dalam pelat-sirip adalah :

 Sirip lurus dan sederhana, misalnya sirip segitiga sederhana dan segiempat.

 Sirip sederhana namun bergelombak (berombak), dan

 Sirip bercelah, misalnya offset strip, louver, sirip berlubang, dan sirip pin.

Dengan memvariasikan variabel geometris dasar untuk setiap jenis permukaan plat-sirip, adalah mungkin untuk memperoleh berbagai permukaan geometris spesifik. Walaupun pada umumnya kerapatan sirip antara 120-700 sirip/m, namun aplikasinya memungkinkan hingga 2100 sirip/m. Ketebalan sirip pada umumnya antara 0,05-0,25 mm. Ketinggian (puncak) sirip antara 2-20 mm. Sebuah alat penukar kalor pelat sirip dengan luas permukaan perpindahan panas 1300 m2 tiap meter kubiknya mampu ditempati sirip dengan kerapatan 600 sirip/m.

(35)

Gambar 2.5. Jenis-jenis sirip [11].

Pada alat penukar kalor jenis pipa-sirip pada umumnya menggunakan pipa berpenampang lingkaran dan persegi panjang, namun pipa berpenampang elips juga terkadang digunakan. Penambahan sirip dapat digunakan pada sisi luar, dalam, atau luar dan dalam pipa, tergantung pada penggunaannya. Sirip-sirip tersebut digabungkan pada pipa dengan cara pengelasan, pematrian, penekanan (extrusion),

tension winding. Beberapa jenis yang tergolong pipa dengan sirip pada sisi luar yaitu:

1. Sirip kontinyu pada susunan pipa yang terbagi lagi dalam sirip sederhana dan sirip bergelombang.

(36)

Khusus untuk sirip kontinyu, ciri-ciri untuk jenis ini adalah memeliki kerapatan sirip antara 300-600 sirip/m, ketebalan sirip antara 0,1-0,25 mm, panjang alir sirip antara 25-250 mm, kerapatan penukar panas pipa-sirip 725 m2/m3 pada 400 sirip/m.

Gambar 2.6. Sirip kontinyu pada susunan pipa bulat dan plat [12].

(37)

Gambar 2.8. Pipa tunggal dengan sirip longitudinal [14].

2.3. Radiator

Radiator adalah alat yang berfungsi sebagai alat untuk mendinginkan air yang telah menyerap panas dari mesin dengan cara membuang panas air tesebut melalui sirip – sirip pendinginnya [15]. Menurut Kuppan [16] radiator adalah alat penukar kalor kompak yang menggunakan cairan dan gas sebagai fluida kerjanya yang secara luas digunakan pada kendaraan otomotif. Memiliki tipikal kerapatan sirip antara 400-1000 sirip/m (10-25 sirip/in).

Konstruksi radiator terdiri dari : 1. Tutup Radiator

2. Tangki atas 3. Tangki Bawah

4. Inti radiator (Radiator Core)

Berikut adalah penjelasan tiap-tiap bagiannya.

(38)

2.3.1. Tutup Radiator

Tutup radiator berfungsi untuk menjaga tekanan di dalam inti radiator. Tutup radiator dilengkapi dengan relief valve dan vacuum valve. Bila volume cairan pendingin (air) bertambah akibat naiknya temperatur, maka tekanan juga akan bertambah dan relief valve akan membuka dan membebaskan kelebihan tekanan melalui overflow pipe. Bila temperatur cairan pendingin (air) berkurang saat temperaturnya turun maka terjadi kevakuman didalam radiator sehingga pada kondisi ini vakum valve akan membuka secara otomatis untuk menghisap udara agar tekanan dalam radiator sama dengan tekanan atmosfir.

(a)

(b)

(39)

2.3.2. Tangki Atas

Tangki atas radiator berperan sebagai penampung air sebelum masuk kedalam pipa-pipa radiator, tangki radiator ini terbuat dari kuningan atau plastik.

Gambar 2.11. Tangki atas radiator [19].

2.3.3. Tangki Bawah

Tangki bawah radiator berfungsi sebagai penampung cairan pendingin (air) yang telah melalui inti radiator. Material tangki bawah ini sama dengan material tangki atas.

Gambar 2.12. Tangki bawah radiator [20].

2.3.4. Inti Radiator

(40)

Gambar 2.13. Inti radiator dengan karakteristik flat tube dan arah aliran kedua fluida.

2.3.4.1. Pipa (tube) radiator

(41)

Gambar 2.14. Flat tube susunan segiempat.

2.3.4.2. Sirip (fin)

(42)

2.4. Landasan Teori

Perpindahan kalor serta penurunan tekanan (pressure drop) yang terjadi sangat bergantung pada karakteristik inti radiator. Cairan pendingin (air) yang dipompakan masuk ke dalam radiator pada temperatur ± 80 0C akan melepaskan kalornya akibat adanya perbedaan temperatur yang lebih rendah yaitu antara temperatur air dengan dinding pipa radiator bagian dalam, yang berpindah secara konveksi. Selanjutnya perbedaan temperatur yang lebih rendah antara dinding pipa bagian dalam dengan dinding pipa bagian luar akan memicu terjadinya perpindahan panas secara konduksi, dan perpindahan panas dengan cara yang sama akan diteruskan lagi pada sirip-sirip yang sengaja disambungkan pada dinding pipa bagian luar. Untuk mendapatkan penyerapan panas air yang diinginkan maka dengan bantuan kipas (fan), udara ditiupkan pada arah menyilang terhadap radiator sehingga perbedaan temperatur antara sirip dan dinding pipa bagian luar terhadap udara tersebut kembali memicu terjadinya perpindahan panas secara konveksi.

Untuk mengetahui perpindahan panas menyeluruh pada sistem ini adalah suatu keharusan untuk mengetahui sifat-sifat fisis fluida kerjanya, dalam hal ini air dan udara. Sifat-sifat fisis tersebut dapat ditinjau melalui temperatur sebelum dan sesudah masuk radiator. Variasi temperatur pada lapisan batas dapat mempengaruhi laju perpindahan panas, namun ini dapat ditangani dengan mengevaluasi semua sifat pada temperatur rata-rata, menurut Incropera[22]temperatur rata-rata pada aliran eksternal (sirip dan dinding luar pipa radiator) dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

T = T −T

(43)

Dimana :

T = temperatur fluida rata-rata pada sisi sirip (K)

T = temperatur fluida masuk sirip (K)

T = temperatur fluida keluar sirip (K)

Laju aliran massa fluida dingin (udara) yang mengalir melalui radiator (lih. Gambar 2.8), adalah :

ṁ = v × A × ( 2.2)

Dimana :

ṁ = laju aliran massa udara (kg/m) v = kecepatan udara (m/s)

Ao = luas daerah bebas aliran sisi udara (m2)

ρ = massa jenis udara pada temperatur rata-rata(kg/m3)

Menurut Kuppan [23], area bebas alir udara (Ao,c) adalah selisih antara luas

(44)

Secara matematis, area bebas alir udara pada gambar 2.8 dapat dirumuskan sebagai berikut :

Gambar 2.17. Area bebas alir udara.

A , = [A −( d . L . N ) ] −[(δ .L . N )−( d . N .δ .N ) ] ( 2.3)

Dimana :

A , = area bebas alir (m 2

)

A = luas daerah frontal radiator sisi udara (m2)

d = diameter luar pipa radiator (m) Ntr = jumlah pipa dalam satu baris

Nf = jumlah sirip

= tebal sirip (m) L1 = tinggi radiator (m)

(45)

Kays dan London [25] merumuskan kecepatan massa sebagai berikut :

Menurut Kays dan London [26], diameter hidrolik diartikan sebagai empat kali rasio antara luas penampang yang dialiri fluida dengan perimeter basah. Kuppan [27]

merumuskan diameter hidrolik alat penukar kalor kompak pada gambar 2.8 sebagai berikut :

terkonveksi oleh udara (m2)

Langkah pertama yang mendasar pada penanganan segala kasus perpindahan panas secara konveksi adalah menentukan aliran lapisan batasnya, apakah laminar atau

(46)

Re = D × G

µ ( 2.6)

Dimana :

Re = bilangan Reynold Dh = diameter hidrolik (m)

G = kecepatan massa (kg/m2.s)

µ = koefisien viskositas fluida pada temperatur rata-rata (N.s/m2).

Kays dan London melibatkan bilangan Stanton dan Prandtl untuk mengetahui koefisien perpindahan panas pada penukar kalor kompak untuk sisi udaranya. Beliau juga menyajikan beberapa tabel untuk menentukan parameter diatas dan faktor gesekan berdasarkan karakteristik sirip dan bilangan Reynold nya.

(47)

(48)

(49)

an

ju

ta

n

T

ab

el

2

.1

(50)

L

an

ju

ta

n

T

ab

el

2

.1

(51)

an

ju

ta

n

T

ab

el

2

.1

(52)

L

an

ju

ta

n

T

ab

el

2

.1

(53)

Berdasarkan penjelasan diatas, koefisien perpindahan panas untuk sisi udara dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan yang digunakan oleh Kays dan London [32] sebagai berikut :

Cpc= panas spesifik pada temperatur rata-rata (J/kg.K)

Sama halnya dengan perpindahan panas pada sisi yang mengalami konveksi terhadap udara diatas, Kays juga menggunakan beberapa persamaan yang sama untuk menganalisa perpindahan panas pada sisi yang mengalami konveksi terhadap air. Diawali dengan persamaan temperatur rata-rata pada aliran didalam pipa :

T = T −T

2 ( 2.8)

Dimana :

T = temperatur fluida panas rata-rata (K)

T = temperatur fluida panas masuk pipa radiator (K)

T = temperatur fluida panas keluar pipa radiator (K)

Dan untuk memperoleh bilangan Reynold aliran air di dalam pipa, dapat kembali menggunakan persamaan (2.6).

Pada gambar 2.8, diameter hidrolik (Dh) sisi air untuk pipa berpenampang

lingkaran sama dengan diameter dalam (di) pipa tersebut, namun untuk pipa pelat

(54)

diameter hidrolik adalah empat kali rasio antara luas penampang yang dialiri fluida dengan perimeter basahnya, atau perimeter basah dalam hal ini dapat diasumsikan sebagai keliling penampangnya. Maka dapat dirumuskan sebagai berikut :

D = 4( p × l)

2( p + l) ( 2.9)

Dimana :

p = panjang (m) l = lebar (m)

Untuk aliran bebas alir sisi air pada prinsipnya sama dengan persamaan 2.3. Sehingga untuk area bebas alir sisi air gambar 2.8 dapat dirumuskan sebagai berikut :

A , =

π× d

4 N ( 2.10)

Dimana :

di = diameter dalam pipa (m)

Nt = jumlah tabung

(55)

Gambar 2.19. Bilangan Nusselt untuk aliran laminar pada pipa persegi dengan profil temperatur dan kecepatan berkembang penuh [33].

(56)

Incropera [35] menjelaskan untuk aliran turbulen (Re≥2300) didalam pipa dengan penampang yang noncircular dapat menggunakan persamaan Colburn berikut :

= 0,023. . ( 2.11)

Pada aliran didalam pipa, Incropera [36] merumuskan hubungan antara koefisien perpindahan panas dengan bilangan Nusselt dan diameter hidrolik sebagai berikut :

Kays dan London [37] juga mengemukakan persamaan untuk memperoleh koefisien perpindahan panas menyeluruh dan keefektifan mnyeluruh sisi udara sebagai berikut:

1

Uh = koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi panas (W/m2.K)

(57)

ηo,h = keefektifan menyeluruh permukaan sisi panas

Ah = luas permukaan perpindahan panas sisi panas (m2)

Ac = luas permukaan perpindahan panas sisi dingin (m2)

Aw = luas permukaan dinding pipa yang mengalami konduksi (m2)

hc = koefisien perpindahan panas konveksi sisi dingin (W/m2.K)

hh = koefisien perpindahan panas konveksi sisi panas (W/m2.K)

k = koefisien perpindahan panas konduksi pipa (W/m.K)

untuk mengetahui keefektifan sirip menyeluruh sisi udara, terlebih dahulu mengetahui keefektifan sirip. Keefektifan sirip dapat diperoleh dengan menggunakan grafik pada gambar 2.12, nilai m.l pada axis nya diperoleh dengan menggunakan persamaan berikut :

m. l = 2. h

k .δ × l ( 2.15)

Dimana :

hc = koefisien perpindahan panas konveksi sisi dingin (W/m2.K)

k = konduktivitas termal sirip (W/m.K)

δf = tebal sirip (m)

(58)

Gambar 2.21. Keefektifan pada sirip lurus dan lingkaran[38].

maka untuk mengetahui keefektifan menyeluruh permukaan sisi dingin, dapat menggunakan persamaan berikut :

η , = 1−

A

A ( 1− η ) ( 2.16)

Dimana :

Af = luas total sirip (m2)

Atot= luas total bidang yang mengalami konveksi terhadap udara (m2) ηf = keefektifan sirip.

2.5. Efektivitas Alat Penukar Kalor

(59)

dipindahkan ke fluida dingin harus sama dengan panas yang diserahkan dari fluida panas.

Q = m c . Cpc (Tco – Tci) = 

mh . Cph (Thi – Tho) (2.17)

Holman [39] dalam bukunya mengemukakan bahwa efektivitas alat penukar perpindahan kalor maksimum

Dari persamaan ( 2.4),jika :

1. m h . Cph = Ch = Cmin maka ε =

(60)

2.6. Penurunan Tekanan

Penurunan tekanan merupakan selisih antara tekanan masuk dengan tekanan keluar. Penurunan tekanan ini terjadi akibat gesekan antara molekul-molekul fluida dengan bidang yang dilaluinya, dalam hal ini pipa dan sirip-sirip. Menurut Kays dan London [40], untuk mengetahui penurunan tekanan yang terjadi pada alat penukar kalor kompak dapat menggunakan persamaan berikut :

∆P = G

2. g v. f L

r ( 2.22)

Dimana :

∆P = penurunan tekanan (Pa) = kecepatan massa (kg/m2.s)

g = konstanta gravitasi = 1 kg.m/(N.s2)

v = volume spesifik (m3/kg)

f = friction factor

L = panjang laluan fluida (m)

(61)

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Metode Pelaksanaan Penelitian

(62)

3.2. Tempat Penelitian

Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3.3. Bahan dan Alat

Bahan-bahan penelitian yang akan dirakit terdiri atas : 1. Pipa cast iron 11/4 inch

2. Selang radiator atas kijang 4-K 3. Triplek sebagai isolator tangki air 4. Elbow pipa 11/4 inch

5. Lem red silicon 6. Seal tape

Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah: 1. Radiator Kijang KF 20 No. 1461-0201

Digunakan sebagai media untuk mengadakan pertukaran kalor.

(63)

2. Flowmeter

Flow meter adalah alat untuk mengukur laju aliran air. Satuan dari alat ini adalah dalam gallon/menit.

Adapun spesifikasi dari flowmeter diatas adalah sebagai berikut :

Mode : GPI Industrial Grade Flowmeter

G2P10N09GMA Temperature masuk : -40oC – 121oC Laju aliran massa maksimum : 20 GPM

Gambar 3.2. Flowmeter 3. Termokopel

Alat ini digunakan untuk mengukur suhu masuk dan suhu keluar dari radiator. Dengan spesifikasi sebagai berikut :

Mode : Thermokopel Thermometer KW 06-283 Skala Temperatur : Celsius (oC), Fahrenheit (oF)

(64)

Gambar 3.3. Termokopel 4. Anemometer

Alat ini digunakan untuk mengukur kecepatan udara yang menumbuk radiator sekaligus mengukur temperatur udara yang menumbuk radiator dan yang melewati radiator.

Gambar 3.4. Anemometer Adapun spesifikasi dari alat ini adalah :

Mode : Thermistor NTC Sensor CHY 361 Temperatur udara : -20oC sampai 60oC

Resolusi : 0,1oC / oF

Kecepatan udara : 0 m/s samppai 30 m/s

(65)

5. Pompa Sirkulasi

Pompa ini untuk mensirkulasikan air, dengan data-data teknis sebagai berikut:

Model : AQVA 125B

Head : H = 35m

Kapasitas : Q = 42 liter /menit Daya : P = 125 watt Putaran : 2850 rpm

Gambar 3.5. Pompa Sirkulasi 6. Termo resistance PT 100 ohm

Alat ini digunakan untuk mengukur suhu, dengan data-data teknis:

(66)

Adapun spesifikasi termo resistance adalah sebagai berikut : Diameter : 0,50

Material : RTD BuLB

Tipe : PT 100 ohm

Continious : 0 – 500oC Sensitivitas : 6 µV/oC

7. Panel indikator temperatur dan jarum termokopel

Alat ini berfungsi untuk memberikan nilai temperatur fluida tempat jarum termokopel dicelupkan.

Gambar 3.7. Panel indikator temperatur.

(67)

8. Tanki pemanas

Alat ini berfungsi sebagai temapat/wadah untuk memanaskan air.

Gambar 3.9. Tangki Pemanas. 9. Pemanas air 5000 W

Alat ini berfungsi untuk memanaskan air yang telah ditampung pada tanki air, dengan memanfaatkan energi listrik.

Gambar 3.10. Pemanas air 5000 W. 10. Valve/katup kontrol

Katup control ini berfungsi untuk mengatur laju aliran air yang mengalir.

(68)

11. Regulator

Alat ini digunakan untuk mengatur putaran pada motor listrik. Dengan spesifikasi sebagai berikut :

Kapasitas : 0,5 KVA

Input : 50 - 130 V/160 – 240 V Frekwensi : 50 – 60 Hz

Output : 50 – 300 V

Ganbar 3.12. Regulator 12. Motor listrik

Motor ini digunakan untuk menggerakkan kipas pendingin radiator.

(69)

Spesifikasi motor listrik untuk menggerakkan kipas dapat dilihat di bawah ini : Mode : Motor listrik AC

Daya : 2 Hp Putaran : 2800 rpm Arus : 2,4 Ampere 13. Kipas (fan)

Kipas (fan) ini berfungsi untuk menghasilkan udara berkecepatan, dimana kipas (fan) ini diputar oleh motor listrik.

Gambar 3.14 Kipas (fan) 3.4. Dimensi Utama Penelitian

Dimensi utama radiator yang digunakan pada penelitian ini adalah : Tabel 3.1. Alat penukar kalor kompak

Parameter Dimensi/satuan

Lebar radiator (L3) 0,417 m

Tebal radiator (L2) 0,04 m

Panjang pipa (L1) 0,345 m

Penampang sisi dalam pipa (lt,i x tt,i) 0,01 m × 0,002 m

(70)

Jarak antar pipa (Pt) 0,009 m

Jumlah puncak sirip/baris (NP,f) 86

Lebar sirip (lt,o) 0,0105 m

Jumlah pipa (Nt) 68

Jumlah susunan sirip 70

Susunan pipa-sirip Segaris (in line)

Jumlah kolom pipa-sirip 2

Susunan beberapa komponen peralatan yang digunakan dalam penelitian dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Gambar 3.15. Skema pemasangan alat uji penelitian Keterangan gambar :

(71)

3. Pompa Sirkulasi 4. Flow Meter 5. Fan

6. Motor Listrik 7. Regulator 8. Radiator

3.5. Pelaksanaan Penelitian

1. Menyalakan pompa untuk mensirkulasikan air yang ada di dalam heater melalui radiator.

2. Menyetel katup agar air yang melalui radiator selalu pada laju aliran 18,927.105 m3/s . Setelah diperoleh debit yang sesuai, pompa dimatikan. 3. Menyalakan kipas (fan) dan menyetel regulator agar diperoleh kecepatan

udara menumbuk radiator sebesar 2m/s. Setelah diperoleh kecepatan udara yang sesuai, kipas dimatikan.

4. Air didalam heater dipanaskan hingga 800C, dan pompa kembali dinyalakan.

5. Pada saat pompa dinyakan, secara bersamaan kipas yang telah diatur kecepatannya juga dinyalakan.

(72)

7. Langkah-langkah diatas dilakukan lagi pada kondisi kecepatan udara yang berbeda yaitu pada kecepatan 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s, 6 m/s, 7 m/s, 8 m/s, 9 m/s, 10 m/s, 11 m/s, dan 12 m/s.

3.6. Analisa Data

Dengan menggunakan persamaan-persamaan yang diberikan dalam tinjauan pustaka, data hasil pengukuran digunakan untuk menghitung bilangan Reynold, bilangan Nusselt, koefisen perpindahan kalor menyeluruh.

Data eksperimental temperatur keluar udara dan air dan efektivitas radiator akan ditabulasikan seperti di bawah berikut :

Tabel 3.2. Analisa data

No Q (gpm) Thi (oC) Tho

(oC) Tci (

o_{C) T} ci (oC)

1 2 3

(73)

BAB IV

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Data Hasil Penelitian

Adapun data yang diperoleh dari hasil penelitian yang dilakukan di Laboratorium, adalah sebagai berikut:

Tabel 4.1. Data pengujian pada kecepatan udara 2 m/s No Q (m3/s) Thi (oC) Tho (oC) Tci (oC) Tco (oC)

1 18,927.10-5 80 71,4 31 37,9

2 18,927.10-5 80 71,3 31 37,7

3 18,927.10-5 80 71,5 31 38

rata-rata 80 71,4 31 37,87

1 18,927.10-5 80 71,3 30,5 37 2 18,927.10-5 80 71,2 30,5 37 3 18,927.10-5 80 71,2 30,4 37 rata-rata 80 71,23 30,47 37

(74)

Tabel 4.4. Data pengujian pada kecepatan udara 5 m/s

1 18,927.10-5 80 69,8 31 34,9

2 18,927.10-5 80 69,6 31 35

3 18,927.10-5 80 69,6 31 35,1

rata-rata 80 69,67 31 35

1 18,927.10-5 80 69,4 31 34,2

2 18,927.10-5 80 69,2 30,9 34,4 3 18,927.10-5 80 69,2 30,9 34,2 rata-rata 80 69,27 30,93 34,27

1 18,927.10-5 80 69 31 34

(75)

Tabel 4.8. Data pengujian pada kecepatan udara 9 m/s

1 18,927.10-5 80 67,2 30,6 33,2 2 18,927.10-5 80 67,2 30,6 33,2 3 18,927.10-5 80 67,1 30,8 33,2 rata-rata 80 67,17 30,67 33,2

1 18,927.10-5 80 66,3 30,2 32,8 2 18,927.10-5 80 66,3 30,2 32,9 3 18,927.10-5 80 66,2 30,1 32,8 rata-rata 80 66,27 30,17 32,83

1 18,927.10-5 80 64,7 30 32,6

2 18,927.10-5 80 65 30 32,6

3 18,927.10-5 80 65,3 30 32,6

(76)

4.2. Pengolahan Data

Untuk data pengujian pada kecepatan udara 12 m/s dilakukan pengolahan data sebagai berikut :

Kondisi pengoperasian, sisi udara :

 Temperatur udara masuk (Tci) = 30 0C = 303 K  Laju aliran massa udara (ṁc)

Kecepatan udara (v) = 12 m/s

Luas penampang radiator (Afr) = (345 x 417) 10-6 m2= 0,143865 m2

Dari tabel diperoleh ρudara @30 oC = 1,151416 kg/m3

Maka, mc = v . Afr. ρ

= (12 m/s) ( 0,143865 m2) (1,151416 kg/m3) = 1,98778 kg/s

Kondisi pengoperasian, sisi air

 Temperatur air masuk (Thi) = 80 0C = 353 K  Laju aliran massa air (ṁh)

Laju aliran air = 1,8927.10-4 m3/s

Dari tabel diperoleh ρair @80 oC = 972,0062 kg/m3

Maka, mh = 0,1839 kg/s

Karakteristik radiator

 Panjang pipa (L1) = 0,345 m

 Tebal pipa (δt) = 0,00025 m

(77)

 Jumlah baris pipa (Nt,t) = 34  Jumlah kolom pipa (Nt,l) = 2

 Susunan pipa = segiempat

 Jarak antar pipa (Pt) = 0,009 m

 Tebal sirip (δf) =0,000125 m

 Jarak antar puncak sirip (Pf) = 0,004 m  Jumlah puncak sirip/baris (NP,f) = 86  Jumlah baris sirip (Nt,f) = 35  jumlah kolom sirip (Nl,f) = 2

 lebar sirip (lt,o) = 0,0105 m

 panjang sirip = 0,01 m

 material sirip (kf) = 400 W/m.K  tebal radiator (L2) = 0,04 m  lebar radiator (L3) = 0,417 m

Dari data diatas maka karakteristik radiator selanjutnya dapat diperoleh, antara lain : A. sisi udara

 Luas permukaan pipa (Ato)

Ato = 2( 0,0105+ 0,0025) × 0,345× 68= 0,60996m2  Luas sirip (Af)

(78)

 Area bebas alir (Ao,c)

kondisi temperatur masuk dan keluar fluida air dan udara dari tabel 4.11 Tci = 30 0C = 303 K

Thi = 80 0C = 353 K

Tco = 34 0C = 307 K

Tho = 65 0C = 338 K

(79)

T_c = Tco+ Tci

Dari nilai temperatur rata-rata diatas maka sifat-sifat udara dan air dapat diperoleh melalui tabel seperti yang dilampirkan berikut ini.

Tabel 4.12. Sifat udara pada T_c = 304,3 K

T (K) (N.s/m) Cpc (J/kg.K) k (W/m.K) Pr v (m3/kg)

300 0,00001846 1007 0,0263 0,707 0,86103

304,3 0,00001866 1007,172 0,026617 0,7064 0,873414

(80)

Re = D , × G

Tabel 4.14. Karakteristik sirip 14.77

Re StPr2/3 f

14.77

6000 0,00367 0,0101

5378,52305 0,00361322 0,010373

5000 0,00352 0,0106

Maka bilangan stanton-nya (St)

= 0,00361322

0,793097 = 0,004555

Bilangan Nusselt

Dari gambar 2.10, dapat diperoleh bilangan nusselt dengan karakteristik pipa : a = 0,002 m ; b = 0,01 m dengan panas masuk konstan.

(81)

Perpindahan Panas Menyeluruh Sisi udara

Dengan melakukan pendekatan pada gambar 2.12 diperoleh ηf, pada :

m = 2. h k.δ =

2 × 85,22681

400 × 0,000125= 58,40229m

m. l = 58,40229 × 0,009

Sementara nilai ηo,h =1, sebab tidak terdapat sirip pada bagian dalam pipa radiator.

Untuk dampak fouling juga dapat diabaikan karena kondisi radiator masih baru dan durasi penelitian tidak sampai menimbulkan pengotoran pada dinding dalam pipa. Maka perpindahan panas menyeluruh sisi dingin, adalah :

1

( 0,56304 3,16846⁄ ) 1144,60697 U = 58,6802921 W m . K⁄

Dan perpindahan panas menyeluruh sisi panas, adalah :

1

(82)

Efektivitas Radiator

C = C × ṁ = 1007,172 × 1,982 = 1996,2149 W K⁄ = Cmax

C = C × ṁ = 4191,4 × 0,1839 = 770,7985 W K⁄ = Cmin

Maka, dengan menggunakan persamaan (2.18) untuk Ch = Cmin diperoleh ; ε= ( T −T )

( T −T ) =

353−338

353−305,6 = 0,31646

Penurunan Tekanan

Dengan menggunakan persamaan (2.21) maka: Penurunan tekanan udara,

Dengan melihat grafik pada gambar 2.11 untuk pipa persegi panjang dengan b/a = 5, diperoleh ( f .Re) = 19, maka

(83)

melakukan perhitungan yang sama seperti diatas. Adapun hasil perhitungannnya dapat dilihat pada tabel berikut :

Tabel 4.15. Hasil perhitungan pada setiap variasi kecepatan udara vudara

Variasi kecepatan udara yang menumbuk pipa radiator mempengaruhi koefisien perpindahan panas menyeluruh radiator (Uc dan Uh) dan efektivitas

radiator. Untuk koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan, perubahan signifikan hanya terjadi pada sisi yang dilalui oleh udar (hc dan ΔPudara), hal ini

diakibatkan karena pada penelitian ini hanya memvariasikan laju aliran udara, sementara untuk air atau sisi panas tidak divariasikan.

(84)

dan perbedaan tekanan yang rendah untuk menentukan kecepatan udara optimum yang menumbuk radiator.

Dari pengolahan data diatas dapat ditunjukkan hubungan antara kecepatan udara yang menumbuk radiator terhadap koefisien perpindahan panas menyeluruh pada sisi dingin. Dari gambar 4.2., dapat dilihat bahwa koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi dingin tertinggi terjadi pada kecepatan udara tertinggi yaitu 12 m/s.

Gambar 4.2. Grafik hubungan kecepatan udara menumbuk radiator (v) terhadap perpindahan panas menyeluruh sisi dingin (Uc).

Grafik pada gambar 4.3., menunjukkan hubungan antara kecepatan udara menumbuk radiator terhadap koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi panas. Sama halnya dengan perpindahan panas menyeluruh sisi dingin, dari grafik dapat dilihat koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi dingin terbesar terjadi pada kondisi kecepatan udara yang terbesar juga yaitu 12 m/s.

(85)

Gambar 4.3. Grafik hubungan kecepatan udara menumbuk radiator (v) terhadap perpindahan panas menyeluruh sisi panas (Uh).

Grafik pada gambar 4.4., menunjukkan hubungan antara kecepatan udara menumbuk radiator terhadap temperatur air keluar yang melalui pipa radiator. Dari gambar dapat dilihat semakin tinggi kecepatan udara semakin tinggi pula penurunan temperatur air tersebut atau dengan kata lain temperatur air keluar radiator rendah, dan penurunan temperatur air keluar terendah terjadi pada kondisi kecepatan udara terbesar yaitu 12 m/s.

(86)

Pada gambar 4.5., dapat dilihat grafik hubungan antara kecepatan udara menumbuk radiator terhadap penurunan tekanan udara. Penurunan tekanan udara yang rendah menunjukkan pembebanan motor listrik sebagai penggerak kipas yang rendah juga, dan hal ini pulalah yang diharapkan pada penelitian ini. Dari grafik dapat dilihat penurunan tekanan terendah terjadi pada kondisi kecepatan udara terendah yaitu 2 m/s.

Gambar 4.5. Grafik hubungan kecepatan udara menumbuk radiator (v) terhadap

penurunan tekanan udara melalui radiator (ΔPudara).

Pada gambar 4.6., dapat dilihat grafik hubungan antara kecepatan udara menumbuk radiator terhadap efektivitas radiator. Semakin tinggi kecepatan udara menumbuk radiator semakin tinggi efetivitas, sehingga nilai efektivitas tertinggi terjadi pada kondisi kecepatan udara sebesar 12 m/s.

(87)

Gambar 4.6. Grafik hubungan kecepatan udara menumbuk radiator (m/s) terhadap efektivitas radiator.

4.4. Perhitungan Teoritis

Untuk melakukan perhitungan teoritis, dilakukan dengan menggunakan metode-NTU untuk mendapatkan temperatur keluar kedua fluida. Data yang diketahui adalah temperatur masuk kedua fluida, laju aliran massa kedua fluida, dan bentuk geometris radiator seperti yang tertera pada sub-bab 4.2 .

(88)

Maka sebagai pendekatan awal dapat diasumsikan temperatur udara keluar (Tco) dan temperatur air keluar (Tho) sebagai berikut;

Tco = 40 0C = 313 K

Dari nilai temperatur rata-rata diatas maka sifat-sifat udara dan air dapat diperoleh melalui tabel seperti yang dilampirkan berikut ini.

Tabel 4.16. Sifat udara pada T_c = 308,5 K

T (K) (N.s/m) Cpc (J/kg.K) k (W/m.K) Pr v (m3/kg)

300 0,00001846 1007 0,0263 0,707 0,86103

308,5 0,00001886 1007,34 0,026929 0,7058

(89)

G = ṁ

Tabel 4.18. Karakteristik sirip 14.77

Re StPr2/3 f

14.77

1000 0,00585 0,0231

884,43497 0,0063007 0,025585

800 0,00663 0,0274

Dari gambar 2.10, dapat diperoleh bilangan nusselt dengan karakteristik pipa : a = 0,002 m ; b = 0,01 m dengan panas masuk konstan.

(90)

Koefisien Perpindahan Panas

Dengan melakukan pendekatan pada gambar ( ) diperoleh ηf, pada :

m = 2. h k.δ =

2 × 24,71587

400 × 0,000125= 31,44256m

m. l = 31,44256 × 0,009

(91)

Sisi air

Karena kondisi radiator masih baru maka dampak fouling masih kecil, sehingga dapat diasumsikan ηo,h =1.

( 3,16846 0,56304⁄ ) 0,9976 × 24,71587 U = 123,75117W m . K⁄

Ntu dan Efektivitas Radiator

C = C × ṁ = 1007,34 × 1,982 = 332,7640511 W K⁄ = Cmin

Dengan menggunakan persamaan (2.17), diperoleh

ε= ( T −T ) ( T −T )

T = T + ε( T −T )

(92)

Dengan menggunakan kesetimbangan energi panas, maka temperatur udara keluar :

Dari perhitungan diatas ternyata temperatur air dan udara keluar berbeda dengan temperatur air dan udara keluar yang dimisalkan pada awal perhitungan ini.

T = 312,745K≠313K ,dan

T = 349,2263K≠343K

Maka perhitungan berlanjut dengan metode iterasi yang ditunjukkan pada tabel berikut:

Tabel 4.19. Iterasi untuk memperoleh temperatur fluida keluar pada kondisi kecepatan udara 2 m/s.

Thi Tci vudara Tho sem. Tco sem Th rata-rata Tc rata-rata

353 304 2 343 313 348 308,5

353 304 2 349,2263217 312,745336 351,1131608 308,3726679 353 304 2 349,228655 312,745164 351,1143275 308,3725818 353 304 2 349,2286558 312,745164 351,1143279 308,3725818

(lanjutan tabel 4.19)

ρudara

@Tci ṁc

Gc µh Cph kh

(93)

Prh vh µc Cpc kc Prc

2,354 1,0258 0,00001886 1007,34 0,026929 0,70581

2,256605175 1,027667897 0,00001886 1007,334907 0,026920 0,70583 2,256570175 1,027668597 0,00001886 1007,334903 0,026920 0,70583 2,256570163 1,027668597 0,00001886 1007,334903 0,026920 0,70583

vc Reh Rec St.Pr2/3 f St

0,88551 1202,041016 884,4349701 0,006300704 0,025585 0,00794811 0,885143284 1250,435847 884,7168829 0,006299604 0,025579 0,007946589 0,885143035 1250,453672 884,7170737 0,006299603 0,025579 0,007946588 0,885143036 1250,453678 884,7170736 0,006299603 0,025579 0,007946588

Nuh hc hh Uc Uh Cc

5,7059 24,71586902 1144,606967 21,99076508 123,7511714 332,7640511 5,7059 24,71101513 1145,751397 21,98928746 123,7428562 332,7623686 5,7059 24,71101184 1145,752596 21,98928734 123,7428555 332,7623675 5,7059 24,71101184 1145,752596 21,98928734 123,7428555 332,7623675

Ch NTU Cr ε Tho Tco

771,16626 0,209388 0,431507534 0,17847624 349,2263 312,7453 771,6242682 0,209375 0,431249226 0,17847272 349,2287 312,7452 771,6244399 0,209375 0,431249129 0,17847273 349,2287 312,7452 771,6244399 0,209375 0,431249129 0,17847273 349,2287 312,7452

Dari tabel diatas dapat dilihat perhitungan dihentikan pada pengiterasian keempat, sehingga dapat disimpulkan temperatur air keluar (Tho) dan temperatur

udara keluar (Tco) secara teoritis pada kondisi kecepatan udara 2m/s adalah

349,2286558 K dan 312,745164 K atau 76,2286558 oC dan 39,745164 oC.

(94)

udara keluar (Tco), dan penurunan tekanan pada kedua fluida kerja (∆P dan ∆P ) pada kondisi udara yang lain ditampilkan pada tabel berikut :

Tabel 4.20. Hasil perhitungan teoritis vudara 10 70,7389 34,9591 305,782731 54,3380409 18,7738 33,891 63,413 11 70,1772 34,2995 321,597042 57,1482672 19,7125 40,012 63,403 12 69,6843 33,9733 337,340736 59,9459444 20,6313 46,410 63,394

(95)

Pada gambar 4.7 dan 4.8. dibawah akan ditampilkan grafik perbandingan temperatur keluar kedua fluida antara eksperimental dan teoritis.

Gambar 4.7. Grafik kecepatan udara terhadap temperatur air keluar radiator.

(96)

(97)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Berdasarkan penelitian dan analisa yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan sebagai berikut :

1. Koefisien perpindahan panas menyeluruh terbesar terjadi pada kondisi kecepatan udara menumbuk radiator 12 m/s, yaitu dengan koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi dingin Uc = 59,9589 W/m2.K, dan koefisien

menyeluruh sisi panas Uh = 337,4137 W/m2.K .

2. Penurunan tekanan udara yang minimum terjadi pada kondisi kecepatan udara 2 m/s, tetapi koefisien perpindahan panas menyeluruh yang terjadi sangat

rendah, yaitu ΔPair = 3,1788 Pa dan Uc = 21,9585 W/m2.K.

3. Unjuk kerja APK yang optimum adalah yang terjadi pada kondisi kecepatan udara 8 m/s. Dimana pada daerah inilah koefisien perpindahan panas menyeluruh cukup besar, efektivitas tidak terlalu rendah dan penurunan tekanan yang tidak terlalu besar, yaitu Uc = 47,9739 W/m2K, ε = 24,13 %, dan

∆P = 23,1249 kPa.

4. Pada segala kondisi, temperatur air keluar radiator secara eksperimental lebih rendah ± 5oC dibanding dengan temperatur air keluar radiator secara teoritis, dan temperatur udara melalui radiator secara ekperimental juga lebih rendah ±

(98)

5.2. Saran

Adapun saran untuk kelanjutan penelitian ini adalah:

1. Menggunakan karakteristik sirip radiator yang berbeda sesuai dengan jenis karakteristik sirip pada gambar 2.9.

(99)

DAFTAR PUSTAKA

[1] Maleev N.L, Internal Combustion Engine, Mc Graw-Hill,Book Company, Inc, Singapore, (1982), Halaman 374

[2] Literatur [1] Halaman 385.

[3] Holman, J.P, Perpindahan Kalor, Penerbit Erlangga, Jakarta (2000). Halaman 2.

[4] Yunus A. Cengel, Heat Transfer A Practical Approach, Second Edition, Mc Graw-Hill,Book Company, Inc, Singapore, (2003), Halaman 26

[9] Taborek J., G.F. Hewiit, N. Afgan, Heat Exchangers – theory and

practice, Mc Graw-Hill,Book Company, Inc, New York, (1983),