Studi Perpindahan Panas… 63
STUDI PERPINDAHAN PANAS PADA ALAT BANTU PENDINGINAN PRA RADIATOR PADA ENGINE STAND BENSIN DENGAN
MENGGUNAKAN PROGRAM CFD Taufiq Hidayat 1) ,Arif Setyo Nugroho 2)
1)
Universitas Nahdatul Ulama Surakarta,
2)
Akademi Teknologi Warga Surakarta
ABSTRAK
Over heating that occurs in motor fuel is often caused due to sub-optimal performance of the radiator. One other solution that is very simple to do is to utilize the initial cooling before entering the radiator with the addition of a tool that is a finned channel. To prove the extent to which the effectiveness of the tool (finned channel) in combustion using CFD program. CFD simulation is one that is used with the help of Fluent software to explain the heat transfer phenomena that occur on the channel that is placed pre finned radiator. The results showed a reduction in the use of CFD temperature by using a finned channel with a variable number of fins 6 and 11 respectively are 740C, 730C, whereas the amount of direct research fins 6 and 11 respectively are 74.570C, 73.570C. Keywords: CFD, Radiator, finned Channels, Number of fins, Engine Stand
I. PENDAHULUAN
Parameter performance sebuah mesin otomotif adalah salah satunya
“Heat Balance”.
Komponen-komponen “Heat Balance” antara lain kerugian panas karena pelumasan, pendinginan, pembuangan, pembakaran yang tidak sempurna. Kerugian panas akibat sistem pendinginan memegang sekitar 30% dari panas hasil pembakaran. Gangguan yang terjadi pada sistem pendinginan menyebabkan indikator suhu mesin menunjukan gejala over heating. Kondisi dengan suhu mesin yang sangat extrim ini menyebabkan gangguan pada komponen komponen
mesin lain yang sangat meningkatkan kemungkinan terjadi gangguan. Terjadinya over heating pada saat pemakaian ditandai dengan mesin mati dengan sendirinya. Terbukanya katup thermostat pada saat suhu mesin mencapai suhu kerja yang berkisar 85-900C, sedang apabila suhu mesin masih dibawah suhu kerja aliran air akan melalui bypass. Arismunandar ( 2002) menjelaskan dalam penelitiannya bahwa pada dasarnya performa sistem pendinginan dapat dikontrol dari warna air, apabila sudah keruh saat dijalankan maka dapat dikatakan radiator kotor dan
Studi Perpindahan Panas… 64 perlu dilakukan pengkondisian ulang
(Arismunandar, 2002).
Pemakian air radiator yang berasal dari air sumur sering menyebabkan permasalahan pada radiator, solusinya adalah dengan penambahan coolant radiator. Selain penambahan coolant radiator cara lain yang bisa dilakukan antara lain mengganti kipas dengan jumlah sudu. Pemilihan sudu yang lebih banyak akan mengakibatkan serapan tenaga ke mesin menjadi bertambah besar sehingga dampak secara langsung adalah mesin menjadi lebih boros. Solusi lain yang telah dilakukan guna meningkatkan performa radiator adalah penambahan alat pendingin pra radiator yang berupa saluran bersirip dengan penambahan PCM (Phase Change Material), maupun non PCM yang berupa saluran yang dilengkapi dengan sirip.
Penambahan PCM pada saluran masuk radiator mampu menurunkan suhu air masuk radiator turun sebesar 100C. (Giyanto, 2007). Sedangkan pemakaian sirip dengan
jumlah 6 dan11 tanpa memakai parafin (PCM) mampu menurunkan suhu yang akan masuk ke radiator turun sebesar 3 – 80 (Rochmadi, 2005). Penurunan suhu mesin dengan modifikasi pengkondisian saluran oli oleh Tedjo (2006) dalam penelitianya perubahan saluran bersirip dari pabrikan ke modifikasi mampu menurunkan suhu mesin sebesar 180C, yang diukur di dalam ruang carter oli mesin.
II. BAHAN DAN METHODE
A. BAHAN
Bahan yang digunakan adalah a. Satu set PCM
b. Engine stand ( bensin) c. Alat ukur suhu
d. Disain komputasi dalam gambit.
Simulasi CFD yang dilakukan adalah dengan mempergunakan bentuk geometri saluran bersirip dengan ukuran seperti pada gambar 2 (a), 2 (b) dan 2 (c).
8
output input
Studi Perpindahan Panas… 65 25 mm 80 mm 25 mm Ø32 mm 130 mm Ø 60 mm
Gambar 2. Saluran bersirip Keterangan gambar
1. Suhu input radiator 2. Radiator
3. Suhu out put mesin 4. Saluran bersirip
5. Saluran bersirip input no 1- 11
6. Saluran bersirip out put.
Gambar 2 (a) adalah gambar pandangan samping saluran bersirip dengan ukuran detail ukuran panjang dan jarak sirip, gambar 2 (b) adalah gambar pandangan depan dengan ukuran diameter pipa dan sirip sedangkan gambar 2 (c) Peletakan saluran bersirip
1
2
3
4 5
Studi Perpindahan Panas… 66 (c) adalah gambar
penempatan saluran bersirip pada engine stand L 300 bensin. Pada simulasi CFD jumlah sirip divariabelkan 6 dan 11. Dimensi jarak sirip 11 seperti tampak pada gambar 2 (a) dan jarak sirip 6 pada di dua sisi luar berjarak sama sedangkan jarak antar sirip tengah berjarak 16 mm. Pada Simulasi CFD material yang diambil adalah fluida air
dengan temperatur masuk saluran bersirip 3500K (diambil dari pengukuran langsung).
B. METHODE
Metodologi penelitian ini disajikan sebagaimana pada diagram alir, prosedur simulasi sebagaimana terlihat dalam gambar 3.
Gambar 2 diagram alir penelitia III. KAJIAN PUSTAKA
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
Studi Perpindahan Panas… 67 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 temperature antara sirip dan dinding pipa bagian luar terhadap udara tersebut kembali memicu terjadinya perpindahan panas secara konveksi.
1. Konduksi panas melalui dinding rata
... (1) Dimana :
q = konduksi panas melalui dinding rata (W) k = konduktivitas kalor (W/m.k) A = luas penampang (m2 ) ∆x = tebal dinding (m) T1 = temperatur
pada dinding luar bagian kiri (°K)
T2 = temperatur
pada dinding luar bagian kanan (°K)
2. Konduksi panas melalui silinder ... (2) Dimana : Q = laju perpindahan panas konveksi (W) T1 = temperatur dinding dalam (oK) T2 = temperatur dinding luar (oK) ro = jari-jari luar (m) r1 = jari-jari dalam (m) 3. Perpindahan panas
konveksi atau aliran
... Dimana Q = laju perpindahan panas konveksi (W) H = koefisiensi perpindahan panas (W/m2oC) A = Luas penampang Tw = temperatur permukaan dinding (oK) T∞ = temperatur fluida (oK) 4. Perpindahan panas konveksi pada pipa
Untuk menentukan pola aliran, ditentukan dengan angka Reynolds. ... Dimana Re = angka Reynold = massa jenis fluida (kg/m3)
Studi Perpindahan Panas… 68 = diameter dal am pipa (m) = viskositas dinamika (kg/m.s) = kecepatan rata-rata
Jika bilangan Reynold ≤ 2300 aliran laminar
Jika bilangan Reynold ≥ 4000 aliran turbulen
Jika bilangan Reynold 2300 ≤ Re ≤ 4000 aliran transisi.
5. Bilangan Nusselt tipe turbulen untuk perpindahan panas secara turbulen.
... (5) Dimana Nu = bilangan Nusselt Pr = bilangan Prandlt N = 0,3 untuk pendingin ; 0,4 untuk pemanas Re = angka Reynolds 6. Perpindahan kalor konveksi persatuan panjang ... (6) Dimana = perpindahan panas konveksi persatuan panjang (W/m) = koefisiensi perpindahan panas konveksi (W/m2.C) = diameter dalam pipa (m) = suhu dinding (K) = suhu fluida gas (K) 7. Keseimbangan energy di pemanas udara
Q udara = Q gas buang ……… . (7) Dimana = Laju aliran udara = Panas Jenis rata- rata udara
= Suhu rata – rata udara
= Laju aliran gas
= Panas jenis rata – rata gas
= Suhu rata – rata gas
IV HASIL DAN PEMBAHASAN A. HASIL
Hasil iterasi yang diambil adalah countur temperatur pada saluran input, temperatur pada saluran output dan temperatur pada sirip. Perpindahan panas yang terjadi pada saluran bersirip (suhu air ke sirip) adalah jenis Konduksi. Aliran fluida yang berupa air dari kepala silinder dengan suhu sebesar 3500K pada engine stand L 300 bensin dan V air diambil sebesar 0.025 m/s. Setelah digambar dan dilakukan
Studi Perpindahan Panas… 69 perhitungan dengan
mempergunakan CFD diperoleh hasil sebagai berikut:
1. Pengaruh Suhu pada saluran 6 sirip
Hasil besaran suhu pada saluran bersirip yang diambil mulai dari input, dinding saluran masuk (wall kiri), sirip 1 (wall 1) sampai sirip 6 (wall 6), dinding saluran output (wall
kanan), output adalah seperti tampak pada tabel 1. Pengambilan data didasarkan pada hasil iterasi program fluent . Tabel 1. Hasil besaran suhu pada saluran sirip 6 Komponen T (0K) inlet_air (H20) 349.56958
wall_kiri (Dinding pipa kiri) 345.58218
wall_1 (sirip ke 1) 345.05725 wall_2 (sirip ke 2) 345.98087 wall_3 (sirip ke 3) 346.24896 wall_4 (sirip ke 4) 346.34756 wall_5 (sirip ke 5) 346.39032 wall_6 (sirip ke 6) 346.41199
wall_kanan (Dinding pipa kanan) 346.41962
outlet_air 346.43274
Gambar 3 pengaruh suhu hasil komputasi
Hasil perubahan suhu pada saluran bersirip yang diambil mulai dari input, dinding saluran masuk (wall kiri), sirip 1 (wall 1) sampai sirip 11 (wall 11), dinding saluran output (wall kanan), output adalah seperti tampak pada tabel 1.
Tabel 2. Hasil perubahan suhu pada saluran sirip 11
Studi Perpindahan Panas… 70
inlet_air (H20) 348.55130
wall_kiri (Dinding pipa kiri) 332.16250
wall_1 (sirip ke 1) 332.90900 wall_2 (sirip ke 2) 334.66321 wall_3 (sirip ke 3) 335.71848 wall_4 (sirip ke 4) 336.47183 wall_5 (sirip ke 5) 337.05481 wall_6 (sirip ke 6) 337.52670 wall_7 (sirip ke 7) 337.91983 wall_8 (sirip ke 8) 338.25415 wall_9 (sirip ke 9) 338.54282 wall_10 (sirip ke 10) 338.79498 wall_11 (sirip ke 11) 339.01752
wall_kanan (Dinding pipa kanan) 339.93408
outlet_air 341.03278
Gambar 4 pengaruh suhu hasil komputasi
B. PEMBAHASAN
Tabel 1 dan gambar 3 merupakan data hasil dari iterasi fluent saluran 6 sirip.
Pada saluran pipa masuk temperatur masuknya sebesar
349.5700K dan suhu keluar 346.4330K). Penurunan yang cukup besar terjadi dsari input ke dinding saluran masuk (wall kiri) sampai ke sirip 1 (wall 1). Suhu sirip terjadi peningkatan dimulai
Studi Perpindahan Panas… 71 dari wall 2 (sirip 2) sampai output.
Suhu pada saluran output sebesar 346.4330K. Jadi saluran dengan mempergunakan 6 sirip suhu air masuk sebesar 349.5700K dan
suhu keluar dari saluran bersirip sebesar 346.4330K. Jadi penurunan dengan mempergunakan 6 sirip adalah sebesar 3.140K
Tabel 3: Suhu Hasil Penelitian dan Hasil CFD (Sirip 6) JML
SIRIP
T input (0K) T output (0K)
P F P F
6 350 350 347.57 346.433 Ket: P : Hasil penelitian ; F: Hasil dengan mempergunakan CFD
Dari uraian diatas dapat disimpulkan dengan besaran suhu input yang sama 3500K. Penelitian langsung dengan memeprgunakan mesin L300 bensin (gambar 2 c) didapat hasil 347.570K sedangkan dengan mempergunakan CFD didapat 3470K.
Tingkat perbedaan hasil dari saat penelitian langsung pada engine dengan mempergunakan program CFD sebesar 1.1370K, faktor utamanya adalah pemakaian alat ukur pengambil data suhu.
Tabel 2 dan Gambar 4 merupakan data hasil dari iterasi fluent sirip.saluran 11 sirip. Pada pipa di dekat input, saluran suhu pipa sebesar 332.16250K. Temperatur masuk sebesar 348.55130K dan suhu keluar sebesar 341.0330K. Suhu terjadi penurunan yang drastis dari suhu input menuju dinding kiri dan dari dinding kiri samapai ke output terjadi peningkatan secara perlahan. Suhu pada saluran output sebesar 3410K. Jadi penurunan dengan mempergunakan 11 sirip adalah sebesar 7.520K
Tabel 4: Suhu Hasil Penelitian dan Hasil CFD JML
SIRIP
T input (0C) T output (0C)
P F P F
11 350 348.551 346.57 341.033
Ket: P : Hasil penelitian ; F : Hasil dengan mempergunakan CFD Dari uraian diatas dapat
disimpulkan dengan besaran suhu input yang sama 3500K. Penelitian langsung dengan mempergunakan mesin L300 bensin (gambar 2 c) didapat hasil 346.570K sedangkan dengan mempergunakan CFD didapat 341.0330K.
Tingkat perbedaan hasil dari saat penelitian langsung pada engine dengan mempergunakan program CFD, faktor utamanya adalah pemakaian alat ukur pengambil data suhu. Jadi dari jumlah sirip mempengaruhi dari hasil transfer panas melalui sirip, besaran output suhu antara sirip 6 dan 11 terjadi perbedaan tingkat
Studi Perpindahan Panas… 72 penurunan suhu suhu output pada
sirip 6 sebesar 346.4330K dan sirip 11 sebesar 341.0330K. Jumlah sirip sangat mempengaruhi hal ini sesuai dengan rumus dari Changel (2002), jumlah sirip mempengaruhi besaran luasan perpindahan panas yaitu luas sejumlah sirip ditambah luas dinding silinder yang tidak diberi sirip.
V. KESIMPULAN
Hasil simulasi dengan mempergunakan CFD suhu input saluran bersirip sebesar 3500K didapat suhu out put pada saluran dengan jumlah sirip 6 adalah 346.4330K, sirip 11 adalah 341.0330K. Hasil dari penelitian langsung pada saluran dengan jumlah sirip 6 adalah 347.570K, sirip 11 adalah 346.570K. Jadi dengan mempergunakan program CFD hasil yang didapat mendekati dari hasil dari penelitian langsung, sirip 6 adalah 347.570K dan sirip 11 adalah 341.0330K. Jadi akurasi penggunaan program CFD (fluent) dibandingkan dengan penelitian langsung untuk 6 sirip dan 11 sirip sebesar 99.673% dan 98.560%.
VI. DAFTAR PUSTAKA
Giyanto dan Suparmin Tedjo, (2007), “Studi Modifikasi Saluran In Put Radiator Dengan
PCM (Phase Change Material) Terhadap Efektivitas Kinerja Radiator Dan Tingkat Penurunan Suhu Engine”, LP2M POLSA, NOMOR: 006/SP2H/PP/DP2M/II I/2007,TANGGAL 29 MARET 2007.
Hailing Wua, Diana Mab dan Massoud Kaviany, (2007)” Peripheral Fins For Blockage Robustness”.
International Journal of Heat and Mass Transfer 50 (2007) 2514–2520. Joko Rochmadi, Taufiq Hidayat
dan Sudalto, (2005), “Pengaruh Penambahan Sirip Pada Saluran Pendingin Terhadap Tingkat Penurunan Pendinginan Pada Mobil”, LP2M POLSA, NOMOR: 140/SPPP/PP/DP3M/I V/2005
Mohan R. dan Govindarajan P. (2010).” Thermal Analysis of CPU with variable Heat Sink Base Plate Thickness using CFD”. International Journal of the Computer, the Internet and Management, Vol. 18 No.1 (January-April, 2010), pp 27-36. India.
Studi Perpindahan Panas… 73 Osamu Tonomura, Manabu Kano,
Shinji Hasebe dan Iori Hashimoto. (2002).” CFD-Based Analysis of Heat Transfer and Flow Pattern in Plate-Fin Micro Heat Exchangers”. Proceeding of International Symposium on Design Operation and Control of Chemical Plant (PSE Asia 2002) pp 109-114, Taipei. Taiwan. Dec. 4-6 (2002).
Jader R. Barbosa, Jr., Christian J. L. Hermes dan Cláudio Melo, (2010) “ CFD Analysis Of Tube-Fin ‘No-Frost’ Evaporators”. Copyright © 2010 by ABCM October-December 2010, Vol. XXXII, No. 4. Brazil. Suparmin Tedjo, Giyanto dan
Taufiq Hidayat, (2006). Laporan PDM: “Studi Modifikasi Fin Saluran Oli Ke Silinder/Piston Hubungannya Dengan Tingkat Penurunan Suhu Engine Sepeda Motor”. Nomor: 162/SP3/PP/DP2M/II/2 006, LP3M POLSA. Tanggal 01 Pebruari 2006
Sunardi, Sutrisno, 2007, Laporan PDM: “Studi
Modifikasi Fin Spiral Saluran Oli Ke Sistem Mekanisme Katup Hubungannya Dengan Tingkat Penurunan Suhu Engine Sepeda Motor”. Nomor: 006/SP2H/PP/DP2M/II I/2007. LP3M POLSA. 29 Maret 2007.
Yunus A. Chengel, (2002), “Heat Tranfer”,
www.mhhe.com/cengel .
