BAB III PERANCANGAN DAN KONSTRUKSI

(1)

FT-Jurusan Teknik Mesin – Universitas Mercubuana| 1

BAB III

PERANCANGAN DAN KONSTRUKSI

3.1. Uji Penelitian Suhu knalpot

Penelitian dilakukan secara sistematik untuk mendapatkan data-data empiris pada perancangan alat "Perancangan Alat pemindah kalor pada knalpot kendaraan bermotor untuk hot box food delivery". Penulis melakukan observasi langsung dengan menggunakan knalpot costum (buatan) untuk motor matic “yamaha mio”.

3.2. Tempat Dan Waktu

3.2.1.Tempat untuk mendapatkan data penelitian adalah jalan raya dengan jarak tempuh 10 Km, ini disamakan dengan cover area food delivery sejauh radius 10 km.

3.2.2.Pada uji penelitian, jalan raya yang digunakan dalam keadaan steril dari hambatan (macet dan lampu merah) untuk mendapatkan kecepatan yang konstan dan akurat.

3.2.3.Waktu uji penelitian, dilakukan diluar jam sibuk/kerja dimana lalu lintas tidaklah ramai.

(2)

FT-Jurusan Teknik Mesin – Universitas Mercubuana| 2 3.3. Objek Penelitian

3.3.1.Yamaha Matic Mio 2007 3.3.2.Knalpot Costum

3.4. Alat Pengukur Suhu (termometer)

Infrared thermometer digital / Digital Infrared Thermometer Gun dengan Laser Sight ( Non Kontak) untuk mengambil suhu dari kejauhan. Dengan rentang respon panjang, pengukuran akurat, dan segera.

Gambar 3.1 : Infrared Thermometer Gun Digital Sumber : Dokumen Pribadi

Spesifikasi :

- (Range: -50 to +550 C / -58 to +1022 F) - Accuracy ±1.5% or±1.5°C

- Distance Spot Ratio 12:1

(3)

FT-Jurusan Teknik Mesin – Universitas Mercubuana| 3 3.5. Sistematis Pengujian

Flow Chart 3.1 : Uji Penelitian

3.6. Laporan Pengujian

Pengukuran suhu menggunakan alat ukur thermal gun yang ditembakkan ke permukaan material knalpot untuk mengetahui suhu pada knalpot. Motor dijalankan dengan kategori kecepatan :

a) Rendah (20 Km/jam) b) Sedang (40 Km/jam) c) Tinggi (60 Km/jam)

(4)

Bagian yang diukur / ditembak thermal gun adalah pipe exhaust (leher), dengan suhu awal sebelum mesin dinyalakan adalah 30C. Untuk mengetahui peningkatan suhu pada knalpot dengan 3 kategori kecepatan dapat dilihat pada tabel dan grafik berikut ini :

Gambar 3.2 : Proses Penembakan Suhu pada Knalpot Sumber : Dokumen Pribadi

Tabel 3.1 : Kecepatan 20 Km/jam

Dengan kecepatan (v) 20 km/jam

Jarak (S) / (Km) Waktu (menit) Suhu (C) 1 3 86 2 6 114 3 7,2 144 4 12 177 5 15 163 6 18 150 7 21 130 8 24 146 9 27 157 10 30 174

(5)

Grafik 3.1 : Kecepatan 20 Km/jam

Sumber : Dokumen Pribadi Tabel 3.2 : Kecepatan 40 Km/jam

Dengan kecepatan (v) 40 km/jam Jarak (S) /

(Km) (menit) Waktu Suhu (C)

1 1,5 129 2 3 185 3 3,6 197 4 6 158 5 7,5 213 6 9 95 7 10,5 116 8 12 87 9 13,5 126 3 6 7,2 12 15 18 21 24 27 30 86 114 144 177 163 150 130 146 157 174 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Te m p e ra tu re Jarak Waktu (menit) Suhu (°C)

(6)

10 15 141

Sumber : Dokumen Pribadi Grafik 3.2 : Kecepatan 40 Km/jam

Sumber : Dokumen Pribadi Tabel 3.3 : Keceapatan 60 Km/jam

Dengan kecepatan (v) 60 km/jam Jarak (S)

/ (Km) (menit) Waktu Suhu (C)

1 1 183 2 2 191 3 3 148 4 4 223 5 5 195 6 6 234 7 7 79 8 8 93 9 9 82 129 185 197 158 213 95 116 87 126 141 1,5 3 3,6 6 7,5 9 10,5 12 13,5 15 0 50 100 150 200 250 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Te m p e ra tu re Jarak Suhu (°C) Waktu (menit)

(7)

10 10 101

Sumber : Dokumen Pribadi Grafik 3.3 : Kecepatan 60 Km/jam

Sumber : Dokumen Pribadi

3.7. Analisa Pengujian

Tabel 3.4 : Kesimpulan Uji Penelitian

Kesimpulan Uji Penelitian

183 191 148 223 195 234 79 93 82 101 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 50 100 150 200 250 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Te m p e ra tu re Jarak Suhu (°C) Waktu (menit)

(8)

FT-Jurusan Teknik Mesin – Universitas Mercubuana| 8 Kecepatan 20 Km/jam 1. Dikategorikan sebagai kecepatan “rendah”

2. Jarak tempuh 10 Km dibutuhkan waktu 30 menit

3. Naik & turun grafik relatif stabil dan besar perbedaan nya tidak terlalu jauh

4. Pemakaian bahan bakar lebih irit 5. Mesin tidak terlalu panas

Kecepatan 40 Km/jam 1. Dikategorikan sebagai kecepatan “sedang”

3. Naik & turun grafik besar perbedaan nya namun relatif stabil

Kecepatan 60 Km/jam 1. Dikategorikan sebagai kecepatan “tinggi”

3. Naik & turun grafik drastis perbedaan nya suhunya besar

4. Pemakaian bahan bakar lebih boros 5. Mesin cepat panas

Dari uji penelitian ini dapat diambil kesimpulan bahwa knalpot mempunyai potensi energi panas yang tersimpan dan dapat dimanfaatkan ke sebuah usaha lain yang dapat menghasilkan kerja. Dari data diatas diketahui

(9)

suhu maksimum knalpot dengan kecepatan rendah 20 km/jam adalah 174C dan kecepatan tinggi dengan suhu 234C. Maka nilai suhu tersebut dapat memenuhi pemanfaatan aplikasi praktis dari hukum termodinamika, yang menjelaskan hubungan antara panas , kerja mekanik, dan aspek-aspek lain dari energi dan perpindahan energi. Dengan kata lain energi ditransfer sebagai kalor dan sebagai kerja. Kerja dilakukan ketika energi ditransfer dari suatu benda ke benda yang lain melalui cara-cara mekanis yang disebabkan oleh perbedaan temperatur.

Dari uji penelitian diatas, kecenderungan pengaruh oli mesin dan sistem pendingin pada mesin motor, suhu tidak bertambah secara kontiniu atau berbanding lurus dengan jarak dan waktu, tetapi suhu gas buang hasil pembakaran dalam akan turun setelah lebih dari 200C dimana dikategorikan sebagai kecepatan sedang dan tinggi, dapat dilihat pada grafik kecepatan 40 Km dan 60 Km dimana suhu turun drastis, sedangkan kecepatan rendah (20 Km/jam) lebih stabil dan perbedaan naik turun suhu tidaklah terlalu jauh, fenomena tersebut terjadi pada jarak tempuh 4 km s/d 7 Km dimana kemampuan mesin mengeluarkan daya maksimum.

3.8. Konsep Desain

Konsep desain awal alat "perancangan alat pemindah kalor pada knalpot kendaraan bermotor untuk hot box food delivery" adalah membuat hot box sebagai media penerima panas dari sistem yang akan dibuat, dan sistem pemindah kalor (heat transfer), kemudian merancang ulang atau memodifikasi sillincer pada kendaraan bermotor type matic. Dengan kriteria mampu menyerap

(10)

dan memindahkan panas hasil pembuangan gas buang pembakaran mesin kendaraan bermotor jenis matic.

Berdasarkan kriteria-kriteria diatas, pemikiran-pemikiran umum yang mendasari perancangan alat ini ialah :

 Box menggunakan oven kompor berbahan seng dengan dimensi, yaitu :

- Panjang : 378 mm

- Lebar : 310 mm

- Tinggi : 325 mm

- Ketebalan : 1 mm

 Sistem penghubung menggunakan pipa Air Conditioner (AC) 1 PK berbahan tembaga

 Berdasarkan bentuk sillincer, digunakan bentuk silinder dengan diameter 106 mm , panjang 350 mm

(11)

Flow Chart 3.2 :Konsep Perancangan dan Penelitian

START

Perancangan Alat : 1. Hot Box

2. Pipa Penghubung Heat Transfer 3. Sillincer

Pembuatan Alat : 1. Hot Box

2. Pipa Penghubung Heat Transfer 3. Sillincer

Uji Penelitian Alat

Statik _Dinamic

Pagi Siang Malam Pagi Siang Malam

Metode LMTD

(12)

FT-Jurusan Teknik Mesin – Universitas Mercubuana| 12 3.9. Perencanaan Alat

3.9a) Hot Box

Perencanaan berdasarkan bentuk yang ideal untuk ditempatkan pada motor yamaha matic mio yang akan dijadikan uji coba penelitian, berbentuk kotak persegi dan mempunyai bobot kurang lebih 15 kg

Tabel 3.5 : Komponen Hot Box

No. Komponen Gambar

1. Box 2. Komponen Pendukung 1. Base Bracket 2. Styriofome 3. Alumunium Foil Kesimpulan & Saran

(13)

FT-Jurusan Teknik Mesin – Universitas Mercubuana| 13 4. Pipa Tembaga

5. Engsel 6. Knop pintu

Gambar 3.3 : Perencanaan Hot Box Sumber : Autodesk Inventor 2014

3.9b) Transfer Heat Pipe

Untuk menyalurkan / memindahkan kalor dari sistem arbsorpsi knalpot maka dibutuhkan bahan yang konduktivitas nya baik dan jenis pipa yang fleksibel/elastis.

Tabel 3.6 : Komponen Heat Transfer

(14)

FT-Jurusan Teknik Mesin – Universitas Mercubuana| 14 1. Inner Pipe Cooper

2. Insulation

Gambar 3.4 : Perencanaan Heat Transfer Pipe Sumber : Autodesk Inventor 2014

3.9c) Alat Pemindah Kalor Pada Knalpot

Untuk mendapatkan sumber energi panas pada knalpot maka dibutuhkan sistem penyerap atau penyimpan panas (arbsorpsi), panas

(15)

yang berkonduksi dengan dinding silinder knalpot harus diisolasi dengan lapisan glass wool agar dapat memenuhi hukum termodinamika.

Tabel 3.7 : Komponen Alat Pemindah Kalor Pada Knalpot

No Komponen Gambar 1. Muffler Modifikasi 2. Cooper Pipe 3. C pipe 4. Silincer Housing 5. Cup Silincer Housing 6. L pipe

(16)

Gambar 3.5 : Muffler Modifikasi Sumber : Autodesk Inventor 2014

(17)

Gambar 3.6 : Perancangan Alat Pemindah Kalor Sumber : Autodesk Inventor 2014

3.11. Bahan-Bahan Pendukung Perancangan

Tabel 3.8 : Bahan Pendukung

No. Bahan

Pendukung

Jumlah Fungsi

1 Pipa tembaga ¼ inch = 10 meter 3/8 inch = 10 meter

Penyerap dan pemindah kalor

2 Alumunium foil Lembaran : 1,5 meter

Lakban : 1 rool

Proses adiabatik

(18)

FT-Jurusan Teknik Mesin – Universitas Mercubuana| 18 box

4 Lakban 1 rool Perekat

5 Engsel slot 2 pcs Kunci box

6 Styriofome 3 pcs Proses adiabatik

7 Paku rivet 1 kotak Penguat konstruksi

box 8 Nipple ¼ inch = 2 set

3/8 inch = 2 set

Penghubung

9 Plat siku 3 meter Buat braket box

10 Baut + mur ½ lusin Penguat konstruksi

box

3.12. Peralatan Pendukung Perancangan

Tabel 3.9 : Peralatan Pendukung

No. Peralatan Pendukung

Jumlah Fungsi

1 Amplas 2 lembar Mengahaluskan permukaan benda dan menghilangkan

(19)

FT-Jurusan Teknik Mesin – Universitas Mercubuana| 19 kotoran (karat)

2 Spidol 2 pcs Alat tulis / sketsa /penanda

3 Meteran 1 pcs Alat ukur

4 Kunci pas / ring 1 set Melepas dan memasang baut dan mur

5 Obeng (+/-) 1 pcs Melepas dan memasang baut dan mur

6 Tang 1 pcs Penjepit

7 Palu 1 pcs Pemukul

8 Gergaji besi 1 pcs Alat potong

9 Bor Listrik 1 set Melubangi dan riveting 10 Flaring and cutting

tool kit

1 set Chamfer pipa dan memotong pipa 11 Hand Tube Bender 2 set Membengkokkan pipa

(20)

Gambar 3.7 : Bor Listrik Sumber : Dokumen Pribadi

Gambar 3.8 : A. Flaring and Cutting Tool Kit, B. Hand Tube Bender Sumber : Dokumen Pribadi

3.13. Perancangan Dan Pembuatan Alat 3.13a. Hot Box

Hot Box menggunakan barang jadi yang sudah ada di pasaran yakni oven kompor dengan ukuran, sebagai berikut:

P= 378 mm L= 310 mm T= 325 mm

(21)

Gambar 3.9 : Oven Kompor Sumber : Dokumen Pribadi

Untuk memenuhi prinsip-prinsip thermodinamika, oven yang sudah jadi dimodifikasi bagian dalam dan luarnya dengan menambahkan komponen-komponen untuk mendukung proses adiabatik pada box. Komponen-komponen-komponen tersebut adalah :

1. Styriofome : sebagai media penghambat panas pada bahan yang dapat berkonduksi

2. Alumunium Foil : sebagai media penahan panas didalam box agar suhu dalam box tidak berubah dan tidak berpengaruh terhadap lingkungannya.

3. Skotlet Hitam : Untuk menyerap panas radiasi dari luar sehingga membantu peningkatan suhu dalam box hasil dari panas yang dikeluarkan pipa kondensasi dan mengurangi pelepasn kalor ka luar box. Skotlet juga digunakan untuk menutupi lapisan luar box agar bahan box yang terbuat dari seng terlindung dari karat, selain itu memperindah penampilan box.

(22)

FT-Jurusan Teknik Mesin – Universitas Mercubuana| 22  Modifikasi Oven Kompor

Box diisolasi dengan bahan-bahan isolator, yakni :

1. Styriofome dengan ukuran 374 mm x 250 mm x 250 mm, banyaknya 3 pcs dirancang sedemikian rupa agas dapat menahan perpindahan panas, yakni dengan meletakkannya pada sela antara dinding over bagian dalam.

Gambar 3.10 : Styriofome Sumber : Dokumen Pribadi

Gambar 3.11 : Perancangan Styriofome Sumber : Autodesk Inventor

(23)

a) Alumunium Foil

Bahan isolator untuk melapis dan menahan panas agar tetap di ruang dalam box

Gambar 3.12 : Alumunium Foil lembaran dan lakban Sumber : Dokumen Pribadi

Gambar 3.13 : Perancangan Styriofome Sumber : Autodesk Inventor

(24)

b) Skotlet Hitam

Pola skotlet dibuat berdasarkan dimensi box, skotlet diusahakan menutupi lapisan luar box dan pemasangannya harus teliti dan presisi.

Gambar 3.14 : Perancangan Skotlet Sumber : Dokumen Pribadi

3.13b. heat transfer pipe

Transfer pipe berbahan tembaga karena konduktifitas nya yang baik, dalam perancangan ini menggunakan pipa AC 1 PK yang biasa digunakan pada sistem pendingin Air conditioner.

(25)

Gambar 3.15 : Selang AC 1 PK Sumber : Dokumen Pribadi

Untuk menghubungkan Pipa masuk dan keluar suhu dari sillincer ke box menggunakan Nipple yang disesuaikan ukurannya dengan pipa tembaga pada sillincer dan box.

Gambar 3.16 : Nipple ¼ dan ¾ Sumber : Dokumen Pribadi 3.13c. Alat Pemindah Kalor Pada Knalpot

Pipa berdiameter 35 mm dengan ketebalan 1 mm dipotong sepanjang 350 mm, kemudian diberikan sekat berdiameter 100 mm untuk

(26)

membuat 3 partisi / ruang, yakni, Gambar 3. ), sekat tersebut telah diberikan lubang diameter 10mm untuk jalur heat pipe dan di rectangular dengan r = 35 mm berjumlah 6 lubang.

a. Partisi untuk pipa perforasi, P : 100mm, Ɵ100mm

b. Partisi untuk menyimpan / penyerap panas, P : 190mm, Ɵ100mm c. Partisi untuk C pipe depan, P : 50mm, Ɵ100mm

Gambar 3.17 : Dimensi Muffler Sumber : Autodesk Inventor 2014

Pipa tembaga dirangkai mengelilingi inner pipe sepanjang ruang arbsorpsi, panas yang dikeluarkan secara konduksi melalui dinding sillinder lalu diserap oleh pipa tembaga yang kemudian merambat

(27)

dengan menggunakan prinsip-prinsip thermodinamika ke hot box melewati pipa AC 1 PK

. Gambar 3.18 : Muffler Modifikasi Sumber : Autodesk Inventor 2014

Muffler diisolasi dengan lapisan glass woll lalu ditutup tabung silinder berdiameter 106 mm dengan ketebalan 3 mm kemudian Sillincer dihubungkan bersama exhaust pipe sebagai penghubung antara ruang bakar dan sillincer.

Gambar 3.19 : Knalpot Modifikasi Sumber : Autodesk Inventor 2014

(28)

FT-Jurusan Teknik Mesin – Universitas Mercubuana| 28 3.14. Konstruksi Alat

Gambar 3.20 : Perancangan Hot Box Sumber : Dokumen Pribadi

Gambar 3.21 : Perancangan Heat Transfer Pipe Sumber : Dokumen Pribadi

(29)

Gambar 3.22 : Perancangan Sillincer Sumber : Dokumen Pribadi

Gambar 3.23 : Aplikasi Alat Penelitian pada Motor Sumber : Dokumen Pribadi

3.15. Uji Alat

Penempatan alat ukur pada alat uji dimaksudkan untuk mendapatkan nilai perpindahan panas yang terjadi dari knalpot ke dalam box.

(30)

Alat ukur yang digunakan adalah 1. Thermogun infrared digital 2. Termometer digital

3. Termometer air raksa

 Untuk mendapatkan T1 mengunakan termometer air raksa yang dipasang

pada exhaust

 Untuk mendapatkan T2 menggunakan thermogun infrared yang

ditembakan ke ujung knalpot

 Untuk mendapatkan t1 menggunakan thermogun infrared yang di

tembakkan ke permukaan pipa tembaga

 Untuk mendapatkan t2 menggunakan thermometer digital yang dipasang

pada box

Gambar 3.24 : Penempatan Termometer pada alat Sumber : Paint

(31)

FT-Jurusan Teknik Mesin – Universitas Mercubuana| 31 3.16. Metode Log Mean Temperature Difference (LMTD)

Perhitungan menggunakan metode log mean temperature difference (LMTD) atau perbedaan temperatur rata-rata logaritmik yang merupakan bentuk perbedaan temperatur rata-rata yang digunakan dalam perhitungan laju aliran kalor pada penukar kalor dan dinyatakan

Sebagai berikut : ΔTlm =

( )( )

( )

(3.1)

Pengukuran dilakukan secara observasi dengan 2 kategori, yakni : 3.16a. Pengukuran Statik (diam)

Mesin motor dihidupkan selama 10 menit, pengamatan suhu terhadap sillincer dan knalpot dilakukan pada pagi,siang dan malam, didapat hasil pengukuran berikut :

Tabel 3.10 : Pengukuran Statik

15 menit

Pagi Siang Malam

T1 85C 93C 84C

T2 41C 43C 41C

t 1 36C 37C 34C

t 2 33C 36C 32C

(32)

(  ) = 151,93C MALAM ΔTlm = (   )(   ) (   _{ })

(33)

=

(   ) (  _)

=

(  )

=

(  ) = 181,55C

Tabel 3.11 : Hasil Pengukuran LMTD Statik

Waktu Δlm

Pagi 146,03C

Siang 151,93C

Malam 181,55C

3.16b. Pengukuran Dinamic ( bergerak )

Mesin dijalankan dengan kecepatan 20 km/jam (lambat), 40 km/jam (sedang), 60 km/jam (cepat), selama 10 menit.

Tabel 3.12 : Pengukuran Dinamic 10 menit

PAGI

20

km/jam 40 km/jam 60 km/jam

SUHU LINGKUNGAN 30C 30C 30C

(34)

FT-Jurusan Teknik Mesin – Universitas Mercubuana| 34 T2 41C 43C 45C t 1 36C 37C 43C t 2 33C 36C 36C SIANG 20

SUHU LINGKUNGAN 32C 33C 33C T1 72C 98C 126C T2 43C 45C 65C t 1 41C 40C 72C t 2 33C 38C 39C MALAM 20

SUHU LINGKUNGAN 29C 30C 30C

T1 60C 76C 98C

T2 43C 43C 52C

t 1 40C 42C 44C

t 2 33C 36C 39C

(35)

Dari data penelitian pada tabel maka dapat dicari bentuk perbedaan temperatur rata-rata atau LMTD :

(  )

 = 236C

(39)

FT-Jurusan Teknik Mesin – Universitas Mercubuana | 39

Tabel 3.13

Pengukuran Dinamik LMTD Pagi

Kecepatan Δlm

20 km/ jam 94,94C 40 km/ jam 151,93C 60 km/ jam 56,79C

Sumber : Dokumen Pribadi Tabel 3.14

Pengukuran Dinamik LMTD Siang

Kecepatan Δlm

20 km/ jam 26,26C 40 km/ jam 120,97C 60 km/ jam 241,66C

Sumber : Dokumen Pribadi Tabel 3.15

Pengukuran Dinamik LMTD Malam

Kecepatan Δlm

20 km/ jam 36,87C 40 km/ jam 10,85C 60 km/ jam 236C

(40)

FT-Jurusan Teknik Mesin – Universitas Mercubuana | 40 3.17. Perpindahan Kalor Konduksi

Pada perhitungan ini, penulis mengambil data pengukuran statik dari tabel 3.10 pada kondisi pagi dan abel dinamic dari 3.12 pada kondisi pagi di kecepatan 20 km/jam. Menggunakan rumus konduksi :

q

= -kA

3.17a. Laju perpindahan kalor pada muffler

Gambar 3.25 : Dimensi Muffler Modifikasi Sumber : Autodesk Inventor 2014

(41)

FT-Jurusan Teknik Mesin – Universitas Mercubuana | 41

Diketahui :

K (konduktivitas bahan) = muffler : steel – 73 W/m.C

A =  r2 = 3,14 x 17,52 _{= 961,625 mm = 0,96m} T1 = 85C (Tabel 3.10) T2 = 41C (Tabel 3.10) Dx = 340 mm = 0,34 m q = -kA = -73 w/mc x 0,96 m = -73 w/mc x 0,96 m x 129,41 m = -9.069,05 watt

3.17b. Laju perpindahan kalor pada pipa transfer Diketahui : K = cooper 385 W/m.C A =  r2 = 3,14 x 4,762 = 14,95 mm = 0,01495m atau 0,015 m T1 = 85C T2 = 41C

(42)

FT-Jurusan Teknik Mesin – Universitas Mercubuana | 42 Dx = 650 mm = 0,65 m q = -kA = -385 W/m.C x 0,015 m = -385 x 0,015 x 13,73 = -79,29 watt