Simulasi CFD Perpindahan Panas Pada Alat Bantu Pendinginan
Pra Radiator Pada Engine Stand Bensin
Taufiq Hidayat1)
1
Teknik Mesin, UNU Surakarta, E-mail: [email protected]
ABSTRACT
One that affects the performance of a motor fuel engine is cooling. Problems on a cooling will result in increased engine temperatures in extreme conditions may lead to over heating. Over heating that occurs in motor fuel often caused due to the performance of the radiator is not optimal. One other solution that is very simple to do is to utilize the cooling early before going into the radiator with the addition of a tool that is a finned channel. To prove the extent to which the effectiveness of the tool (channel finned) in the motor fuel use CFD program. The purpose of the simulation program using CFD (Fluent) is to predict the outcome of current research in order to direct early failure rate can pressed. CFD simulation is one that is used with the help of software Fluent to explain the phenomenon of heat transfer that occurs on the channel that is placed pre finned radiator. To finish the method used is the making of images with the help of software gambit (geometry with a gambit and mesh), process fluent run the program, discussion of results (post precessing) in the form of temperature contour display. Use of CFD results showed a decrease in temperature by using finned channel 11 is 730C, while the number of fins 11 direct research is 73.570C. so the conclusion of the use of CFD is very helpful in the process of pre-study in canoes pressing the percentage of failure.
Keywords: CFD, Radiators, Finned Channel, Total Fins, Engine Stand
1. 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.
mesin mencapai suhu kerja yang berkisar 85-900C, sedang apabila suhu mesin masih dibawah suhu kerja aliran air akan melalui bypass. Pada dasarnya performa sistem pendinginan dapat dikontrol dari warna air, apabila sudah keruh saat dijalankan maka dapat dikatakan radiator kotor dan 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
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. Pendinginan fluida melalui saluran bersirip dipengaruhi oleh jumlah sirip, rumusan dasar dari Changel:
Qfin = ηfin . h . Afin . (Tb – T ͚ ) Qunfin = π D S
Afin = 2π . (r22 – r12) + 2 π r2 t
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.
Program CFD dapat dipergunakan untuk memprediksi laju aliran panas, penyebaran
penurunan suhu dan lain sebagainya.
Pemakaian CFD pada plate-fin heat exchanger mikro mampu mampu memprediksi tentang karakteristik aliran dan perpindahan panas dalam sirip-siripnya. Efisiensi perpindahan panas alat penukar panas mikro yang terbuat dari stainless steel lebih tinggi dibanding
tembaga. Hal ini menunjukan bahwa
kondukstifitas yang tinggi belum tentu mendapatkan efisiensi transfer panas yang lebih tinggi pula. Hal hal yang mempengaruhi hasil efisiensi transfer panas antara lain cenderung pada panjang sirip, laju aliran fluida. (Tonomura, 2002). Sementara untuk tebal dasar penempatan sirip 2.5 mm sampai 5 mm dengan bahan pendinginan sirip dari
tembaga yang dipasang pada CPU
menghasilkan proses pendinginan yang lebih baik dibandingkan dengan mempergunakan aluminium (Mohan, 2010). Selain CFD dipakai untuk mensimulasikan proses pendinginan sistem pendingin pada CPU juga mampu dipakai untuk menganalisa saluran pipa dan fin pada evaporator pada peralatan pendingin
rumah tangga dapat dilakukan dengan
mempergunakan CFD. Aspek yang bisa dilakukan simulasi pada evapurator adalah sirip-sirip, dan salurannya (inlet). Simulasi CFD mampu memberikan informasi hasil yang berupa kesalahan rata-rata tingkat perpindahan panas, konduktifitas thermalnya dan penurunan tekanan (pressure drop) sebesar 10%, 3%, 11%. Pengaruh penempatan kumparan listrik terhadap tabung, konfigurasi jarak celah (clearence by-pass) antara tepi luar sirip dengan tabung mampu dianalisis dengan CFD dimana hasil yang didapat posisi sangat mempengaruhi kecepatan aliran udara dan distribusi temperatur, penurunan tekanan dan fraksi perpindahan panas. (Barbosa, 2010). Kerugian penurunan heat transfer dan pressure
drop akibat bentuk evaporator dengan
konstruksi konvensional dapat diatasi dengan bentuk evaporator ‘Peripheral’ bentuknya menyerupai sarang lebah dimana pipa berada ditengah. Hasil simulasi dengan CFD guna melihat perubahan konstruksi ini adalah terjadinya aliran udara di sekitar sirip sangat stagnan dan proses perpindahan panas sangat
tinggi dibandingkan jenis evaporator
konvensional serta pressure drop dapat ditekan. (Hailing Wu, 2006).
Tujuan dari simulasi dengan
mempergunakan program CFD dengan
software fluent adalah untuk memprediksi hasil awal dari sebuah penelitian yang dilakukan dengan tujuan agar tingkat kegagalan dari penelitian tersebut dapat ditekan.
2. METODE PENELITIAN
Metodologi penelitian ini disajikan sebagaimana pada diagram alir, prosedur simulasi sebagaimana terlihat dalam gambar 1.
MULAI
GEOMETRI: a. Auto cad
b. Software gambit
- Geomitir dengan Gambit
(ukuran seperti pada gambar 2a, 2b) - Membuat mesh
Mesh garis → mesh bidang → mesh volume → mendifinisikan kondisi batas (initial velue)
SELESAI
FLUENT: a. Solver (2D atau 3D)
b. Mengimpor dan memeriksa mesh (File→read→Case dan Grid→Check) c. Memilih Formulasi Solve (Define→Models→Solver)
Solver: Solver(segreted/coupled), Formulation, Space, Time, Velocity Formulation, Gradien Option, Porous Formulation.
d. Menentukan Model dan Persamaan dasar
(model multifasa, persamaan energi, model viscos, model species transport dan reaksi) e. menentukan kondisi operasi
(tekanan, Percepatan grafitasi, Massa jenis operasi, temperatur operasi) f. menentukan sifat material(Define→Material)
g. menentukan kondisi batas dan parameter pada kondisi batas (Define→boundary conditions→ pilih: zone dan type)
h. initialize (Solve→Initialize→Initialize: piplih compute from pada all zone→init dan close) i. iterasi (solve monitors→residual dan solve → iterate→convergen
j. menyimpan hasil iterasi (File→Write→Case & Data)
k. Post Precessing (display contour; display →vector; display →pathline) atau report→fluxes dll.
2.1. Model alat yang dipergunakan
Simulasi CFD yang dilakukan adalah dengan mempergunakan bentuk geometri
saluran bersirip dengan ukuran seperti pada
gambar 2 (a), 2 (b) dan 2 (c).
8 25 mm 80 mm 25 mm Ø32 mm 130 mm Ø 60 mm
Gambar 2. Saluran bersirip 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) adalah gambar penempatan
saluran bersirip pada engine stand L 300 bensin. Pada simulasi CFD jumlah sirip divariabelkan 11. Dimensi jarak sirip 11 seperti tampak pada gambar 2 (a).
Pada Simulasi CFD material yang diambil adalah fluida air dengan temperatur masuk
Suhu out put mesin
Saluran bersirip Suhu in put radiator
Radiator
(a). Dimensi sirip (b) Dimensi sirip
(c) Peletakan saluran bersirip
output Saluran bersirip (input) sirip 1 - 11 Saluran bersirip (output) input Sirip 1 Sirip 11
saluran bersirip 3500K (diambil dari pengukuran langsung).
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
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
perhitungan dengan mempergunakan CFD diperoleh hasil sebagai berikut:
3.1. Pengaruh suhu pada saluran 11 sirip
Hasil besaran 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 3. Pengambilan data didasarkan pada hasil iterasi program fluent yaitu report →
surface integrals → report type → field variables (temperatur) → surface → compute.
Tabel 1. Hasil besaran suhu pada saluran sirip 11
Komponen T (0K)
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
Tabel 3 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 2: 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 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 besaran transfer panas melalui sirip pada jumlah sirip 11 sebesar 341.0330K. Jumlah sirip sangat mempengaruhi hal ini sesuai dengan pendapat Changel (2002), jumlah sirip mempengaruhi besaran luasan perpindahan panas yaitu luas sejumlah sirip ditambah luas dinding silinder yang tidak diberi sirip.
4. KESIMPULAN
Hasil simulasi dengan mempergunakan CFD suhu input saluran bersirip sebesar 3500K didapat suhu out put pada saluran dengan
jumlah sirip 11 adalah 341.0330K. Hasil dari penelitian langsung pada saluran dengan jumlah 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%.
5. REFERENSI
[1] 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/III/2007,TANGGAL 29 MARET 2007.
[2] Hailing Wua, Diana Mab dan Massoud Kaviany, (2007)” Peripheral Fins For
Blockage Robustness”. International
Journal of Heat and Mass Transfer 50 (2007) 2514–2520.
[3] 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/IV/2005
[4] 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.
[5] 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).
[6] 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.
[7] 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/2006, LP3M
POLSA. Tanggal 01 Pebruari 2006
[8] 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/III/2007. LP3M
POLSA. 29 Maret 2007.
[9] Yunus A. Chengel, (2002), “Heat Tranfer”, www.mhhe.com/cengel.
