Analisis Pengaruh Jarak Sirip Vertikal Dan Kecepatan Angin Terhadap Perpindahan Panas Pada Motor 4 Tak

Agritek Volume 11 Nomor 1 Maret 2010 PENGARUH JARAK SIRIP..……… 24

Analisis Pengaruh Jarak Sirip Vertikal Dan Kecepatan Angin Terhadap Perpindahan Panas Pada Motor 4 Tak

Mustafa ¹

1 adalah Dosen Fakultas Teknik Universitas Merdeka Madiun

Abstract

One of the problems in the operation of the vehicle engine is the problem of heat transfer to the stability of the machine to work. In the air-cooled engine, the heat transfer process is done by providing surfaces shaped fins are positioned in the direction of motion of the vehicle. This fin designs are being developed to obtain maximum heat transfer and efficient. In this research to test the influence of fin spacing and wind speed on heat transfer.

Research object is a motorcycle engine was 4. Research conducted by the fin 4 variation distance of 5 mm, 7 mm (the standard distance of the fin object of research), 9 mm and 13 mm. Varied wind speed level 3 is 3.5 m / sec; 4.0 m / s and 4.5 m / sec. Temperature measurements performed on cooling time 5 minutes, 10 minutes and 15 minutes. Any combination of variations performed 5 repetitions. Further research data statistically tested with ANOVA test. Data processing results show that the distance between the fin does not have a significant influence on heat transfer. Wind speed is very influential on heat transfer in which the greater the wind speed the rate of heat transfer is growing.

Keywords: heat transfer, fins, temperature, wind speed, the motor 4 stroke

PENDAHULUAN

Pendinginan mesin dapat dilakukan dengan menggunakan air dan udara.

Pendinginan air banyak digunakan pada kendaraan roda empat. Meskipun ada mesin sepeda motor yang menggunakannya tetapi kebanyakan sepeda motor menggunakan pendinginan udara.

Metode pendinginan udara pada sepeda motor dilakukan dengan cara memberikan sirip berbentuk vertikal pada blok silinder dan kepala silinder. Kinerja sirip tersebut dalam membantu penyerapan panas dan membuangnya dipengaruhi oleh bahan, ukuran dan jarak sirip, dan banyaknya panas yang akan diserap dengan laju aliran udara.

Untuk meningkatkan kinerja sirip, faktor- faktor diatas dapat dimodifikasi sedemikian rupa untuk mendapatkan kondisi optimum.

Umumnya bahan dan ukuran sirip berhubungan langsung dengan biaya pembuatan sementara panas yang ditimbulkan oleh motor sulit untuk dimodifikasi. Penelitian yang dapat

dilakukan secara mudah untuk mendapatkan kinerja sirip yang optimum diarahkan pada pengaruh jarak sirip vertikal dan dapat diukur pada berbagai variasi kecepatan aliran udara.

Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian ini adalah menentukan jarak sirip vertikal terbaik pada mesin sepeda motor 4 tak.

Manfaat Penelitian

Adapun manfaat penelitian ini diharapkan :

1. Dapat meningkatkan pendinginan pada mesin sepeda motor 4 tak yang cenderung panas akibat penggunaan dengan waktu yang lama, sehingga dapat mengurangi masalah over head pada mesin.

2. Memberikan sumbang saran untuk rancang bangun kendaraan dan pengembangan teknologi terutama pada

1)

Dosen Teknik Mesin UNMER Madiun

Agritek Volume 11 Nomor 1 Maret 2010 PENGARUH JARAK SIRIP..……… 25 aplikasi pendinginan yang menggunakan

sirip.

LANDASAN TEORI 1. Perpindahan Panas

a. Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan energi dari temperatur tinggi ketemperatur rendah. Suatu energi berpindah secara konduksi (conduction) atau hantaran, jika laju perpindahan panas berbanding dengan gradien suhu normal :

x T A

q

∂

≈ ∂

Jika dimasukkan konstanta proporsionalitas (proportionality constant) atau tetapan kesebandingan maka:

x kA T

q ∂

− ∂

= Dimana :

q = laju perpindahan panas

x T

∂

∂ = Gradient suhu

b. Perpindahan Panas Konveksi

Sebuah plat logam panas akan menjadi dingin lebih cepat, bila diletakkan di depan kipas angin dibandingkan dengan diletakkan di udara yang tenang. Sehingga dapat dikatakan kalau panas dari plat dikonveksi.

Adapun persamaan yang digunakan adalah :

( − _∞ )

= hA T T

q _w

c. Perpindahan Panas Radiasi

Radiasi dalam hal ini hanya berbentuk radiasi thermal (thermal radiation). Teori thermodinamika menunjukkan bahwa radiator (penyinar) ideal memancarkan energi dengan laju yang sebanding dengan pangkat empat suhu absolut benda tersebut dan berbanding langsung dengan luas permukaan. Sehingga :

q _pancaran = σAT ⁴

2. Perpindahan Panas di Ruang Bakar Mesin

Campuran udara bahan bakar yang masuk ke ruang bakar pada saat langkah kerja mungkin bersuhu lebih tinggi atau

lebih rendah dibanding suhu dinding silinder.

Pada saat langkah kompresi, suhu bahan bakar naik dan pembakaran dimulai, telah terjadi perpindahan panas secara konveksi dari bahan bakar ke dinding silinder.

Beberapa panas hasil kompresi berkurang karena pendinginan melalui penguapan yang terjadi ketika tetesan kecil (dropet) bahan bakar yang tersisa menguap.

Pada saat puncak pembakaran, temperatur bahan bakar dan dinding silinder dapat mencapai 3000 K dan perpindahan panas yang efektif diperlukan untuk menjaga dinding silinder mengalami kelebihan panas (overheating). Konveksi dan konduksi adalah jenis perpindahan panas yang memindahkan energi dari ruang pembakaran dan menjaga dinding silinder agar tidak meleleh. Perpindahan panas sebuah dinding silinder dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Mesin berpendingin fluida cair

Mesin berpendingin udara

Gambar 1. Perpindahan panas melalui dinding silinder (Sumber: Pulkrabek, WW; 1999; hal. 319)

Perpindahan panas tiap satuan luas permukaannya adalah :

( )

 



  + 

 

 

 +  ∆

 





 





= −

=

c g

c g

h k

x h

T T A

q Q

1 1

&

&

(Sumber : Pulkrabek, WW; 1999; hal. 319) dimana :

T _g = temperatur bahan bakar di ruang bakar T c = temperatur pendinginan

h g = koef. perpindahan panas konveksi bahan bakar

h _c = koef. perpindahan panas konveksi pendingin

∆x = ketebalan dinding ruang bakar k = konduktivitas panas dinding silinder

Perpindahan panas pada persamaan di

atas adalah sebuah siklus. Temperatur bahan

Agritek Volume 11 Nomor 1 Maret 2010 PENGARUH JARAK SIRIP..……… 26 bakar T _g di ruang bakar sangat bervariasi

selama siklus langkah kerja mesin dengan nilai maksimum pada saat pembakaran dan nilai minimum pada saat masuknya bahan bakar. Bahkan temperatur bahan bakar saat masuk lebih rendah daripada temperatur dinding silinder yang dan terjadi perpindahan panas dari dinding ke bahan bakar secara sementara. Temperatur pendingin T c relatif konstan dengan sedikit perubahan pada saat siklus mesin telah mencapai waktu relatif lama. Media pendinginnya adalah udara untuk mesin dengan pendinginan udara (air colled) dan bahan yang tidak mudah beku untuk mesin berpendingin air. Koefisien perpindahan panas konveksi bahan bakar h _g sangat bervariasi terhadap siklus kerja mesin karena terjadi perubahan-perubahan pada bahan bakar seperti perubahan dalam hal gerakan, kecepatan, turbulensi dan lain-lain. Koefisien untuk dinding silinder juga memiliki variasi yang luas dengan alasan yang sama.

Koefisien perpindahan panas pendingin relatif konstan dan tergantung pada kecepatan media pendinginnya.

Konduktivitas panas dinding silinder k adalah fungsi temperatur dinding dan relatif konstan.

Perpindahan panas konveksi permukaan dalam silinder adalah :

( _{g w} )

g T T

A h

q = Q & = −

&

(Sumber : Pulkrabek, WW; 1999; hal. 320) dimana T w adalah temperatur dinding dan seharusnya tidak lebih dari 180 ^o -200 ^o C untuk kestabilan panas minyak pelumas dan kekuatan struktur bahan dinding.

Perpindahan panas secara radiasi antara bahan bakar dan dinding ruang bakar adalah

: ( )

( ) ( )

 



 



∈

∈ + −

 +







 





∈

∈

−

= −

=

− w

w g

g

w g

F T T A

q Q

1 1 1

2 1

4

σ 4

&

&

(Sumber : Pulkrabek, WW; 1999; hal. 321) dimana :

T _g = temperatur bahan bakar di ruang bakar

T w = temperatur dinding

σ = konstanta Stefan-Boltzmann

∈ _g = emisivitas bahan bakar

∈ w = emisivitas dinding

F _1-2 = faktor pandangan antara bahan bakar dan dinding

Meskipun temperatur bahan bakar sangat tinggi, radiasi terhadap dinding hanya sekitar 10% dari total perpindahan panas di ruang bakar. Hal ini mengacu pada sifat emisi bahan bakar yang hanya beradiasi pada panjang gelombang tertentu. N ₂ dan O ₂ yang menjadi bagian utama bahan bakar sebelum mengalami proses pembakaran beradiasi sangat kecil, sementara CO ₂ dan H ₂ O sebagai hasil pembakaran beradiasi sedikit lebih besar.

3. Mesin Berpendingin Udara (Air- Cooled Engine)

Mesin berpendingin udara menggunakan aliran udara di permukaan luar mesin untuk memindahkan panasnya. Pada kendaraan seperti sepeda motor dan pesawat, gerak maju kendaraan menyebabkan gerakan udara di permukaannya. Aliran udara ini seringkali juga diarahkan sesuai keinginan dengan perlengkapan tambahan. Permukaan luar mesin dibuat dari logam dengan sifat penghantar panas yang baik dan umumnya permukaannya dibentuk bersirip (fin) untuk mendapatkan perpindahan panas yang maksimum. Beberapa mesin berukuran kecil bahkan dilengkapi dengan baling-baling dan pengarah angin yang dapat meningkatkan perpindahan panas pada sirip-siripnya.

Pendinginan bagian depan mesin umumnya lebih mudah dan lebih efisien dibanding bagian belakang mesin karena sisi depan sesuai dengan arah gerak kendaraan.

Hal ini dapat menyebabkan terjadinya beda temperatur dan masalah ekspansi panas.

Untuk mendapatkan pendinginan yang seragam pada mesin jenis ini lebih sulit dibanding mesin berpendingin fluida cair.

Aliran pendingin cair lebih mudah dikontrol dan disalurkan pada bagian-bagian yang membutuhkan pendinginan maksimum.

Pendingin cair juga memiliki sifat panas

yang lebih baik daripada udara seperti

Agritek Volume 11 Nomor 1 Maret 2010 PENGARUH JARAK SIRIP..……… 27

h T∞,

A Ts,

(

− _∞

)

=hAT T

q s

h T∞,

A

T_s

(a) (b)

koefisien konveksi yang lebih tinggi, panas spesifik dan lain-lain.

Jika dibandingkan dengan mesin berpendingin fluida cair, mesin berpendingin udara memiliki keuntungan sebagai berikut : 1. Berat lebih ringan.

2. Biaya lebih murah.

3. Tidak terjadi kegagalan pada sistem pendinginan seperti pompa, selang dan lain-lain.

4. Mesin tidak menjadi terlalu dingin.

5. Pemanasan mesin lebih cepat.

Sedangkan kelemahannya adalah : 1. Kurang efisien.

2. Lebih bising, dengan kebutuhan aliran udara lebih besar dan tanpa peredaman kebisingan.

3. Membutuhkan aliran udara langsung dan permukaan yang dilengkapi dengan sirip- sirip.

Persamaan umum perpindahan panas untuk permukaan bersirip dapat digunakan untuk menghitung perpindahan panas pada permukaan mesin berpendingin udara.

4. Perpindahan Panas pada Sirip

Perpindahan panas pada sirip berawal dari konsep perluasan permukaan. Hal ini dapat dilihat pada ilustrasi berikut ini :

Gambar 2. Perpindahan panas melalui perluasan permukaan (Sumber : Incropera, FP, DeWitt, DP; 1996;

hal. 122)

Ditinjau satu permukaan datar seperti pada gambar (a). Jika T _s tetap maka ada dua cara untuk meningkatkan perpindahan panasnya. Koefisien konveksi h dapat dinaikkan dengan menaikkan kecepatan fluidanya dan atau temperatur fluida T ∞

dikurangi. Tetapi hal ini sangat tidak efisien ditinjau dari segi biaya yang diperlukan

terhadap peningkatan perpindahan panasnya.

Biaya-biaya ini termasuk pada tenaga blower atau pompa untuk menaikkan kecepatan fluida. Sedangkan menurunkan temperatur fluida merupakan solusi yang tidak praktis.

Pada gambar (b) dapat dilihat bahwa perpindahan panas ditingkatkan dengan jalan menambah luas permukaan. Hal ini dilakukan dengan mengaplikasikan bentuk sirip (fin) yang merupakan perpanjangan dinding permukaan terhadap fluida di sekitarnya. Bentuk-bentuk sirip ini bermacam-macam yaitu bentuk persegi panjang, bentuk lancip, bentuk tabung, bentuk cincin maupun bentuk kerucut.

Konduktivitas panas bahan sirip memiliki pengaruh yang sangat besar terhadap distribusi temperatur sepanjang sirip sehingga akan berpengaruh pada laju perpindahan panasnya. Idealnya bahan sirip harus memiliki konduktivitas panas yang relatif tinggi untuk meminimalkan variasi temperatur dari dasar sirip sampai ke ujungnya. Pada batas nilai konduktivitas ini maka temperatur dasar sirip kurang lebih sama dengan permukaan panasnya.

Efektivitas sirip didefinisikan sebagai rasio laju perpindahan panas dengan sirip dibandingkan dengan laju tanpa sirip.

Hipotesa

Mengacu pada proses perpindahan panas, dimana pertukaran panas dipengaruhi oleh luasan permukaan yang berinteraksi dengan fluida sekitar dimana semakin luas suatu permukaan maka proses pertukaran panas semakin efektif. Jadi untuk luasan yang sama, jarak sirip yang semakin kecil akan memperkecil interaksi dengan fluida sekitar sehingga akan mengurangi efektifitas pertukaran panas.

Metodologi Penelitian 1. Variabel Penelitian

Variabel penelitian terdiri dari; Variabel

bebas, meliputi jarak sirip vertikal (mm) dan

variasi kecepatan angin (m/det), sedangkan

Variabel terikatnya adalah temperatur

mesin, temperatur sirip dan temperatur ruang

antar sirip dalam satuan ⁰ C.

Agritek Volume 11 Nomor 1 Maret 2010 PENGARUH JARAK SIRIP..……… 28 2. Rancangan Percobaan

Gambar 3. Rancangan peralatan Pengujian Cara kerja alat :

Panas dari sumber panas yang mengalir menuju sirip secara konduksi akan di buang secara konveksi dengan memberikan aliran udara yang di hembuskan kipas angin yang dilengkapi dengan cerobong pengarah aliran melewati sirip-sirip pendingin, sehingga panas dari sumber panas akan berkurang secara kontinu. Arah datang angin dalam penelitian ini adalah arah angin sejajar.

Tetapi berlawanan dengan arah sirip, pada pengujian ini sirip yang digunakan berbentuk vertical.

Sirip vertikal ini direncanakan dibuat dari aluminium berbentuk persegi panjang dengan panjang 7 – 13 cm dan lebar 1,5 cm, sirip-sirip vertical ini di letakkan menempel pada cylinder head dengan variasi jarak 5 mm, 7mm (standar), 9 mm, dan 13 mm (ukuran ekstrim).

3. Peralatan dan bahan penelitian :

Dalam melaksanakan kegiatan observasi ini digunakan beberapa alat untuk membantu pelaksanaan eksperimen penelitian, antara lain :

1. Mesin sepeda motor 4 tak (Kharisma).

2. Plat aluminium dengan ketebalan 3 mm.

3. Kipas dengan dengan kecepatan angin 3,5 m/dt, 4,0 m/dt, 4,5 m/dt.

4. Alat pengukur suhu.

5. Cerobong angin berbahan seng dengan ketebalan 0,4 cm.

4.Rencana Metode Analisa Data

Data yang diambil sesuai dengan table merupakan data dengan rancangan desain

factorial yang dianalisis dengan menggunakan analisa varian ANOVA untuk melihat pengaruh variasi jarak sirip, variasi kecepatan angin dan interaksi antara kedua variable tersebut terhadap temperature blok mesin, sirip dan ruang diantara sirip. Jika dari hasil analisa ANOVA diketahui ada pengaruh variable bebas terhadap variable terikat maka akan dilanjutkan dengan analisa regresi. Jika tidak maka akan dibuat analisa grafik sebagai gambaran perilaku.

Pembahasan

1. Hubungan waktu dan suhu.

Data hasil penelitian dapat ditampilkan dalam bentuk grafik hubungan antara waktu dan suhu sebagai berikut :

30 40 50 60 70 80 90

4 9 14 19

Waktu pendinginan (menit) S u h u ( o C )

Blok mesin Sirip Antar sirip

Gambar 4. Grafik hubungan waktu vs suhu Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa suhu hasil pengukuran cenderung naik sesuai pertambahan waktu. Hal ini dapat dipahami mengingat kerja mesin menghasilkan panas dan panas yang dihasilkan semakin lama akan semakin besar. Kenaikan yang relatif kecil menunjukkan satu kemungkinan bahwa proses pendinginan telah terjadi dengan baik, dengan mengingat rancangan percobaan yang dilakukan pada putaran mesin yang dijaga konstan.

Selain itu terlihat pula urutan suhu tertinggi ke suhu terendah terjadi pada blok mesin, sirip dan ruang antar sirip. Hal ini sesuai dengan fenomena teoritis yang terjadi dimana panas ruang bakar dipindahkan ke dinding mesin (blok) terlebih dahulu.

Selanjutnya panas blok mesin berpindah ke

sirip dan dilanjutkan dengan perpindahan

panas dari sirip ke udara disekitarnya.

Agritek Volume 11 Nomor 1 Maret 2010 PENGARUH JARAK SIRIP..……… 29 2. Hubungan jarak sirip dan suhu.

Data hasil penelitian juga dapat ditampilkan dalam bentuk grafik hubungan antara jarak sirip dan suhu sebagai berikut :

30 40 50 60 70 80 90

4 9 14

Jarak sirip (mm) S u h u ( o C )

Blok mesin Sirip Antar sirip

Grafik 5. Hubungan jarak antar sirip vs waktu

Dari grafik di atas terlihat bahwa suhu tertinggi terjadi pada jarak sirip 7 mm. Hal ini dapat dimengerti bahwa suhu sirip yang relatif lebih tinggi mengindikasikan jumlah panas yang dipindahkan juga relatif lebih besar. Pada jarak sirip 5 mm suhunya relatif sama dan lebih rendah dari jarak 7 mm.

Sedangkan untuk jarak sirip 9 mm dan 13 mm tampak bahwa suhunya relatif lebih rendah dibanding yang lain.

Kesimpulan

1. Jarak antara sirip tidak memberikan pengaruh yang signifikan terhadap laju perpindahan panas mesin.

2. Perpindahan panas optimum terjadi pada jarak antara sirip 7 mm (jarak standar).

3. Kecepatan angin sangat berpengaruh terhadap perpindahan panas dimana semangkin besar kecepatan angin, maka semangkin besar laju perpindahan panas.

Saran

1. Penelitian selanjutnya sebaiknya menyertakan pengukuran pada ruang bakar sehingga analisa perpindahan panas secara teoritis dapat dilakukan sebagai bentuk kalibrasi data.

2. Parameter-parameter pengukuran dalam kerja mesin yang lain juga dapat

disertakan misal jumlah konsumsi bahan bakar, perbandingan bahan bakar dan udara, sudut pengapian dan lain-lain.

Daftar Pustaka

Bhattacharya, GK, Johnson, RA; 1977;

Statistical Concepts and Methods; John Wiley & Sons; New York

Brodkey, RS, Hershey, HC; 1988; Transport Phenomena A, Unified Approach;

McGraw-Hill; Singapure.

Http:en.wikipedia.org/wiki/Thermal conductivity

Incropera, FP, DeWitt, DP; 1996;

Fundamental of Heat and Mass Transfer, Fourth Edition; John Wiley & Sons, Inch; Canada.

Lester C Litchy; Combustion Engine Processes; 1996; Tokyo; McGraw Hill Maleev, V.L.; Internal Combustion Engine

Theory and Design; McGrawHill

Mathur, M.L. Sharma, R.P; 1980; A Course in Internal Combustion Engine;

Dhanphat Rai and Sons; New Dehli.

Nakoela S dan Shoichi F; Motor Serba Guna; PT Pradnya Paramitha; Jakarta.

Pulkrabek, WW; 1999; Engineering Fundamental of The Internal Combustion Engine; Prentice Hall International, Inc;

Singapore

Surbakty dan Soehardjo, R, ; 1978 ; Motor Bakar 2; Depdikbud; Jakarta

Wiranto, MA; 1998; Penggerak Motor

Bakar Torak; ITB; Bandung.