STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH JUMLAH DAN DIAMETER LUBANG
PADA SIRIP SEKELILING SILINDER LUAR TERHADAP
LAJU PERPINDAHAN KALOR
Joko Winarno 1) dan Samsul Kamal2)
1)
Jurusan Teknik Mesin, Universitas Janabadra
2)
Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin dan Industri, UGM
ABSTRACT
An experimental study was conducted to investigate the effect of diameter and number of the hole on the outside cylinder fin to the rate of heat transfer. Two similar models of the outside cylinder fin made of aluminium were employed in this work. One model was used to investigate the effect of hole diameter on the outside cylinder fin to the rate of heat transfer for given hole number, and the other was used to investigate the effect of hole number on the outside cylinder fin to the rate of heat transfer for given hole diameter. Multipurpose air duct was used for providing blowing air. The experimental results showed that rate of heat transfer of the outside cylinder fin increased in given situation by increasung the value of the Reynlods number for all cases of the fin. For the first case, rate of heat transfer of the outside cylinder fin increased by increasung the value of diameter of the hole, but the limit is reached when the area ratio (Φ) approximate 0,1 and for the second case, rate of heat transfer of the outside cylinder fin increased by increasung the number of the hole, but the limit is reached when the area ratio (Φ) was about 0,08. The friction factor reduced by increasung the value of the Reynlods number and increased by increasing the value of the number and diameter of the hole on the outside cylinder fin.
Keywords: radial fin, Reynolds number, heat transfer rate
PENDAHULUAN
Saat ini banyak kasus aplikasi di bidang teknik memerlukan komponen-komponen perpindahan kalor dengan unjuk kerja tinggi dengan berat, volume dan biaya yang lebih rendah. Pada umumnya aplikasi yang sering dijumpai untuk mendapatkan peningkatan laju aliran kalor adalah penggunaan permukaan yang menonjol (extended surface) dalam bentuk sirip. Sebagai contoh penggunaan sirip, misalnya untuk proses pendinginan silinder pada motor pembakaran dalam, pendinginan silinder kompresor, pendinginan peralatan elektrikal seperti transformator dan lain sebagainya. Permukaan yang menonjol dalam bentuk sirip ini juga digunakan secara luas dalam alat penukar kalor (heat exchangers), terutama penukar kalor jenis pipa bersirip aliran silang, untuk memperbesar luas permukaan perpindahan kalor, sehingga daya guna alat tersebut dapat meningkat.
Berbagai kajian analitis telah banyak dilakukan terhadap rancangan sirip yang optimum untuk mendapatkan komponen perpindahan kalor dengan unjuk kerja tinggi, ringan dan kompak. Arslanturk (2005) melakukan optimasi rancangan dari sirip dilakukan melalui dua pendekatan, yakni meminimalkan volume atau massa sirip pada tugas termal tertentu dan memaksimalkan laju aliran kalor pada volume atau massa sirip yang telah ditentukan Sedangkan optimasi rancangan geometri dari aransemen (susunan) sirip dapat dilakukan melalui pendekatan Hukum Kedua Termodinamika dengan meminimalkan pembangkitan entropi (Taufiq, et.al., 2006).
Berkaitan dengan pengurangan berat atau volume sirip, Fuji. et.al. (1998) telah melakukan penelitian terhadap sirip radial berlubang pada sebuah alat penukar kalor. Dari hasil penelitiannya diperoleh bahwa terjadi peningkatan laju perpindahan kalor pada permukaan sirip berlubang yang disebabkan oleh aliran yang melewati permukaan sirip berlubang akan terbagi menjadi dua komponen dan terjadi pusaran yang akan mempercepat terjadinya turbulensi.
Gardner dalam Kreith (1994) telah menganalisa efisiensi dari sirip radial berprofil segiempat dan sirip radial berprofil segitiga, sedangkan Kern dan Kraus (1972) melakukan kajian teoritis terhadap sirip dengan berbagai macam profil dan diketahu bahwa sirip dengan profil parabolik cekung mempunyai kemampuan mentransfer kalor yang maksimum. Webb (1994) dan Kraus et.al. (2002) juga melakukan analisis terhadap berbagai profil dari sirip dan hasilnya dapat diketahui bahwa sirip dengan profil hiperbolik mempunyai kemampuan mentransfer kalor yang hampir sama dengan sirip dengan profil parabolik cekung. Sementara itu Yeh (1997) melakukan studi analitis terhadap sirip berprofil segiempat dengan mempertimbangkan koefisien perpindahan yang berubah-ubah terhadap temperatur dan perpindahan kalor dari ujung sirip. Berkaitan dengan koefisien perpindahan kalor dari sirip, Mokheimer (2002) juga melakukan kajian analitis terhadap berbagai profil sirip radial dengan
mengakibatkan terjadinya peningkatan laju perpindahan kalor.
Penelitian ini dimaksudkan untuk mengetahui unjuk kerja termal dari sirip sekeliling silinder luar (sirip radial) dengan berbagai diameter dan jumlah lubang dalam suatu aliran udara. Penelitian dilakukan pada efek parameter geometri lubang pada sirip terhadap koefisien perpindahan kalor atau Bilangan Nusselt, dan faktor gesekan yang dihasilkan oleh sirip untuk mengetahui karakter besarnya laju perpindahan kalor. Dari penelitian ini diharapkan dapat diperoleh karakteristik luas permukaan sirip berlubang terhadap laju aliran kalor.
Dasar Teori
Geometri dari sirip radial di sekeliling silinder luar dalam studi ini ditunjukkan oleh gambar 1. Dengan mengasumsikan perpindahan kalor konduksi satu dimenasi dalam keadaan stedi untuk sirip tunggal dengan koefisien perpindahan kalor konstan dan memperhtungkan rugi-rugi kalor dari ujung sirip, maka penyelesaian eksak laju distribusi temperatur pada permukaan sirip dapat ditentukan dengan persamaan berikut ini:
=
oθ
θ
[
]
[
]
[
(
)
(
)
]
(
)
[
(
)
(
)
]
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
1 1 1 1 e e o e b o e e o e b o e e o e o e e o e onr
knI
nr
I
h
nr
K
nr
knK
nr
K
h
nr
I
nr
knI
nr
I
h
nr
K
nr
knK
nr
K
h
nr
I
+
−
−
+
−
−
(1) Laju perpindahan kalor dari sirip adalah:)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
.
.
.
.
.
2
1 1 1 1 1 1 e b o e b o e b e b b onr
K
nr
I
nr
I
nr
K
nr
K
nr
I
nr
I
nr
K
r
w
n
k
q
+
−
=
π
θ
(2)Kalor yang diserap oleh udara dirumuskan sebagai berikut:
(
out in)
pu u am
c
T
T
Q
=
.
.
−
(3) Di mana: u s u uA
V
m
=
ρ
.
.
;S
T
T
out=
∑
oui ;S
T
T
in=
∑
ini (4)Gambar 1 : Skema perpindahan kalor pada sirip radial di sekeliling silinder luar Semua sifat udara dievaluasi pada temperatur borongan rata-rata:
2
in out arT
T
T
T
∞=
=
+
(5)Sedangkan besarnya rugi-rugi kalor dari silinder bersirip adalah:
(
−
∞)
=
h
A
T
T
Q
c.
w.
wr (6) Di mana:2
fr br wrT
T
T
=
+
;=
∑
S
T
T
bi br ;=
∑
S
T
T
fr fi (7)Efektifitas dari sirip adalah:
(
−
∞)
=
T
T
h
A
Q
b b b w.
.
ε
(8)Besarnya koefisien perpindahan kalor konveksi rata-rata dihitung dengan:
)
.(
)
(
.
∞−
−
=
T
T
A
T
T
c
m
h
wr w in out pu u c (9)Luas total permukaan perpindahan kalor (Aw) silinder bersirip tanpa lubang:
+
−
=
(
A
2
N
.
r
w
)
A
w cπ
b[
2
π
(
r
e2−
r
b2)
+
2
.
π
.
r
e.
w
]
N
+2
N
π
.
r
ew
(10) Luas total permukaan perpindahan kalor (Aw) sirip berlubang adalah:+
−
=
(
A
2
N
.
r
w
)
A
w cπ
b[
2
π
(
r
e2−
r
b2)
+
2
.
π
.
r
e.
w
]
N
−
14M
π
( )
D
L 2 (11) Untuk analisis digunakan parameter-parameter tak-berdimensi berikut ini:a. Nusselt Number dan Bilangan Reynolds:
k
D
h
Nu
=
c 0 danv
VD
0Re
=
(12)b. Faktor gesek dan efektifitas sirip
L
V
D
P
g
f
.
.
.
2
2ρ
Δ
=
dan sirip tanpa sirip denganQ
Q
f=
ε
(13) c. Rasio luas Φ f wA
A
=
(14) Metode Penelitian a. Bahan Penelitian 1. Silinder Bersirip2. Papan kayu dan kaca dengan ketebalan 3 mm untuk pembuatan seksi uji 3. Asbes sebagai inti pemanas listrik
4. Kawat nikelin untuk membuat pemanas listrik dan Kabel listrik
T∞
h
r
re
rb
7. Isolator dan ciler untuk mengisolasi ujung silinder 8. Straw untuk membuat straigthener pada seksi uji
b. Peralatan Penelitian
1. Multipurpuse air duct (wind tunnel) beserta fan sentrifugal dan motornya, straightener, Pipa pitot dan pemegangnya, Manometer miring dan pipa karet penghubungnya.
2. Voltage Regulator 5 KVA
3. Panel kontrol yang terdiri voltmeter, amperemeter, MCB dan lampu 4. Termokopel tipe K (Cromel-Alumel) dan Multimeter temperatur digital 5. Heat Treacer (Pengukur temperatur menggunakan sinar infra merah) Susunan dari peralatan pengujian adalah sebagai berikut:
Gambar 2: Susunan peralatan pengujian
Seksi uji Benda uji Heater Panel control Amperemeter Voltmeter Voltage Reagulator Blower Wind Tunnel 2 mm 12 mm 164 mm 40 mm 10 mm
Gambar 3: Rancangan model silnder bersirip
HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian Pengaruh diameter lubang terhadap laju aliran kalor
50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 290 310 2400 2900 3400 3900 4400 4900 5400 Bilangan Reynold, Re L a ju A lir a n K a lo r (Q ), W a tt TNP Lubang DIA. LUBANG 5 MM DIA. LUBANG 6 MM DIA. LUBANG 7 MM DIA. LUBANG 8 MM DIA. LUBANG 9 MM DIA. LUBANG 10 MM Log (TNP Lubang)
Gambar 4: Grafik laju aliran kalor pada berbagai bilangan Reynold
0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 Rasio Luas, Laju Al ir an Kal o r (Q ), W a tt BUKAAN SLIDE 30% BUKAAN SLIDE 40% BUKAAN SLIDE 50% BUKAAN SLIDE 60% BUKAAN SLIDE 70% BUKAAN SLIDE 80% BUKAAN SLIDE 90% P l (BUKAAN SLIDE 30%)
Gambar 5: Grafik laju aliran kalor pada berbagai rasio luas
Φ Φ = f L
A
A
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 1800 2600 3400 4200 5000 5800 Bilangan Reynold, Re F akt o r G esek, f DIA. LUBANG 6 MM DIA. LUBANG 7 MM DIA. LUBANG 8 MM DIA. LUBANG 9 MM DIA. LUBANG 10 MM Expon (DIA LUBANG 9 MM)
Gambar 6: Grafik faktor gesek pada berbagai bilangan Reynold
Penelitian Pengaruh diameter lubang terhadap laju aliran kalor
0 50 100 150 200 250 300 350 1800 2300 2800 3300 3800 4300 4800 5300 5800 Bilangan Reynold, Re L a ju A lira n K a lo r, Q TANPA LUBANG JML LUBANG 8 JML LUBANG 12 JML LUBANG 16 JML LUBANG 24 Poly. (TANPA LUBANG) Poly. (JML LUBANG 8) Poly. (JML LUBANG 12) Poly. (JML LUBANG 24) P l (JML LUBANG 16)
Gambar 7: Grafik laju aliran kalor pada berbagai bilangan Reynold
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 Rasio Luas, Bi la ng an Nus s e lt , Nu BUKAAN SLIDE 30% BUKAAN SLIDE 40% BUKAAN SLIDE 50% BUKAAN SLIDE 60% BUKAAN SLIDE 70% BUKAAN SLIDE 80% BUKAAN SLIDE 90% Poly. (BUKAAN SLIDE 40%) Poly. (BUKAAN SLIDE 50%) P l (BUKAAN SLIDE 80%)
Gambar 8: Grafik bilangan Nuuselt pada berbagai rasio luas
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 1800 2300 2800 3300 3800 4300 4800 5300 5800 6300 Bilangan Reynold, Re Faktor Gesek, f TANPA LUBANG JML LUBANG 8 JML LUBANG 12 JML LUBANG 16 JML LUBANG 24 Expon. (JML LUBANG 8) Expon. (TANPA LUBANG) Expon. (JML LUBANG 12) Expon. (JML LUBANG 24) Expon (JML LUBANG 16)
Gambar 9: Grafik faktor gesek pada berbagai bilangan Reynold
Pembahasan
Pada grafik yang ditunjukkan oleh gambar 4 dan gambar 8 dapat diketahui bahwa laju aliran kalor dari semua kasus dari sirip yang diuji mengalami kenaikan seiring dengan naiknya Bilangan Reynold. Kecenderungan kenaikan laju aliran kalor ini disebabkan pada Bilangan Reynold yang semakin besar, hambatan gesekan permukaan benda akan semakin kecil dan gaya lembam akan semakin besar. Hal ini dapat menyebabkan terjadinya pusaran turbulensi di bagian belakang benda uji. Di samping itu pada kecepatan aliran udara yang semakin besar dapat menyebabkan lapis batas laminer pada permukaan benda menjadi turbulen. Hal ini mengakibatkan koefisien perpindahan kalor konveksi rata-rata akan meningkat seiring dengan naiknya bilangan Reynold untuk semua kasus yang diuji.
Dari kedua grafik tersebut juga dapat diketahui bahwasanya laju aliran kalor dari sirip yang diberi lubang lebih besar daripada sirip tanpa lubang pada berbagai bilangan Reynolds untuk semua kasus diameter dan jumlah lubang yang diujikan pada sirip. Hal ini karena tingkat intensitas turbulensi
Φ Φ = f L
A
A
lebih baik dan mempercepat terjadinya aliran turbulen pada permukaan benda terutama pada sisi bagian belakang dari sirip radial, yakni pada arus ikut pusaran turbulen. Secara visual pola aliran pada sirip tanpa lubang dan pada sisirp dengan lubang ditunjukkan oleh gambar 19 dan gambar 11.
Dari gambar 5 diketahui bahwa seiring dengan kenaikan diameter lubang sampai diameter lubang juga diikuti dengan kenaikan laju aliran kalor, akan tetapi pada diameter yang lebih besar dari 9 mm (yakni 10 mm) laju aliran kalor mengalami penurunan walaupun masih di atas laju aliran kalor dari sirip tanpa lubang. Hal ini karena pada diameter lubang sampai diameter lubang tertentu (yakni 9 mm), besarnya kenaikan koefisien perpindahan konveksi rata-rata yang terjadi lebih dominan daripada pengurangan luas permukaan sirip karena adanya lubang pada sirip. Akan tetapi pada pada diameter yang lebih besar, (yakni 10 mm), besarnya kenaikan koefisien perpindahan konveksi rata-rata yang terjadi tidak mampu lagi mengimbangi besarnya penurunan atau pengurangan luas permukaan perpindahan kalor pada sirip. Fenomena ini juga diperlihatkan pada hasil penelitian yang ditunjukkan oleh garfik pada gambar 9 di mana dari grafik tersebut diketahui seiring dengan kenaikan jumlah lubang sampai jumlah tertentu juga diikuti dengan kenaikan laju aliran kalor, akan tetapi pada jumlah yang lebih besar dari 24 mm laju aliran kalor tidak mengalami peningkatan laju aliran kalor yang berarti. Hal ini karena pada sampai pada jumlah lubang tertentu (yakni 24 mm), besarnya kenaikan koefisien perpindahan konveksi rata-rata yang terjadi lebih dominan daripada pengurangan luas permukaan sirip karena adanya lubang pada sirip. Akan tetapi pada pada jumlah diameter yang lebih besar dari 26, besarnya kenaikan koefisien perpindahan konveksi rata-rata yang terjadi tidak mampu lagi mengimbangi besarnya penurunan atau pengurangan luas permukaan perpindahan kalor pada sirip.
Gambar 10: Visualisasi pola aliran pada sirip tanpa lubang
Gambar 11: Visualisasi pola aliran pada sirip berlubang
Dalam hal faktor gesek, faktor gesekan akan semakin kecil seiring dengan naiknya bilangan Reynolds untuk semua kasus yang diuji seperti ditunjukkan oleh grafik pada gambar 7 dan gambar 10. Hal ini karena seiring dengan naiknya bilangan Reynolds, gaya gesek pada permukaan benda akan berkurang dan berubah menjadi gaya lembam.
Unjuk kerja termal dari sirip ditunjukkan dengan suatu parameter efektifitas dari sirip. Menurut Inropera and DeWitt bahwa nilai efektifitas dari sirip harus sama dengan 2 atau lebih. Dari hasil
penelitian diketahui bahwa besarnya nilai efektifitas dari sirip untuk semua kasus yang diuji lebih besar dari 2.
KESIMPULAN
Dari berbagai analisis terhadap karakteristik laju perpindahan kalor dari sirip radial sekeliling silinder luar dengan variasi diameter dan jumlah lubang dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Laju perpindahan kalor dari sirip radial di sekeliling silinder luar dengan berbagai diameter dan jumlah lubang lebih tinggi dari laju perpindahan kalor dari sirip radial tanpa lubang pada berbagai Bilangan Reynlods untuk semua kasus sirip yang diuji.
2. Pada penelitian dengan variasi diameter, besarnya laju aliran kalor pada sirip radial berlubang mengalami kenaikan seiring dengan kenaikan diameter lubang, dan pada diameter lubang tertentu, yakni 9 mm besarnya laju aliran kalor mencapai titik maksimal.
3. Pada penelitian dengan variasi jumlah lubang, Besarnya laju aliran kalor pada sirip radial berlubang juga mengalami kenaikan seiring dengan kenaikan jumlah lubang pada sirip, dan pada jumlah lubang, yakni 24 mm besarnya laju aliran kalor tidak mengalami peningkatan yang berati. 4. Faktor gesekan yang terjadi akan semakin kecil seiring dengan naiknya bilangan Reynolds untuk
semua kasus yang diuji.
5. Efektifitas dari sirip untuk semua kasus yang diuji lebih besar dari 2.
Daftar Lambang Dan Notasi
A Luas permukaan perpindahan kalor (m2) DH Garis-Tengah hidrolik (m)
f
Koefisien gesek (tak-berdimensi)ΔH Perbedaan tinggi cairan di dalam manometer (m) h Koefisien perpindahan kalor konveksi (w/m2.oC) k Konduktifitas termal bahan (watt.m/oC)
M Jumlah lubang (tak-berdimensi) mu Laju aliran udara (kg/det)
N Jumlah sirip (tak-berdimensi) Nu Bilangan Nusselt (tak-berdimensi) P Tekanan (kg/m2)
ΔP Perbedaan tekanan statik (kg/m2) Pr Bilangan Prandtl (tak-berdimensi) Q Laju aliran kalor dari sirip (watt) Re Bilangan Reynold (tak-berdimensi) r Jari-Jari (m)
S Jumlah titik pengukuran (tak-berdimensi) T Temperatur (oC)
bilk
T
Δ
Beda temperatur borongan (oC) V kecepatan aliran fluida (m/det) w Tebal sirip (m)Simbol-Simbol huruf Yunani Φ Rasio luas (tak-berdimensi)
ε Efektifitas perpindahan kalor dari silinder bersirip (tak-berdimensi) θ Beda temperatur antara dinding dengan fluida (oC)
ν Viskositas kinematik udara
DAFTAR PUSTAKA
Arslanturk, C., 2005, “Simple correlation equations for optimum design of annular fins with uniform thickness”, www.sciencedirect.com, Applied Thermal Engineering 25 (2005) 2463–2468, Elsevier Science Ltd.
Taufiq, B.N.,, Masjuki, H.H., Mahlia, T.M.I., Saidur, R., Faizul, M.S., Mohamad, E.N., “Second law analysis for optimal thermal design of radial fin geometry by convection”,
www.sciencedirect.com, Applied Thermal Engineering 27 (2007) 1363–1370, Elsevier Science
Ltd.
Kreith, F., 1994, “Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas”, Edisi Ketiga, Penerbit Erlangga Jakarta. Ozisik, M.N., 1981, “Basic Heat Transfer”, McGraw- Hill, Kogakusha, Tokyo, Japan.
Supriatno, 1998, “Pengaruh Pembuatan Lubang Pada Sirip Radial Berprofil Segiempat Terhadap Laju Perpindahan Kalor Pada Silinder Bersirip”, Prosiding Seminar, Nasional Perpindahan Panas dan Massa, Jurusan Teknik Kimia, FT-UGM, Hal. 33-78.
Kundu, B., Das, P.K., 2001, “Performance Analysis and Optimization of Annular Fin With a Step Change in Thickness”, Journal of Heat Transfer, Vol. 123, No. 3, pp. 601–604. Elsevier Science Ltd
Gardner, K.A., 1945, “Efficiency of extended surfaces”, Trans. ASME J. Heat Transfer 67 (1945) 621– 631.
Yeh, R.H., 1997, “An analytical study of the optimum dimensions of rectangular fins and cylindrical pin fins”, Int. J. Heat Mass Transfer. Vol. 40, No. 15, pp. 3607-3615, Elsevier Science Ltd.
Kern, D.Q., Kraus, A.D., 1972, “Extended Surface Heat Transfer”, McGraw-Hill, New York.
Incropera, F.P., DeWitt, D.P., 2002, “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”, Fifth ed., John Wiley & Sons.
Incropera, F.P., D.P. DeWitt, 1993, “Introduction to Heat Transfer”, Third Ed., John Wiley & Sons. Kraus, A.D., Aziz, A., Welty, J., 2001, “Extended Surface Heat Transfer”, Wiley, New York.
Mokheimer, E.M.A., 2002, “Performance of annular fins with different profiles subject to variable heat transfer coeffcient”, Int. J. Heat Mass Transfer 45 (2002) 3631–3642, Elsevier Science Ltd. Webb, R.L., 1994, “Principles of enhanced heat transfer”, Wiley, New York.
