vi
INTISARI
Penggunaan sirip sudah dikembangkan pada penerapan produk-produk teknologi yang berfungsi untuk mempercepat proses perpindahan panas. Penelitian ini bertujuan untuk membandingkan laju perpindahan panas yang dilepas antara saluran yang memiliki 2 (dua) sirip dengan saluran yang memiliki 4 (empat) sirip dan membandingkan besarnya efektivitas sirip pada saluran yang memiliki 2 (dua) sirip dengan saluran yang memiliki 4 (empat) sirip pada keadaan tak tunak.
Benda uji berupa saluran berpenampang segi empat dengan ukuran 60 mm x 60 mm x 100 mm. Ukuran tebal dinding saluran sebesar 5 mm dan tebal sirip sebesar 5 mm. Bahan yang digunakan dalam penelitian adalah Aluminium. Sifat – sifat bahan massa jenis ρ= 2700 kg/mm3, kalor jenis c= 896 J/kg°C, konduktivitas termal k = 202 W/m°C konstan atau tidak berubah terhadap suhu dan merata. Suhu awal benda merata sebesar Ti = 30°C. Suhu fluida yang mengalir di dalam saluran
Tf = 100°C dan suhu di luar saluran T∞= 30°C dianggap tetap dan merata. Selama
proses perubahan suhu berlangsung tidak terjadi perubahan volume dan bentuk pada saluran. Tidak ada pembangkitan energi di dalam sirip. Nilai koefisien perpindahan kalor konveksi benda h = 180 W/m2°C tetap dan merata. Metode penelitian dilakukan secara komputasi dan numerik dengan mempergunakan metode beda hingga cara eksplisit.
Dari hasil perhitungan dan pembahasan saluran yang memiliki dua sirip dengan empat sirip bagian dalam, maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : Pada saat t= 600 detik untuk saluran yang memiliki dua sirip sebesar 1,976 watt dan pada saluran yang memiliki empat sirip sebesar 2,228 watt. Jadi laju perpindahan panas saluran yang memiliki empat sirip lebih besar 0,252 watt, dan nilai efektivitas tertinggi pada saluran yang memiliki empat sirip memiliki efektivitas 1,115 kali lipat dibandingkan saluran yang memiliki dua sirip. Dengan demikian adanya penambahan sirip pada sebuah saluran akan menambah nilai efektivitas.
viii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala rahmat dan karunia-Nya, sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Tugas Akhir ini adalah persyaratan untuk mencapai sarjana S-1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.
Tugas Akhir ini diberi judul “Perbandingan Efektivitas Sirip Pada Saluran yang Memiliki Dua Sirip Bagian Dalam Dengan Empat Sirip Bagian Dalam”. Penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini karena adanya bantuan dan kerjasama dari bebagai pihak. Pada kesempatan ini perkenankan Penulis mengucapkan terima kasih kepada :
1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si, M.Sc. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.
2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma dan sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir.
3. Albertus Murdianto selaku Kepala SMK Katolik St. Mikael Surakarta yang telah memberikan kesempatan untuk studi lanjut di Universitas Sanata Dharma Yogyakarta
4. Romo T. Agus Srijono, SJ, selaku Direktur ATMI Surakarta yang telah memberikan dukungan selama belajar di Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
ix
6. Elisabeth Karunia Restu Antini dan Agnes Alinsia Riyantini, selaku Istri dan Anak yang selalu mendoakan dan memberi semangat untuk dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik.
7. Semua pihak yang telah membantu Penulis dalam pengerjaan Tugas Akhir. Penulis menyadari dalam pembahasan masalah ini masih jauh dari sempurna, maka Penulis memohon maaf dan terbuka untuk menerima saran dan kritik yang membangun.
Semoga naskah ini berguna bagi mahasiswa Teknik Mesin dan pembaca lainnya yang mungkin akan melakukan penelitian yang sejenis. Akhir kata Penulis mengucapkan terima kasih.
Yogyakarta, Juli 2014 Penulis
x
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN PENGESAHAN ... iii
DAFTAR DEWAN PENGUJI ... iv
PERNYATAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ... v
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ... vi
INTISARI ... vii
KATA PENGANTAR ... viii
DAFTAR ISI ... ix
DAFTAR TABEL ... xii
DAFTAR GAMBAR ... xiii
BAB I.PENDAHULUAN ...………. 1
1.1.Latar Belakang ………...……… 1
1.2.Batasan Masalah ……….……... 4
1.2.1 Bentuk Geometri Sirip ……….……. 4
1.2.2 Kondisi Awal ……… 5
1.2.3 Kondisi Batas ……….... 6
1.2.4 Asumsi ..………. 6
1.3.Tujuan ...……….... 6
1.4.Manfaat ..……….. 7
BAB II. DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA ...………... 8
2.1 Dasar Teori ...……...………... 8
xi
2.1.2 Perpindahan Kalor Konduksi...………. 9
2.1.3 Konduktivitas Termal...………. 10
2.1.4 Perpindahan Kalor Konveksi……… 11
2.1.4.1 Konveksi Bebas ...………..……….. 12
2.1.4.1.1 Plat Vertikal ...……...………. 14
2.4.1.1.1 Bilangan Rayleight ..……… ……….. 14
2.4.1.1.2 Bilangan Nusselt ………. 15
2.1.4.1.2 Plat Horisontal ...….………. 15
2.1.4.2 Konveksi Paksa....………... 16
2.1.5 Aliran Menyilang Silinder Tak Bundar……… 17
2.1.6 Bilangan Biot....……… 21
2.1.7 Bilangan Fourier.……….. 21
2.1.8 Difusivitas Termal Pada Sirip……….. 22
2.1.9 Kesetimbangan Energi pada Volume Kontrol ... 22
2.1.9.1 Penurunan Persamaan Numerik pada Volume Kontrol ...…… 24
2.1.9.2 Persamaan Numerik pada Volume Kontrol di Posisi Tengah Sirip. 25 2.1.9.3 Persamaan Numerik pada Volume Kontrol di Posisi Tepi Sirip .... 28
2.1.9.4 Persamaan Numerik pada Volume Kontrol di Posisi Sudut Luar .. 31
Sirip 2.1.9.5 Persamaan Numerik pada Volume Kontrol di Posisi Sudut ... 34
Dalam Sirip 2.1.10 Laju Perpindahan kalor Pada Sirip………... 37
xii
2.2 Tinjauan Pustaka ...……...………... 8
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN ....……… 24
3.1 Benda Uji ………...…………. 40
3.2 Peralatan Pendukung ..………...… 43
3.3 Variasi Penelitian ... 44
3.4 Metode Penelitian ... 44
3.5 Cara Pengambilan Data ... 44
3.6 Cara Pengolahan Data dan Membuat Kesimpulan ... 45
BAB IV. HASIL PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN ……… 46
4.1.Hasil Perhitungan ………... 46
4.1.1 Saluran Tanpa Sirip ... 46
4.1.2 Saluran yang Memiliki Dua Sirip ... 48
4.1.3 Saluran yang Memiliki Empat Sirip ... 51
4.2.Pembahasan ...………...……… 54
4.2.1 Distribusi Suhu ... 54
4.2.2 Laju Perpindahan Panas ... 55
4.2.3 Efektivitas ... 57
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ………. 59
5.1 Kesimpulan ……....………. 59
5.2 Saran …………..………... 59
DAFTAR PUSTAKA ……… 61
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Nilai Konduktivitas Termal, Kalor Jenis, Massa Jenis
Beberapa Bahan ...………... 11
Tabel 2.2. Konstanta C dan n untuk persamaan (2.7) ……….. 15
Tabel 2.3. Konstanta C dan n untuk persamaan (2.8) ……….. 16
Tabel 2.4. Konstanta C dan n untuk persamaan (2.9) ……….. 18
Tabel 2.5. Perbandingan harga Nusselt untuk berbagai geometri ……… 19
Tabel 2.6. Nilai kira-kira koefisien perpindahan kalor konveksi ………. 20
Tabel 4.1. Nilai Laju Perpindahan Panas Saluran Tanpa Sirip …...……... 47
Tabel 4.2. Nilai Laju Perpindahan Panas Saluran yang Memiliki ...……... 50
Dua Sirip Tabel 4.3. Nilai Efektivitas Saluran yang Memiliki Dua Sirip …...……... 50
Tabel 4.4. Nilai Laju Perpindahan Panas Saluran yang Memiliki ...……... 53
Empat Sirip Tabel 4.5. Nilai Efektivitas Saluran yang Memiliki Empat Sirip …...……... 53
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1. Saluran dengan Sirip Bagian Dalam ……….. 3
Gambar 1.2. Sirip Bagian Luar ...………. 3
Gambar 1.3. Saluran yang Memiliki Dua Sirip bagian Dalam ……… 5
Gambar 1.4. Saluran yang Memiliki Empat Sirip bagian Dalam ……… 5
Gambar 2.1. Perpindahan Kalor Konduksi ... 10
Gambar 2.2. Perpindahan Kalor Konveksi ……… 12
Gambar 2.3. Konveksi Bebas Pada Lapisan Batas Di Atas Plat Rata Vertikal .. 14
Gambar 2.4. Aliran Fluida pada Bidang Datar ……….. 17
Gambar 2.5. Kesetimbangan Energi dalam Volume Kontrol ...…. 23
Gambar 2.6. Pembagian Sirip menjadi Volume Kontrol pada Saluran ……. 24
dengan Dua Sirip Gambar 2.7. Pembagian Sirip menjadi Volume Kontrol pada Saluran ……. 25
dengan Empat Sirip Gambar 2.8. Volume Kontrol di Tengah Sirip ……… 26
Gambar 2.9. Volume Kontrol di Posisi Tepi Sirip ……….. 29
Gambar 2.10. Volume Kontrol di Posisi Sudut Luar Sirip ……… 31
Gambar 2.11. Volume Kontrol di Posisi Dalam Benda/Sirip ………... 34
Gambar 2.12. Penampang Saluran Yang Melepas Panas ke Lingkungan ……. 37
Luar Secara Konveksi Gambar 3.1. Benda Uji Sirip pada Saluran ………. 40
Gambar 3.2. Potongan pada Saluran Secara Simetri ………... 41
xv
Dua Sirip, dan Saluran dengan Empat Sirip
Gambar 4.1. Grafik Distribusi Suhu Pada Saluran Tanpa Sirip ....….……….. 46 Gambar 4.2. Grafik Laju Perpindahan Panas Pada Saluran Tanpa Sirip …..… 47 Gambar 4.3. Grafik Distribusi Suhu Pada Saluran yang Memiliki Dua Sirip … 48 Gambar 4.4. Grafik Laju Perpindahan Panas Pada Saluran yang Memiliki ..… 49
Dua Sirip
Gambar 4.5. Grafik Efektivitas Saluran yang Memiliki Dua Sirip ...… 49 Gambar 4.6. Grafik Distribusi Suhu Pada Saluran yang Memiliki ………... 51
Empat Sirip
Gambar 4.7. Grafik Laju Perpindahan Panas Pada Saluran yang Memiliki …. 52
Empat Sirip
Gambar 4.8. Grafik Efektivitas Pada Saluran yang Memiliki Empat Sirip ..… 52 Gambar 4.9. Grafik Perbandingan Distribusi Suhu antara Saluran …...……. 55
Tanpa Sirip, dengan Dua Sirip dan dengan Empat Sirip
Gambar 4.10. Grafik Perbandingan Laju Perpindahan Panas antara Saluran ... 56 Tanpa Sirip, dengan Dua Sirip dan dengan Empat Sirip
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Sejalan dengan perkembangan industri yang sangat pesat banyak
produk-produk yang dihasilkan untuk mendukung kebutuhan manusia. Berbagai macam
produk berupa benda ataupun alat telah diciptakan oleh manusia, mulai produk
untuk kebutuhan primer maupun sekunder. Industri yang telah berkembang
didukung oleh perkembangan teknologi yang semakin canggih.
Produk-produk untuk memenuhi kebutuhan hidup manusia yang telah
dihasilkan oleh adanya perkembangan teknologi antara lain kendaraan bermotor,
mesin cuci, kulkas, air conditioner, televisi, radio, komputer, dan lain-lain. Produk
hasil tersebut merupakan berfungsi untuk membantu aktivitas manusia mulai
kebutuhan rumah tangga sampai kebutuhan untuk mendukung aktifitas lain lebih
efisien ataupun untuk mendapatkan kondisi yang nyaman. Di setiap produk yang
dibuat selalu dikembangkan teknologinya untuk produk berikutnya. Adanya
pengembangan teknologi untuk setiap produk bertujuan untuk meningkatkan
kualitas produk agar lebih efektif dan efisien.
Jenis produk yang ditingkatkan efektifitasnya dimaksudkan supaya suatu
produk memiliki fungsi yang banyak dan penggunaanya sederhana. Sistem kerja
produk yang efisien merupakan sistem yang mendukung kinerja dari produk
tersebut. Pendukung kinerja suatu produk bisa berupa pengaturan kondisi udara
panas. Sebuah unit mesin cuci membutuhkan penyaluran panas dari generator ke
membutuhkan penyaluran udara ruangan dengan freon. Sebuah unit Kendaraan
bermotor membutuhkan penyaluran panas dari dalam silinder mesin ke udara
sekitar. Sebuah unit komputer juga membutuhkan penyaluran panas dari dalam
sistem kerja perangkat keras seperti hardisk dan prosesor ke udara sekitar. Apabila
perpindahan panas pada alat tersebut tidak terpenuhi maka dapat berakibat umur
pakai produk itu tidak tahan lama. Tujuan utama pemindahan panas tersebut adalah
untuk menjaga suhu kerja sesuai yang kebutuhan temperatur kerja dari
masing-masing produk agar kinerjanya menjadi efisien.
Teknologi yang dikembangkan memiliki tujuan untuk mendapatkan
perpindahan panas yang sesuai kebutuhan, sebagai contoh menggunakan
bahan-bahan yang memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi atau dengan
menambahkan sirip ataupun kipas pada bagian yang membutuhkan perpindahan
panas. Langkah-langkah yang dilakukan tersebut memiliki tujuan untuk
mendapatkan laju perpindahan panas dapat lebih besar.
Pertimbangan pemilihan bahan untuk perpindahan panas dikarenakan adanya
setiap bahan memiliki konduktivitas termal yang berbeda. Seperti air memiliki
konduktivitas termal yang lebih tinggi dari pada udara. Seperti tembaga memiliki
konduktivitas termal lebih besar dari pada kuningan. Bahan-bahan yang memiliki
konduktivitas termal yang tinggi dapat mempercepat proses perpindahan panas.
Sirip sudah dikembangkan untuk penerapan produk-produk teknologi.
Penggunaan sirip banyak digunakan pada produk seperti komputer dan kendaraan
bermotor. Komputer membutuhkan sirip untuk perpindahan panas pada perangkat
kompresor. Kendaraan bermotor membutuhkan sirip pada silinder mesin. Semakin
tinggi pula panas yang ditimbulkan, sehingga membutuhkan perpindahan panas
yang lebih cepat.
Apabila terjadi panas yang berlebih pada sebuah sistem kerja suatu alat dapat
mempercepat umur pakai, maka dikembangkan modifikasi bentuk sirip yang dapat
memperoleh laju perpindahan panas yang optimal. Contoh gambar sirip bagian
dalam pada Gambar 1.1 dan sirip bagian luar Gambar 1.2 :
Gambar 1.1. Saluran dengan Sirip Bagian Dalam
Penelitian di atas menggunakan sirip luar. Dengan latar belakang tersebut
penulis tertarik untuk meneliti sirip yang berada di dalam. Dalam penelitian ini
Penulis memfokuskan pada persoalan laju perpindahan panas dan efektivitas sirip
pada saluran yang memiliki dua sirip dalam dan empat sirip bagian dalam.
1.2. Batasan Masalah
Saluran segiempat yang memiliki sirip bagian dalamnya, pada kondisi awal
memiliki suhu awal yang seragam sebesar Ti kemudian dialiri fluida di dalamnya
bersuhu Tf dengan koefisien perpindahan panas konveksi sebesar hD. Perpindahan
panas yang terjadi adanya perbedaan suhu fluida di dalam saluran yang lebih tinggi
ke arah fluida di luar saluran yang lebih rendah. Kedua ujung saluran diisolasi
sehingga perpindahan panas yang terjadi dari permukaan bagian dalam saluran ke
arah permukaan bagian luar saluran. Panas yang dilepas dihitung pada permukaan
bagian luar saluran yang bersinggungan dengan fluida di luar saluran. Penelitian
dilakukan dengan membandingkan laju perpindahan panas dan efektivitas sirip
pada saluran yang memiliki dua sirip dalam dan empat sirip dalam lubang.
1.2.1 Bentuk Geometri
Saluran yang berpenampang segi empat dengan ukuran lubang 50 mm x 50
mm x 100 mm. Ukuran tebal dinding saluran sebesar 5 mm dan tebal sirip sebesar
Gambar 1.3. Saluran yang Memiliki Dua Sirip bagian Dalam
Gambar 1.4. Saluran yang Memiliki Empat Sirip bagian Dalam
1.2.2 Kondisi Awal
Suhu sirip pada kondisi awal atau awal saat t = 0 adalah seragam, yaitu
T(x,y,0) = Ti, secara matematis dinyatakan dalam Persamaan (1.1).
1.2.3 Kondisi batas
Seluruh permukaan bagian dalam saluran bersentuhan dengan fluida yang
mengalir dengan suhu yang seragam di dalam saluran, sedangkan seluruh
permukaan bagian luar saluran bersentuhan dengan fluida dengan suhu seragam
yang mengalir di luar saluran. Suhu fluida bagian dalam Tf dengan koefisien
perpindahan panas konveksi hD. Suhu fluida bagian luar T∞ dengan koefisien
perpindahan panas konveksi hL.
1.2.4 Asumsi
Beberapa asumsi diberlakukan dalam penelitian ini :
a. Sifat – sifat bahan (massa jenis (ρ), kalor jenis (c), konduktivitas termal (k))
konstan atau tidak berubah terhadap suhu dan merata.
b. Suhu awal benda merata sebesar Ti.
c. Suhu fluida yang mengalir di dalam saluran (Tf) dan suhu di luar saluran (T∞)
dianggap tetap dan merata.
d. Selama proses perubahan suhu berlangsung tidak terjadi perubahan volume
dan bentuk pada saluran.
e. Tidak ada pembangkitan energi di dalam sirip.
f. Nilai koefisien perpindahan kalor konveksi benda (h) tetap dan merata.
g. Bahan yang digunakan dalam penelitian dengan Alumunium.
1.3. Tujuan
Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut :
a. Membuat program komputasi dengan metode beda hingga dengan cara
pada saluran yang memiliki 2 (dua) sirip bagian dalam dengan saluran yang
memiliki 4 (empat) sirip bagian dalam.
b. Membandingkan besarnya laju perpindahan panas yang dilepas antara saluran
yang memiliki 2 (dua) sirip bagian dalam dengan saluran yang memiliki 4
(empat) sirip bagian dalam.
c. Membandingkan besarnya efektivitas pada saluran yang memiliki 2 (dua) sirip
bagian dalam dengan saluran yang memiliki 4 (empat) sirip bagian dalam.
1.4. Manfaat
Penelitian ini diharapkan dapat memberi manfaat, antara lain :
a. Dapat mengetahui besarnya dan efektivitas yang terjadi pada saluran yang
memiliki dua sirip bagian dalam dan empat sirip bagian dalam.
b. Dapat mengetahui pengaruh jumlah sirip bagian dalam pada saluran terhadap
efektivitas sirip.
c. Sebagai referensi bagi para penelitian lain yang berkeinginan melakukan
penelitian terkait dengan sirip pada saluran.
d. Dapat merancang dan memodifikasi berbagai macam dan bentuk sirip dengan
BAB II
DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori
2.1.1 Perpindahan Kalor Pada Sirip
Perpindahan kalor seperti yang ditulis oleh Frank Keith pada tahun 1997
adalah berpindahnya suatu energi dari satu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat
dari beda suhu antaradaerah-daerah tersebut. Ilmu perpindahan kalor mencoba
menjelaskan terjadinya energi kalor yang berpindah dari satu benda ke benda yang
lain, serta meramalkan laju perpindahan yang terjadi pada kondisi – kondisi
tertentu. Ilmu perpindahan kalor hampir sama hukum Termodinamika yang
berisikan tentang kekekalan energi dan arah perpindahan kalor yang berlangsung
pada arah tertentu.
Suatu proses perpindahan energi terjadi tiga modus perpindahan kalor antara
lain : konduksi (conduction) atau hantaran, konveksi (convection) atau rambatan,
dan radiasi (radiation) atau pancaran. Ketiga modus perpindahan kalor tersebut
memiliki arti yang berbeda-beda, tetapi karena perpindahan kalor radiasi yang
terjadi sangat kecil maka dapat diabaikan. Pada situasi alam, kalor mengalir tidak
hanya dengan satu cara tetapi dengan beberapa cara yang terjadi secara bersamaan.
Sangat penting untuk diperhatikan bahwa di dalam perekayasaan berbagai cara
perpindahan panas yang terjadi akan saling mempengaruhi untuk menentukan
proses perpindahan kalor, karena di dalam pelaksanaannya bila salah satu
prediksi (approximate solution) yang bermanfaat dengan mengabaikan semua
mekanisme kecuali mekanisme yang dominan.
2.1.2 Perpindahan Kalor Konduksi
Perpindahan kalor konduksi (conduction) atau hantaran adalah proses
perpindahan kalor dari bagian yang bersuhu tinggi ke bagian yang bersuhu rendah
di dalam suatu media (padat, cair atau gas) atau antara media-media lain yang
bersinggungan secara langsung disebabkan karena adanya gradien suhu
(temperature gradient). Proses perpindahan kalor secara konduksi bisa dilihat secara atomik merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), yaitu
partikel yang energinya rendah dapat meningkat dengan menumbuk partikel
dengan energi yang lebih tinggi.
Proses aliran panas konduksi, perpindahan energi kalor terjadi karena
hubungan molekul secara langsung tanpa adanya perpindahan molekul yang cukup
besar. Persamaan perpindahan kalor konduksi dinyatakan dengan Persamaan (2.1) :
... (2.1)
pada Persamaan (2.1) :
q : Laju perpindahan panas (watt)
k : Konduktivitas / hantaran termal (Thermal Conduction) sirip (W/m˚C)
A : Luas permukaan benda yang mengalami perpindahan kalor tegak lurus arah
perpindahan panas (m²)
: Gradien suhu kearah perpindahan kalor.
Dilakukan penambahan tanda minus agar memenuhi hukum kedua
rendah dalam skala suhu. Perpindahan kalor konduksi terjadi pada medium yang
bersifat diam.
Gambar 2.1. Perpindahan Kalor Konduksi
2.1.3 Konduktivitas Termal
Persamaan (2.1) dapat digunakan untuk mengukur dalam percobaan untuk
menentukan konduktivitas termal pada berbagai bahan. Untuk gas – gas pada suhu
yang agak rendah, pengolahan analisis teori kinetik gas dapat dipergunakan untuk
meramalkan secara teliti nilai – nilai yang diamati dalam percobaan.
Nilai konduktivitas beberapa bahan dapat dilihat dalam Tabel (2.1). Laju
perpindahan kalor dan nilai konduktivitas termal itu menunjukkan kecepatan kalor
Tabel 2.1. Nilai Konduktivitas Termal, Kalor Jenis, Massa Jenis Beberapa Bahan, (J.P. Holman, 1995, hal. 8)
Bahan Konduktivitas Termal, k
W/m˚C
Konveksi merupakan perpindahan kalor dengan kerja gabungan dari konduksi
kalor, penyimpanan energi, dan gerakan campuran. Konveksi sangat penting
sebagai mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat, cair, atau
gas. Perpindahan kalor konveksi dapat terjadi apabila ada fluida yang bergerak
lain – lain. Persamaan perpindahan kalor konveksi dinyatakan dengan Persamaan
(2.2) :
q = h.A.(Tw– T∞ ) ………...….………....…... (2.2)
Gambar 2.2. Perpindahan Kalor Konveksi (Cengel, 2002, hal. 359)
Pada Persamaan (2.2) :
q : Laju perpindahan kalor (watt)
h : koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m²˚C)
A : Luasan permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida (m²)
T∞ : Suhu fluida (˚C)
Tw : Suhu permukaan benda (˚C).
2.1.4.1Konveksi Bebas
Konveksi bebas atau konveksi alamiah adalah konveksi yang terjadi karena
adanya fluida mengalami proses pemanasan berubah densitasnya ( kerapatan ) dan
bergerak naik. Gerakan fluida dalam konveksi bebas terjadi karena gaya apung
yang dialaminya. Gaya apung itu tidak akan terjadi apabila fluida tersebut tidak
q A T
Dinding Aliran
T∞
Viskositas Relatif pada Fluida
mengalami suatu gaya dari luar seperti gaya gravitasi atau lainnya. Gaya apung
yang menyebabkan arus konveksi bebas disebut gaya badan.
Pada sistem konveksi bebas kita akan sering bertemu dengan bilangan
Grashof, Gr, yang dinyatakan dengan Persamaan (2.3) :
² ∞ ………..… (2.3)
Pada Persamaan 2.3
g : Percepatan gravitasi (m/s²
L : Dimensi karateristik (m
: Viskositas kinematik (m²/s
: Koefisien ekspansi volume ( = =
Tw : Suhu dinding (º
Gambar 2.3. Konveksi Bebas Pada Lapisan Batas Di Atas Plat Rata Vertikal
2.1.4.1.1 Plat Vertikal
2.1.4.1.1.1 Bilangan Rayleight
Pada kasus plat rata vertikal pada temperatur dinding seragam, bilangan
Rayleigh dinyatakan dengan Persamaan (2.4) :
………..…………...……… (2.4)
Pada Persamaan (2.4) :
Ra : bilangan Rayleigh
Gr : bilangan Grashof
2.1.4.1.1.2. Bilangan Nusselt (Nu)
Untuk konveksi bebas pada plat vertikal dengan temperatur dinding seragam
menurut Churchill dan Chu dengan daerah laminar pada 10ˉ¹ < Ra < 10¹² dan
sesuai untuk semua angka Prandtl bentuknya seperti pada Persamaan (2.5) :
Nu = 0,68
……….……… (2.5)
Sedangkan untuk daerah turbulen yang berlaku pada jangkauan 10ˉ¹ <RaL < 10¹²
bentuknya seperti pada Persamaan (2.6) :
Nu = 0,825+
……..………. (2.6)
Mc. Adams mengkorelasikan nilai Nusselt rata-rata untuk kondisi temperatur
dinding seragam dengan bentuk seperti pada Persamaan (2.7) :
Nu = ………..………...……...… (2.7)
Tabel 2.2 Konstanta C untuk Persamaan (2.7) (Koestoer, 2002, hal 87)
Jenis Aliran Gr.Pr C
Bilangan Nusselt rata-rata untuk konveksi bebas pada plat horisontal dan
kondisi temperatur dinding konstan dikorelasikan oleh Mc. Adam. Bilangan
Nussel dinyatakan dengan Persamaan (2.8) :
Konstanta C dan eksponen n disajikan pada Tabel (2.3) :
Tabel 2.3. Konstanta C dan n untuk Persamaan (2.8) (Koestoer, 2002, hal 91)
Orientasi Plat Gr.Pr C n Aliran
Proses perpindahan kalor konveksi paksa ditandai dengan adanya fluida
yang bergerak dikarenakan adanya alat lain yang mendorong. Alat bantu tersebut
dapat berupa fan, kipas angin, blower, pompa, kompresor, dll. Perbedaan
kerapatan mengakibatkan fluida yang berat akan mengalir ke bawah dan fluida
yang ringan mengalir ke atas.
Untuk menghitung laju perpindahan kalor konveksi paksa, nilai koefisien
perpindahan kalor konveksi h harus sudah diketahui. Bilangan Nusselt yang digunakan untuk menghitung h harus dipilih sesuai dengan kasusnya, karena setiap
kasus mempunyai bilangan Nusselt tersendiri. Pada Konveksi paksa bilangan
Nusselt merupakan fungsi dari bilangan Reynold, Nu = f. (Re.Pr). Dari nilai Re,
Gambar 2.4. Aliran Fluida pada Bidang Datar (Cengel, 2002, hal 358)
2.1.5 Aliran Menyilang Silinder Tak Bundar
Untuk berbagai bentuk geometri benda, koefisien perpindahan kalor rata-rata
dapat dihitung dari Persamaan (2.9) :
Nu = ⁿ ………...…..…….….. (2.9)
Pada Persamaan (2.9) :
Nu : Bilangan Nusselt (tak berdimensi)
h : Koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m² ˚C)
De : Panjang Karakteristik untuk sirip
k : Konduktivitas / hantaran termal dari fluida di sekitar sirip (W/m˚C)
Re : Bilangan Reynolds (tak berdimensi)
Tabel 2.4. Konstanta C dan n untuk Persamaan 2.9 (Cengel, 2002, hal. 405)
Table 2.5 di sajikan perbandingan harga Nusselt untuk beberapa geometri
penampang silinder pada jangkauan bilangan Reynold antara 10.000 hingga
100.000. Nilai kira-kira koefisien perpindahan kalor konveksi ditunjukkan dalam
Tabel 2.6.
Tabel 2.5. Perbandingan harga Nusselt untuk berbagai geometri (Koestoer, 2002, hal 37)
Re
Nu
10000 50,81 49,93 46,11 51,33 49,19
20000 77,98 75,05 73,62 80,81 76,55
30000 100,18 95,26 96,79 110,96 99,15
40000 199,67 112,81 117,54 138,96 119,12
50000 143,19 128,63 136,64 165,45 137,35
60000 165,83 143,19 154,54 190,80 154,29
70000 187,74 156,77 171,66 215,25 170,24
80000 209,04 169,58 187,66 238,94 185,37
90000 229,83 181,74 203,19 2611,99 199,84
100000 250,18 193,35 218,17 284,49 213,74
Tabel 2.6. Nilai kira-kira koefisien perpindahan kalor konveksi(J.P. Holman,
Plat vertikal, tinggi 0,3 m (1ft) di udara
Silinder horisontal, diameter 5 cm, diudara
Silinder horisontal, diameter 2 cm, dalam air
Aliran udara 2m/s diatas plat bujur sangkar 0,2 m
Aliran udara 3,5m/s diatas plat bujur sangkar 0,75m
Udara 2 atmosfer mengalir di dalam tabung diameter 2,5 cm, kecepatan 10 m/s
Air 0,5kg/s mengalir di dalam tabung 2,5 cm
Aliran udara melintasi silinder diameter 5 cm, kecepatan 50m/s
2.1.6 Bilangan Biot
Bilangan Biot merupakan bilangan tak berdimensi. Bilangan Biot (Bi) terkait
dengan tahanan laju perpindahan panas di dalam sirip (secara konduksi) dengan
tahanan laju perpindahan panas di permukaan sirip (secara konveksi). Bilangan
Biot dinyatakan dengan Persamaan (2.10) :
..………....………...……… (2.10)
Pada Persamaan (2.10) :
Bi : Bilangan Biot (tak berdimensi)
: Panjang karakteristik (m)
k : Konduktivitas / hantaran termal dari benda (W/m˚C)
2.1.7 Bilangan Fourier
Bilangan Fourier merupakan bilangan tak berdimensi, dinyatakan dengan
Persamaan (2.11) :
……….………...….. (2.11)
Pada Persamaan (2.11) :
Fo : Bilangan Fourier
: Difusivitas termal bahan (m²/s)
∆t, : Selang waktu (detik)
dx : ∆x atau ∆y searah datangnya konduksi (m)
Bilangan Fourier digunakan pada kasus tak tunak. Bilangan Fourier, salah
satunya dipakai sebagai syarat stabilitas. Besaran syarat stabilitas untuk bilangan
lebih dari syarat stabilitas), maka waktu yang dibutuhkan untuk melakukan
perhitungan konvergensi semakin cepat, tetapi selang waktu yang diperlukan
semakin besar.
2.1.8 Difusivitas Termal pada Sirip
Difusivitas termal bahan adalah perbandingan antara konduktivitas termal
suatu bahan dengan perkalian antara massa jenis dengan kalor jenis, Difusivitas
termal dinyatakan dengan Persamaan (2.12) :
………...……….……….……... (2.12)
Pada Persamaan (2.12) :
: Difusivitas termal bahan (m²/s)
k : Konduktivitas / hantaran termal dari benda (W/m ˚C)
ρ : Massa jenis (kg/m³)
c : Kalor jenis (J/kg ˚C)
Material yang memiliki difusitas termal bahan lebih besar, maka lebih cepat
terjadi penyesuaian suhu dengan suhu lingkungan (Yohana, 2008, hal vii).
2.1.9 Kesetimbangan Energi pada Volume Kontrol
Prinsip kekekalan energi pada Hukum pertama Termodinamika tentang
kesetimbangan energi digunakan untuk memperoleh volume kontrol, dapat dilihat
pada Gambar 3.1. Prinsip kesetimbangan energi pada volume kontrol dipergunakan
untuk mendapatkan persamaan numerik yang digunakan untuk mencari distribusi
Gambar 2.5. Kesetimbangan Energi dalam Volume Kontrol
Persamaan umum kesetimbangan energi pada volume kontrol dinyatakan
dengan Persamaan (2.13) :
Seluruh energi yang masuk
Eout : Energi yang keluar volume kontrol (watt)
Ėq : Energi yang di bangkitkan dalam volume kontrol (watt)
Est : Energi yang tersimpan dalam volume kontrol (watt)
Penyelesaian dengan metode komputasi, dilakukan dengan membagi sirip
volume kontrol sedangkan saluran yang memiliki empat sirip bagian dalam dibagi
menjadi 244 volume kontrol. Ukuran volume kontrol tergantung pada posisinya.
Pembagian sirip menjadi banyak volume kontrol disajikan seperti Gambar 2.6 dan
Gambar 2.7. Penurunan persamaan numerik pada setiap volume kontrol,
berdasarkan prinsip kesetimbangan energi yang terjadi pada volume kontrol.
2.1.9.1Penurunan Persamaan Numerik pada Volume Kontrol
Persamaan numerik untuk tiap titik pada pipa bersirip dua maupun bersirip
empat memiliki kesamaan, yaitu posisi di tengah sirip (ditandai angka 1), posisi di
tepi sirip yang bersinggungan dengan fluida (ditandai angka 2), posisi sudut luar
(ditandai angka 3), dan posisi sudut dalam (ditandai angka 4).
Gambar 2.7. Pembagian Sirip menjadi Volume Kontrol pada Saluran yang Memiliki Dua Sirip Bagian Dalam.
2.1.9.2Persamaan Numerik pada Volume Kontrol di Posisi Tengah Sirip
Volume kontrol pada saluran yang memiliki dua sirip yang berada di tengah
sirip terdiri atas volume kontrol di posisi : 2b-24b, 2c-2x, 3m-10m, 3x-24x,
16m-23m, 24c-24w. Volume kontrol pada saluran yang memiliki dua sirip yang berada
di tengah sirip terdiri atas volume kontrol di posisi : 2b-24b, 2c-2x, 3m-10m,
3x-24x, 16m-23m, 24c-24w, 13c-13k, 13q-13w. Sebagai wakil, untuk penurunan
persamaan numerik di ambil volume kontrol di posisi 2b, sedangkan volume
Perpindahan panas di tengah sirip terjadi secara konduksi. Terlihat pada
Gambar 2.8 menunjukkan q1, q2, q3, dan q4 terjadi perpindahan panas secara
konduksi.
Gambar 2.8. Volume Kontrol di Tengah Sirip
Volume kontrol = ∆x x ∆y =
; V = ; ;
………... (2.14)
...………. (2.15)
………... (2.16)
……….….. (2.17)
……….….. (2.18)
Semua ruas dikali , maka :
Dengan
, maka :
Dari Persamaan diatas suhu pada posisi di tengah sirip dapat ditentukan.
….…... (2.19)
…………... (2.20)
2.1.9.3Persamaan Numerik pada Volume Kontrol di Posisi Tepi Sirip
(berbatasan dengan fluida)
Volume kontrol pada lubang dengan dua sirip yang berada di tepi sirip terdiri
atas volume kontrol di posisi : 2a-24a, 1b-1x, 2y-24y, 25b-25x, 4c-22c, 3d-3k,
4l-10l, 16l-22l, 23d-23k, 11m,15m, 4n-10n, 16m-22m, 3o-3v, 4w-22w, 23o-23v.
Volume kontrol pada lubang dengan dua sirip yang berada di tepi sirip terdiri atas
volume kontrol di posisi : 2a-24a, 1b-1x, 2y-24y, 25b-25x, 4c-11c,15c-22c,
12d-12j, 14d-14j, 3d-3k, 4l-10l, 16l-22l, 23d-23k, 11m,15m, 4n-10n, 16m-22m, 3o-3v,
4w-11w, 15w-22w, 12p-12v, 14p-14v, 23o-23v. Sebagai wakil, untuk penurunan
persamaan numerik di ambil volume kontrol di posisi 3f, sedangkan volume
kontrol di posisi yang lain menyesuaikan.
Perpindahan panas di tepi sirip terjadi secara konduksi dan konveksi. Terlihat
pada Gambar 2.9 menunjukkan q1, q2, dan q3 terjadi perpindahan panas secara
Gambar 2.9. Volume Kontrol di Posisi Tepi Sirip
Persamaan numerik pada posisi tepi sirip. Jarak ∆x = ∆y; V= ; V=
.……..…... (2.21)
.…………..………... (2.22)
.……..……. ….. (2.23)
...…………...………..… (2.24)
Kesetimbangan energi :
.………...… (2.25)
Semua ruas dikali , maka :
Dengan
, dan
maka :
Semua ruas dikali 2Fo , maka :
………... (2.26)
...……….... (2.27)
2.1.9.4Persamaan Numerik pada Volume Kontrol di Posisi Sudut Luar Sirip
Volume kontrol pada lubang dengan dua sirip yang berada di sudut luar sirip
terdiri atas volume kontrol di posisi : 1a, 1y, 25a, 25y, 11l, 15l, 11n, 15n. Volume
kontrol pada lubang dengan dua sirip yang berada di sudut luar terdiri atas volume
kontrol di posisi : 1a, 1y, 25a, 25y, 11l, 15l, 11n, 15n, 12k, 14k, 12o, 14o. Sebagai
wakil, untuk penurunan persamaan numerik di ambil volume kontrol di posisi 11l,
sedangkan volume kontrol di posisi yang lain menyesuaikan.
Perpindahan panas di sudut luar sirip terjadi secara konduksi dan konveksi.
Terlihat pada Gambar 2.10 menunjukkan q1, dan q2 terjadi perpindahan panas
secara konduksi sedangkan q3 dan q4 terjadi perpindahan panas secara konveksi.
Semua ruas dikali , maka :
………...……. (2.33)
Syarat Stabilitas :
…………..…………... (2.34)
2.1.9.5Persamaan Numerik pada Volume Kontrol di Posisi Sudut Dalam
Benda/Sirip
Volume kontrol pada lubang dengan dua sirip yang berada di sudut dalam sirip
terdiri atas volume kontrol di posisi : 3c, 3l, 3n, 3w, 23c, 23l, 23n, 23w. Volume
kontrol pada lubang dengan dua sirip yang berada di sudut dalam terdiri atas
volume kontrol di posisi : 3c, 3l, 3n, 3w, 23c, 23l, 23n, 23w, 12c, 12w, 14c,14w.
Sebagai wakil, untuk penurunan persamaan numerik di ambil volume kontrol di
Perpindahan panas di sudut dalam sirip terjadi secara konduksi dan konveksi.
Terlihat pada gambar 2.11 menunjukkan q1, q2, q3, dan q4 terjadi perpindahan
panas secara konduksi sedangkan q5 dan q5 terjadi perpindahan panas secara
konveksi.
Gambar 2.11. Volume Kontrol di Posisi Sudut Dalam Benda/Sirip
Persamaan numerik pada posisi sudut dalam sirip. Jarak ∆x = ∆y; V=
……….… (2.35)
………..……... (2.36)
………... (2.37)
………....…. (2.38)
…………....………... (2.39)
Semua ruas dikali , maka :
Dengan
, dan
, maka :
... (2.42)
Syarat Stabilitas :
... (2.43)
2.1.10 Laju Perpindahan Panas pada Sirip
Nilai laju perpindahan panas pada sirip menyatakan kemampuan sirip untuk
melepas panas ke lingkungan secara konveksi, terlihat pada gambar penampang
sebuah dinding pipa yang melepas panas Q dengan tanda arah panah.
Gambar 2.12. Potongan Penampang Saluran Yang Melepas Panas ke Lingkungan
Luar Secara Konveksi
Perhitungan secara numerik laju perpindahan panas pada saluran dinyatakan
dengan Persamaan (2.44) :
Qtot= Ʃqi,j
Qtot = Ʃh(Ai,j) ( ……….... (2.44)
Pada Persamaan (2.44) :
Qtot : Laju perpindahan panas total sirip (watt)
Ai,j, : Luas permukaan volume kontrol di posisi i,j yang bersentuhan dengan fluida
Ti,j, : Suhu volume kontrol di posisi i,j yang bersentuhan dengan fluida
T , : Suhu fluida (oC)
h, : Koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m2 oC) n : Menyatakan waktu.
2.1.11 Efektivitas Sirip
Efektivitas Sirip adalah Perbandingan antara laju perpindahan panas yang
dilepas saluran bersirip dengan laju perpindahan panas yang dilepas saluran tanpa
sirip.
Untuk mengetahui efektivitas yang terjadi jika suatu permukaan
ditambahkan sirip, dinyatakan dengan Persamaan (2.45) dan (2.46) :
ɛ =
Pada Persamaan (2.45) dan (2.46) :
ɛ : Efektivitas sirip
Q2sirip : Laju perpindahan panas saluran yang memiliki dua sirip (watt)
Q4sirip : Laju perpindahan panas saluran yang memiliki empat sirip (watt)
Qtanpa sirip : Laju perpindahan panas saluran yang memiliki tanpa sirip (watt)
2.2 Tinjauan Pustaka
Penelitian yang berkaitan dengan sirip telah dilakukan oleh beberapa orang.
tentang efisiensi sirip dan efektivitas sirip terbatas untuk kasus 1 dimensi dan pada
keadaan tunak.
Penelitian kasus 1 dimensi pernah dilakukan oleh Winarno, J (2000) bertujuan
untuk mengkaji karakteristik sirip radial berprofil segiempat 1 dimensi. Penelitian
dilakukan dengan cara numerik. Penyelesaian dilakukan dengan menggunakan
bahasa pemrograman Fortran, hasilnya untuk mendapatkan laju aliran kalor yang
maksimum dari sirip radial berprofil segiempat, nilai koefisien perpindahan kalor
konveksi h yang setinggi mungkin.
Penelitian lain untuk kasus 2 (dua) dimensi pernah dilakukan oleh Saputro, B
(2011), dengan judul “Perbandingan Efisiensi dan Efektivitas Sirip Tak Berlubang
dengan Berlubang Empat pada Kasus Dua Dimensi Keadaan Tak Tunak. Hasilnya
adalah efisiensi dan efektivitas sirip berlubang empat dan sirip tak berlubang
adalah sama (perbedaan tidak begitu signifikan).
Penelitian lain untuk kasus 3 dimensi pernah dilakukan oleh Yohana, S dengan
judul “Laju Perpindahan Kalor dan Efektivitas Sirip pada Kasus 3 Dimensi
Keadaan Tak Tunak”. Tujuan penelitian ini untuk menganalisis sirip segiempat 3
dimensi yang berlubang di sisi penampangnya dengan variasi bahan. Hasil
penelitian yang diperoleh semakin tinggi konduktivitas termal bahan maka
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Benda Uji
Benda Uji berupa sebuah saluran pipa dari bahan logam yang memiliki profil
60 mm x 60 mm, di dalam saluran pipa terdapat sirip seperti di sajikan pada
Gambar 3.1.
Gambar 3.1. Benda Uji Sirip pada Saluran
Penelitian laju perpindahan panas dan efektivitas sirip yang dilakukan pada
dua buah saluran, yang satu memiliki dua sirip bagian dalam dan yang satunya
memiliki empat sirip bagian dalam. Analisis dilakukan untuk mengetahui besarnya
laju perpindahan panas dan efektivitas sirip yang terjadi pada kedua saluran.
Perpindahan panas berasal dari fluida yang mengalir di dalam saluran ke fluida
yang berada di luar saluran.
Untuk mempermudah analisis laju perpindahan panas dan efektivitas sirip
pada saluran dilakukan dengan memotong bagian saluran yang simetri.
empat bagian simetri, sedangkan saluran yang memiliki empat sirip bagian dalam
dipotong menjadi delapan bagian simetri yang disajikan pada Gambar 3.2.
Gambar 3.2. Potongan pada Saluran Secara Simetri
Dalam perhitungan dilakukan penentuan volume kontrol pada saluran tanpa
sirip, saluran yang memiliki dua sirip dan pada saluran yang memiliki empat sirip,
Gambar 3.3. Volume Kontrol Pada Saluran Tanpa Sirip, Saluran yang Memiliki
Spesifikasi benda uji yang digunakan, sebagai berikut :
a. Panjang sirip (P) = 100 mm = 0,1 m
b. Ukuran profil luar saluran = 60 x 60 mm = 0,06 x 0,06 m
c. Ukuran profil dalam saluran = 50 x 50 mm = 0,05 x 0,05 m
d. Tebal sirip (t) = 5 mm = 0,005 m
e. Volume kontrol = ∆x = ∆y = 2,5 mm = 0,0025 m
f. Suhu fluida dalam saluran (Tf) = 100 ºC
g. Suhu fluida luar saluran (Tɷ) = 30 ºC
h. Suhu awal saluran (Ti) = 30 ⁰C
i. Periode waktu yang digunakan (dt) = 0,2 detik
j. Bahan sirip = Alumunium
k. Konduktivitas termal (k) = 202 W/m°C
l. Koefisien perpindahan panas konveksi bagian dalam (hD) = 180 W/m2°C
m. Koefisien perpindahan panas konveksi bagian luar (hL) = 6,5 W/m2°C
3.2 Peralatan Pendukung
Sebagai pendukung penelitian untuk membuat analisis akan digunakan
peralatan Komputer dengan spesifikasi seperti berikut ini :
a) Perangkat keras :
a. Komputer dengan spesifikasi Fujitsu dengan Intel Core2 Duo CPU
T5550 @ 1.83GHz, 2,0GB RAM, Mobile Intel 965 Express Chipset
Family.
b. Printer Epson L100.
b) Perangkat lunak :
a. Windows 7 ultimate 32-bit SP1.
b. Microsoft office Word 2007.
c. Microsoft office Excel 2007.
d. Autocad 2008.
e. Solidwork 2010
3.3 Variasi Penelitian
Variasi penelitian dilakukan terhadap jumlah sirip yang dipergunakan pada
saluran.
a. Saluran yang memiliki 2 sirip
b. Saluran yang memiliki 4 sirip
Sebagai referensi dilakukan juga perhitungan terhadap saluran tanpa sirip.
3.4 Metode Penelitian
Metode komputasi adalah metode yang digunakan untuk penelitian terhadap
laju perpindahan panas dan efektivitas sirip dengan metode beda hingga cara
eksplisit.
3.5 Cara Pengambilan Data
Langkah-langkah yang dilakukan di dalam pengambilan data adalah sebagai
berikut :
a. Benda uji berupa saluran yang memiliki sirip dibagi dalam bentuk volume
sebuah node yang masing-masing diberi penomoran mulai dari node 1, node 2,
node 3, dan seterusnya.
b. Menentukan persamaan numerik yang sesuai dengan posisi node pada setiap
volume kontrol dengan metode beda hingga cara eksplisit, sesuai prinsip
kesetimbangan energi.
c. Membuat program komputasi dengan program Microsoft Exel untuk
mendapatkan besarnya laju perpindahan panas dan efektivitas dari waktu ke
waktu pada sirip.
d. Memasukkan input untuk menjalankan program, hasil – hasil yang didapat,
berupa laju perpindahan kalor dan efektivitas dicatat sebagai data untuk siap
diolah.
3.6 Cara Pengolahan Data dan Membuat Kesimpulan.
Hasil olah data dari perhitungan program yang sudah jadi kemudian diolah
sesuai dengan kebutuhan. Diolah untuk dapat ditampilkan dalam bentuk grafik
hubungan :
a. Suhu dengan posisi volume kontrol.
b. Laju perpindahan panas dengan waktu.
c. Efektivitas dengan waktu.
Hasil yang ditampilkan berupa grafik akan mempermudah pembahasan terhadap
laju perpindahan panas dan efektivitas dari waktu ke waktu. Hasil pengolahan data
kemudian dibahas dan dianalisis dengan mengingat tujuan dari penelitian.
BAB IV
HASIL PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Perhitungan
4.1.1 Saluran Tanpa Sirip
Hasil perhitungan distribusi suhu dan laju perpindahan panas dari waktu ke
waktu disajikan pada Gambar 4.1 dan Gambar 4.2. Distribusi suhu hanya disajikan
node yang ada di permukaan atas saluran, yang terdiri dari : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,
10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25. Node-node yang lain,
hasil perhitungan dapat dilihat pada file.
Gambar 4.2. Grafik Laju Perpindahan Panas Pada Saluran Tanpa Sirip
Agar dapat mengetahui nilai laju perpindahan panas yang dihasilkan saluran
yang memiliki dua sirip pada saat 0 detik sampai dengan 600 detik dapat dilihat
pada Tabel 4.1.
Tabel 4.1 Nilai Laju Perpindahan Panas Saluran Tanpa Sirip
Waktu (detik) Laju perpindahan panas (watt)
4.1.2 Saluran yang Memiliki Dua Sirip
Hasil perhitungan distribusi suhu, laju perpindahan panas dan efektivitas untuk
saluran yang memiliki dua sirip dari waktu ke waktu disajikan pada Gambar 4.3,
Gambar 4.4, dan Gambar 4.5. Perhitungan pada saluran yang memiliki 2 sirip
dilakukan pada ¼ bagian yang bagian simetri seperti Gambar 4.3 Grafik distribusi
suhu hanya disajikan node yang berada di permukaan samping kiri saluran yang
bersinggungan dengan fluida sekitar. Node-node yang lain, hasil perhitungan dapat
dilihat pada file.
Gambar 4.3. Grafik Distribusi Suhu Pada Saluran yang Memiliki Dua Sirip
Gambar 4.4. Grafik Laju Perpindahan Panas Pada Saluran yang Memiliki Dua
Sirip
Gambar 4.5. Grafik Efektivitas Saluran yang Memiliki Dua Sirip
Agar dapat mengetahui nilai laju perpindahan panas yang dihasilkan dan
efektivitas saluran yang memiliki dua sirip pada saat 0 detik sampai dengan 600
detik dapat dilihat pada Tabel 4.2 dan Tabel 4.3.
Tabel 4.2 Nilai Laju Perpindahan Panas Saluran yang Memiliki Dua Sirip
Waktu (detik) Laju perpindahan panas (watt)
0 0
Tabel 4.3 Nilai Efektivitas Saluran yang Memiliki Dua Sirip
4.1.3 Saluran yang Memiliki Empat Sirip
Hasil perhitungan distribusi suhu, laju perpindahan panas dan efektivitas untuk
saluran yang memiliki empat sirip dari waktu ke waktu disajikan pada Gambar 4.6,
gambar 4.7, dan Gambar 4.8. Perhitungan pada saluran yang memiliki empat sirip
dilakukan pada 1/8 bagian yang bagian simetri seperti Gambar 4.3. Grafik
distribusi suhu hanya disajikan node yang berada di permukaan atas saluran yang
bersinggungan dengan fluida sekitar. Node-node yang lain, hasil perhitungannya
dapat dilihat pada file.
Gambar 4.6. Grafik Distribusi Suhu Pada Saluran yang Memiliki Empat Sirip
Gambar 4.7. Grafik Laju Perpindahan Panas Pada Saluran yang Memiliki
Empat Sirip
Agar dapat mengetahui nilai laju perpindahan panas yang dihasilkan dan
efektivitas saluran yang memiliki empat sirip pada saat 0 detik sampai dengan 600
detik dapat dilihat pada Tabel 4.4 dan Tabel 4.5.
Tabel 4.4 Nilai Laju Perpindahan Panas Saluran yang Memiliki Empat Sirip
Waktu (detik) Laju perpindahan panas (watt)
0 0
Tabel 4.5 Nilai Efektivitas Saluran yang Memiliki Empat Sirip
Waktu (detik) Efektivitas
4.2 Pembahasan
4.2.1 Distribusi Suhu
Hasil perhitungan distribusi suhu saluran tanpa sirip yang disajikan pada
Gambar 4.1 dimulai dari 0 detik sampai dengan 600 detik. Suhu tertinggi yang
dicapai pada saat 600 detik adalah 51,95 °C pada volume kontrol 13.
Hasil perhitungan distribusi suhu saluran yang memiliki dua sirip yang
disajikan pada gambar 4.4 dimulai dari 0 detik sampai dengan 600 detik pada
permukaan samping kiri yang bersinggungan dengan fluida. Suhu tertinggi yang
dicapai pada saat 600 detik adalah 71,99 °C pada volume kontrol 2.
Hasil perhitungan distribusi suhu pada saluran yang memiliki empat sirip
disajikan pada Gambar 4.6. Suhu tertinggi yang dicapai pada saat 600 detik adalah
73,50 °C pada volume kontrol 13.
Hasil perbandingan distribusi suhu antara saluran tanpa sirip, saluran yang
memiliki dua sirip, dan saluran yang memiliki empat sirip pada saat 180 detik
dapat dilihat pada Gambar 4.9. Melihat gambar yang disajikan bahwa saluran yang
memiliki dua sirip distribusi suhunya lebih tinggi dibandingkan saluran tanpa sirip.
Sedangkan saluran yang memiliki empat sirip distribusi suhunya lebih tinggi
dibandingkan saluran yang memiliki dua sirip.
Adanya penambahan sirip pada sebuah saluran, maka luas permukaan pada
saluran tersebut akan lebih besar. Semakin besar luas permukaan dapat menangkap
panas yang lebih besar pula. Hal ini sesuai dengan teori perpindahan kalor bahwa
Gambar 4.9. Grafik Perbandingan Distribusi Suhu antara Saluran Tanpa Sirip,
dengan Dua Sirip dan dengan Empat Sirip
4.2.2 Laju Perpindahan Panas
Grafik laju perpindahan panas saluran tanpa sirip pada Gambar 4.2
menunjukkan peningkatan dari waktu ke waktu. Pada saat 600 detik laju
perpindahan panas mencapai 1,976 watt.
Grafik laju perpindahan panas saluran yang memiliki dua sirip menunjukkan
peningkatan dari waktu ke waktu. Pada saat 600 detik besarnya laju perpindahan
panas mencapai 2,228 watt. Nilai laju perpindahan panas yang dihasilkan dapat
dilihat dalam Tabel 4.2.
Grafik laju perpindahan panas saluran yang memiliki empat sirip pada Gambar
4.7 menunjukkan peningkatan dari waktu ke waktu. Pada saat 600 detik besarnya
laju perpindahan panas mencapai 2,429 watt. Nilai laju perpindahan panas yang
dihasilkan pada saat sebelum 600 detik dapat dilihat dalam Tabel 4.4.
Perbandingan laju perpindahan panas diperoleh dari nilai laju perpindahan
panas pada saluran tanpa sirip, saluran yang memiliki dua sirip, dan saluran yang
memiliki empat sirip. Hasil perbandingan dapat dilihat pada Gambar 4.9.
Gambar 4.10. Grafik Perbandingan Laju Perpindahan Panas antara Saluran
Tanpa Sirip, dengan Dua Sirip dan dengan Empat Sirip
Hasil laju perpindahan panas pada saluran yang memiliki empat sirip,
memiliki nilai yang paling tinggi dibandingkan saluran tanpa sirip maupun saluran
yang memiliki dua sirip. Semakin waktu bertambah selisih hasil laju perpindahan
panas semakin sedikit, hal ini menunjukan adanya keadaan tunak pada waktu
tertentu.
Saluran yang memiliki dua atau empat sirip bagian dalam, setelah 0 detik laju
perpindahan panas semakin meningkat dibandingkan dengan saluran tanpa sirip.
Saluran yang ditambah dengan sirip menunjukkan berpengaruh terhadap
peningkatan nilai laju perpindahan panas.
4.2.3 Efektivitas
Grafik efektivitas saluran yang memiliki dua sirip menunjukkan kenaikan
yang signifikan pada saat mulai 0 detik sampai 240 detik dengan nilai efektivitas
1,47. Setelah waktu 240 detik efektivitas mulai menurun. Adanya penurunan nilai
efektivitas menunjukaan semakin mendekati kondisi tunak. Nilai efektivitas yang
dihasilkan dapat dilihat dalam Tabel 4.3.
Grafik efektivitas saluran yang memiliki empat sirip menunjukkan kenaikan
yang signifikan pada saat mulai 0 detik sampai 180 detik dengan nilai efektivitas
1,276. Setelah waktu 180 detik efektivitas mulai menurun. Nilai hasil efektivitas
disajikan dalam Tabel 4.5
Perbandingan efektivitas diperoleh dari nilai efektivitas pada saluran yang
memiliki dua sirip dan saluran yang memiliki empat sirip. Hasil perbandingan
dapat dilihat pada Gambar 4.10.
Gambar 4.11. Grafik Perbandingan Efektivitas antara Saluran Tanpa Sirip,
dengan Dua Sirip dan dengan Empat Sirip
Hasil perbandingan dalam perhitungan, efektivitas pada saluran yang memiliki
empat sirip memiliki nilai yang paling tinggi dibandingkan saluran tanpa sirip.
Perbandingan nilai efektivitas dapat dilihat pada Tabel 4.6.
Saluran yang memiliki empat sirip memiliki nilai perbandingan efektivitas
lebih tinggi dibandingkan dengan saluran yang memiliki dua sirip. Nilai
perbandingan efektivitas tertinggi sebesar 1:1,115 pada saat 180 detik. Maka
efektivitas saluran yang memiliki empat sirip memiliki efektivitas 1,115 kali lipat
lebih besar dibandingkan saluran yang memiliki dua sirip.
Tabel 4.6 Nilai Perbandingan Efektivitas Saluran
No Waktu (detik)
Efektivitas perpindahan kalor
2 sirip 4 sirip Selisih Perbandingan
1 0 0 0 0 1 : 1,000
2 60 1,109 1,217 0,107 1 : 1,097
3 120 1,136 1,265 0,129 1 : 1,114
4 180 1,145 1,276 0,132 1 : 1,115
5 240 1,147 1,275 0,129 1 : 1,112
6 300 1,146 1,270 0,125 1 : 1,109
7 360 1,143 1,263 0,120 1 : 1,105
8 420 1,140 1,255 0,115 1 : 1,101
9 480 1,136 1,246 0,111 1 : 1,097
10 540 1,132 1,238 0,106 1 : 1,094
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dari hasil penelitian dapat diperoleh beberapa kesimpulan :
a. Telah berhasil membuat program komputasi dengan metode beda hingga
dengan cara eksplisit pada saluran tanpa sirip, saluran yang memiliki dua
sirip, dan saluran yang memiliki empat.
b. Pada saat t= 600 detik untuk saluran yang memiliki dua sirip sebesar 1,976
watt dan pada saluran yang memiliki empat sirip sebesar 2,228 watt. Jadi laju
perpindahan panas saluran yang memiliki empat sirip lebih besar 0,252 watt.
c. Nilai efektivitas tertinggi pada saluran yang memiliki empat sirip memiliki
efektivitas 1,115 kali lipat dibandingkan saluran yang memiliki dua sirip.
Dengan demikian adanya penambahan sirip pada sebuah saluran akan
menambah nilai efektivitas.
5.2 Saran
Berikut beberapa saran yang perlu dikemukakan untuk penelitian lebih lanjut
tentang sirip adalah :
a. Jika memilih jarak antar volume kontrol (∆x) yang lebih kecil, akan
didapatkan perhitungan yang lebih akurat. Tapi ∆x yang lebih kecil,
menyebabkan ∆t lebih kecil. Akibatnya waktu penyelesaian yang dibutuhkan
lebih lama. Permasalahan (dengan program Microsoft Excel) akan sangat
b. Obyek penelitian dapat dikembangkan lebih lanjut dengan berbagai variasi
bahan saluran, jumlah sirip yang lain, panjang sirip atau variasi bentuk
saluran. Dapat juga dikembangkan ke kasus 3 dimensi, atau dengan bahan
DAFTAR PUSTAKA
Agastya Kristoforus, 2013, Karakteristik Generator Termoelektrik, Yogyakarta : Universitas Sanata Dharma.
Apriyahanda Onny, 2014, Sirip Penghantar Panas, From
http://artikel-teknologi.com/ macam-macam-heat-exchanger-alat-penukar-panas-bagian-4, Januari 2014.
Bejan, Adrian, dan Allan D. Kraus, 2003, Heat Transfer Handbook, Amerika Serikat : John Wiley & Sons, Inc.
Cengel, Y. A., 2002, Heat Transfer a Practical Approach, New York : The Mc Graw-Hill.
Holman J.P., 1995, Perpindahan Kalor, Jakarta : Erlangga.
Johan Yohanes Cahyadi., 2009, Efektivitas Pipa Berprofil Segiempat Dengan Sirip Di Bagian Dalam Pada Kasus 2 Dimensi Keadaan Tak Tunak, Yogyakarta : Universitas Sanata Dharma.
Koestoer, J.P., Raldi Artono, 2002, Perpindahan Kalor Untuk Mahasiswa Teknik, Jakarta : Salemba Teknika.
Kraus, Alan D., Abdul Azis dan James Welty, 2001, Extended Surface Heat Transfer, Amerika Serikat : John Wiley & Sons, Inc.
Ricky Octavianus Prasetya, 2009, Perbandingan Efisiensi Dan Efektivitas Sirip Tak Berlubang Dengan Berlubang Dua Pada Kasus Dua Dimensi Keadaan Tak Tunak, Yogyakarta : Universitas Sanata Dharma.
Saputro Bambang, 2011, Efisiensi dan Efektivitas Sirip Tak Berlubang Dengan Berlubang Empat Pada Kasus Dua Dimensi Keadaan Tak Tunak, Yogyakarta : Universitas Sanata Dharma.
