ANALISA PERPINDAHAN PANAS RADIATOR BERBAHAN
TEMBAGA PADA MESIN MOBIL TOYOTA KIJANG 1500 CC
Setiyono, I Gede Eka Lesmana, Mochamad Arifin
Jurusan Teknik Mesin Universitas Pancasila
ABSTRAK
Energi panas yang dihasilkan oleh pembakaran campuran udara dan bahan bakar di dalam ruang bakar tidak sepenuhnya dikonversikan menjadi bentuk tenaga putar pada poros engkol. Panas yang diserap oleh mesin kurang lebih 30% dari panas total hasil pembakaran campuran udara dan bahan bakar di dalam ruang bakar. Panas yang diserap oleh mesin ini bisa berbahaya bagi komponen mesin jika tidak dikeluarkan ke udara sekitar. Untuk mengurangi kelebihan panas pada mesin maka dibutuhkan radiator sebagai pengurang panasnya. Analisis akan dilakukan dengan cara membandingkan laju perpindahan panas antara radiator berbahan tembaga dengan radiator berbahan kuningan (radiator asli mesin mobil Toyota Kijang 1500 CC) pada putaran mesin 2000 rpm serta tidak dilakukan pembebanan. Dari analisis tersebut dapat diambil data antara lain temperatur masuk dan keluar radiator (T), debit air pendingin (Q), laju aliran massa air pendingin (m), panas spesifik air pendingin (Cp), laju pembuangan panas radiator (q) dan efektivitas radiator. Dari hasil analisis statistik uji-t, akan terlihat laju pembuangan panas rata-rata yang lebih tinggi diantara kedua radiator tersebut.
Kata kunci : kelebihan panas, radiator berbahan tembaga, laju pembuangan panas.
I. PENDAHULUAN
Pembakaran campuran udara dan bahan bakar di dalam silinder mesin menghasilkan energi panas yang dikonversikan menjadi bentuk tenaga putar pada poros engkol, tetapi tidak sepenuhnya energi panas yang dihasilkan oleh pembakaran campuran udara dan bahan bakar dapat dikonversikan menjadi bentuk tenaga putar pada poros engkol. Kurang lebih hanya 25 % yang dikonversikan menjadi bentuk tenaga putar, 45 % hilang menjadi gas buang atau gesekan dan 30 % diserap oleh mesin itu sendiri.
Panas yang diserap oleh mesin harus dikeluarkan ke udara sekitar. Jika tidak, akan menyebabkan terjadinya kelebihan panas pada mesin yang akhirnya bisa merusak komponen mesin. Untuk mengurangi kelebihan panas pada mesin, digunakan sistem pendingin air yang pada umumnya mengaplikasikan radiator sebagai alat penukar panasnya. Pada umumnya, bahan yang digunakan untuk membuat radiator adalah kuningan. Namun belakangan ini aluminium juga sudah digunakan sebagai bahan dasar radiator. Sedangkan bahan tembaga masih sangat jarang sekali digunakan untuk pembuatan radiator, padahal tembaga mempunyai nilai konduktivitas termal yang tinggi
dibandingkan kuningan dan aluminium. Untuk itu perlu dilakukan pengujian terhadap laju perpindahan panas radiator agar dapat diketahui radiator berbahan apakah yang paling tinggi laju perpindahan panasnya.
Analisa perpindahan panas radiator akan dilakukan dengan cara membandingkan laju perpindahan panas radiator berbahan tembaga dengan radiator berbahan kuningan (radiator asli mobil Toyota kijang 1500 CC) pada putaran mesin konstan 2000 rpm. Perbandingan laju perpindahan panas dilakukan karena ingin mengetahui bagaimana pengaruh radiator menggunakan bahan tembaga terhadap laju perpindahan panas pada mesin. Kondisi putaran mesin yang tinggi biasanya terjadi pada saat mobil digunakan untuk menempuh perjalanan yang cukup jauh. Setelah dilakukan pengujian, didapat data-data laju perpindahan panas dari masing-masing radiator. Data-data tersebut nantinya akan dianalisis dengan menggunakan metode perhitungan statistik uji-t. Metode ini digunakan karena memiliki beberapa kelebihan dari metode-metode statistik lainnya, diantaranya yaitu metode ini sangat cocok digunakan untuk analisis data dua sampel berpasangan, cocok untuk analisis data dengan jumlah sampel kecil dan sederhana dalam perhitungannya. Sitem
pendingin dalam mesin mobil mempunyai berbagai macam fenomena yang kompleks, sehingga penelitian tentang sistem pendingin perlu mendapatkan perhatian khusus. Hal ini dilakukan dalam rangka meningkatkan performa mesin secara keseluruhan
II. LANDASAN TEORI 2.1. Prinsip Kerja Radiator
Panas yang diterima oleh mesin berasal dari ruang bakar / silinder yang merupakan hasil pembakaran campuran udara dan bahan bakar di dalam silinder tersebut. Panas yang berasal dari sisi dalam silinder mesin dipindahkan secara konduksi ke sisi bagian luar mantel air (water jacket), selanjutnya panas yang diterima mantel air
(water jacket) dindahkan secara konveksi ke
air pendingin. Hal ini menyebabkan air pendingin menjadi panas. Air pendingin yang telah panas disirkulasikan ke radiator untuk didinginkan kembali agar mampu menyerap panas pada mantel air (water jacket).
Air panas yang berasal dari mantel air
(water jacket) masuk keradiator melalui
saluran masuk air bagian atas kemudian ke tabung air atas, selanjutnya ke tabung air bawah melalui kisi-kisi (tubes) yang berada di tengah radiator dan keluar dari radiator melalui saluran keluar. Suhu air yang keluar dari radiator lebih rendah dibandingkan suhu air sebelum masuk radiator. Air yang keluar dari radiator akan disirkulasikan kembali menuju mantel air (water jacket) dan akan melakukan penyerapan panas pada mantel air (water jacket) tersebut.
Proses perpindahan panas di radiator terjadi pada kisi-kisi (tubes), air panas yang mengalir di dalam kisi-kisi (tubes) memindahkan panas ke dinding bagian dalam kisi-kisi (tubes) secara konveksi, panas dari dinding bagian dalam kisi-kisi
(tubes) dipindahkan ke dinding bagian luar
kisi-kisi (tubes) secara konduksi, selanjutnya panas dipindahkan kembali pada sirip-sirip (fins) secara konduksi juga. Panas yang diterima sirip-sirip (fins) dipindahkan secara konveksi ke udara luar.
2.2 Pembuangan Panas Radiator
Besarnya pembuangan panas pada radiator adalah suatu nilai yang ditunjukkan oleh besarnya panas air radiator yang dibuang ke udara luar. Persamaan yang
digunakan untuk menghitung besarnya pembuangan panas pada radiator adalah:
q = m . Cp . ( Th,in – Th,out ) Keterangan :
q = Laju perpindahan panas [kW]
m=Laju aliran massa air pendingin [Kg/s] Cp = Kalor spesifik air[kJ/kg oC]
Th,in=Temperatur air saat memasuki
radiator [oC]
Th,out = Temperatur air saat keluar
radiator [ oC ]
Besarnya nilai laju aliran massa air pendingin (m) diketahui dari debit air (Q) yang mengalir pada saluran keluar air pendingin (lihat gambar 2.1c) dikalikan dengan massa jenis (ρ) air Pendingin pada temperatur keluar radiator.
m = Q.ρ [kg/s]
Sedangkan nilai kalor spesifik air pendingin diketahui dari tabel propertis air pendingin pada temperatur tertentu. Temperatur air pendingin dapat diketahui dari termometer air raksa yang dipasang pada saluran masuk maupun keluar radiator.
2.3. Cara-Cara Perpindahan Panas
Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai perpindahan energi dari suatu daerah ke daerah lain, hal ini disebabkanoleh perbedaan temperatur antara daerah tersebut. Perpindahan panas biasanya terjadi dengan tiga ( 3 ) cara, yaitu :
a. Konduksi
Perpindahan panas secara konduksi merupakan perpindahan panas yang terjadi pada material padat atau fluida yang statis sebagai akibat dari perbedaan temperatur pada media tersebut. Hal ini merupakan perpindahan energi dari partikel yang lebih enerjik ke partikel yang kurang enerjik pada benda akibat dari interaksi antar partikel. Perpindahan panas secara konduksi, persamaan aliarannya dikenal dengan Hukum Fourier.
Laju perpindahan panas konduksi pada dinding datar dan satu dimensi adalah :
qk = -k . A . (dT/dx)
Keterangan :
qk = Laju perpindahan panas secara
konduksi [ W ]
k = Konduktivitas termal bahan [W/m K ] A = Luas permukaan perpindahan panas
[ m2 ]
dT/dx = Gradien suhu kearah
perpindahan panas.
(-) = Perpindahan panas mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah
b. Konveksi
Perpindahan panas secara konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi antara suatu permukaan padat dengan fluida yang bergerak atau mengalir. Perpindahan panas ini terjadi karena adanya perbedaan temperatur antara permukaan padat dengan fluida yang mengalir. Kecepatan aliran fluida yang tinggi menyebabkan gradien suhu yang tinggi pula. Secara umum perpindahan panas secara konveksi menggunakan hokum Newton tentang pendinginan :
qc = h . A . ( Tw - T∞ ) Keterangan :
qc = Laju perpindahan panas konveksi ( W ) A = Luasan permukaan perpindahan panas
( m2 )
h = Koefisien perpindahan panas konveksi ( W/m2oC )
Tw = Temperatur permukaan padat ( oC )
T∞ = Temperatur fluida yang bergerak ( oC )
2.4. UntukPerpindahan Panas Gabungan
Pelat datar yang terdapat fluida panas A pada suatu sisinya dan fluida dingin B pada sisi yang lain, perpindahan kalornya dinyatakan dengan :
q = h1 A (TA – T1) = (kA/∆x) (T1 – T2)
= h2 A (T2 – TB)
Perpindahan kalor menyeluruh dapat dihitung dengan jalan membagi beda temperatur menyeluruh dengan jumlah tahanan termal penjumlahan tahanan termal maka digunakan analogi penjumlahan tahanan listrik.
Perhatikanlah bahwa nilai 1/hA digunakan untuk menunjukkan tahanan konveksi. Aliran kalor menyeluruh sebagai hasil gabungan proses konduksi dan konveksi bisa dinyatakan dengan koefisien
perpindahan kalor menyeluruh U, yang
dirumuskan dalam hubungan : Q = U A ∆Tmenyeluruh .
Uji-t (t-test)
Adalah metode perhitungan statistik yang digunakan untuk menganalisis data dalam jumlah kecil (N < 30). Metode perhitungan statistik ini memiliki beberapa keunggulan diantaranya, sangat cocok digunakan untuk analisis data dua sampel yang berpasangan, data yang dianalisa berasal dari populasi dengan distribusi normal, kesederhanaan di dalam perhitungannya dan cocok digunakan untuk analisis dengan jumlah sampel kecil. Suatu tes statistik dikatakan baik, jika mempunyai
kemungkinan kecil untuk menolak H0 apabila
H0 benar dan mempunyai kemungkinan
besar untuk menolak H0 apabila H0 salah.
Untuk menghitung nilai-t dua sampel berpasangan maka digunakan persamaan sebagai berikut :
dimana : t = nilai uji _
X1 = rata-rata selisih data 1
_
X2 = rata-rata selisih data 2
σ = standar deviasi populasi (dua sampel ) n = jumlah pasangan
Untuk menghitung nilai rata-rata selisih data digunakan persamaan sebagai berikut :
dimana :
Xj = Jumlah data keseluruhan dari satu sampel
Nilai standar deviasi populasi ditentukan dengan persamaan sebagai berikut :
dimana :
S1 = Standar deviasi sampel 1
S2 = Standar deviasi sampel 2
Nilai standar deviasi sampel yang akan diuji ditentukan dengan persamaan sebagai berikut :
Uji hipotesa yang dilakukan dengan uji-t adalah :
Apabila thitung > ttabel maka H0 ditolak H1 diterima atau sebaliknya, sedangkan untuk
nilai H0 maupun H1 tergantung dari hipotesa yang akan dibuat.
III. METODE PENELITIAN 3.1. Alat dan Bahan
Adapun alat dan bahan yang akan digunakan untuk pengujian laju perpindahan panas dan efektifitas radiator adalah :
1. Satu unit mesin mobil Toyota kijang 1500 CC
2. Radiator berbahan tembaga tanpa sirip dan kuningan dengan sirip masing-masing satu unit
3. Flowmeter 1 buah
4. Termometer air raksa 4 buah 5. Tang 6. Obeng 7. Air radiator 8. Sealtape 9. Sambungan T 3.2. Prosedur Pengujian
Pengujian laju perpindahan panas radiator akan dilaksanakan dengan cara membandingkan laju perpindahan panas radiator berbahan tembaga tanpa sirip dan radiator berbahan kuningan dengan sirip pada putaran mesin konstan yaitu 2000 rpm. Pengujian akan dilakukan selama satu jam dan pencatatan data pengujian diambil setiap lima menit sekali. Data-data pengujian yang telah didapat, akan dianalisis dengan metode perhitungan statistic uji-t.
Adapun langkah-langkah pengujian laju perpindahan panas radiator adalah sebagai berikut :
1. Siapkan instrumen (alat ukur) pengujian dan rangkai seperti skema di bawah ini.
2. Masukan fluida pendingin (air) pada radiator dan yakinkan telah terisi penuh. 3. Pastikan tidak terjadi kebocoran pada
sambungan selang karena bisa mempengaruhi perhitungan laju perpindahan panas.
4. Periksa kondisi mesin yang akan
digunakan untuk pengujian agar benar-benar dalam keadaan baik.
5. Hidupkan mesin dan setel kecepatan mesin pada kecepatan putar 2000 rpm.
6. Catat data yang dibutuhkan untuk
perhitungan laju perpindahan panas dan efektifitas radiator setiap lima menit sekali.
7. Masukan data-data yang didapat dari pengujian perpindahan panas dan efektifitas radiator ke dalam tabel yang telah disediakan. Adapun tabel yang digunakan untuk memasukan data pengujian adalah :
8. Setelah didapat data-data hasil pengujian dan ditabulasikan maka matikan mesin, biarkan sampai mesin benar-benar dingin.
9. Setelah itu copot kembali instrumen (alat ukur) dari rangkaian pengujian. Rapikan kembali semua alat-alat yang digunakan di dalam pengujian.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Pengujian Radiator Kuningan
Tabel 1. Data pengujian Perpindahan panas Radiator Kuningan dengan sirip
4.2. Data Pengujian Radiator Tembaga.
Tabel 2. Data pengujian Perpindahan panas Radiator Tembaga tanpa sirip
4.3. Pengolahan Data Secara Statistik.
a) Hipotesis yang ditentukan dalam uraian kalimat
H0 : Laju pembuangan panas mesin
radiator tembaga lebih kecil atau sama dengan laju pembuangan panas mesin radiator kuningan.
H1 : Laju pembuangan panas mesin
radiator tembaga lebih besar daripada laju pembuangan panas radiator kuningan.
b) Hipotesis yang ditentukan dalam model statistik
H0 : µ1 ≤ µ2 ( q radiator tembaga ≤ q radiator kuningan )
H1 : µ1 > µ2 ( q radiator tembaga > q radiator kuningan ).
c) Uji Hipotesis yang telah ditentukan Jika t hitung > t tabel maka H0 ditolak H1
diterima, berarti q radiator tembaga lebih besar daripada q radiator kuningan.
Jika t hitung≤ t tabel maka H1 ditolak
H0 diterima, berarti q radiator tembaga
lebih kecil atau sama dengan q radiator kuningan.
Taraf nyata yang digunakan untuk menguji hipotesis yang telah ditentukan adalah 0,05.
4.4. Harga t Hitung
Setelah dilakukan perhitungan maka didapat harga t hitung sebesar 1,554. sedangkan harga t tabel berdasarkan tingkat singnifikasi 0,05 adalah sebesar 1,81 pada derajat kebebasan (n1 + n2 – 2 ) = (6 + 6 – 2)
= 10. dengan demikian hipotesis H0 tidak
dapat ditolak pada taraf nyata 0,05. Setelah dilakukan uji taraf nyata (signifikasi) maka jelas sudah diketahui radiator dengan bahan tembaga mempunyai nilai laju perpindahan panas yang lebih rendah dibandingkan laju perpindahan panas radiator kuningan. Jika dilihat dari data yang didapat dari pengujian masing-masing radiator maka akan terlihat radiator dengan bahan apa yang lebih tinggi di dalam melakukan pendinginan air pendingin (water cooling).
Gbr. 1. Grafik Perbandingan Temperatur Udara keluar Radiator
Gbr. 2. Grafik Perbandingan Temperatur Air keluar Radiator
V. KESIMPULAN
Dari hasil pengujian dan analisis data laju perpindahan panas radiator tembaga tanpa sirip dan radiator kuningan dengan sirip, dapat diambil beberapa kesimpulan, yaitu :
1. Laju perpindahan panas rata-rata (q rata-rata) radiator tembaga selama 30 menit
adalah sebesar 4,406 kW. Sedangkan laju perpindahan panas rata-rata (q rata-rata) radiator kuningan selama 30 menit
adalah sebesar 5,233 kW. Secara numerik dapat diketahui secara langsung bahwa laju perpindahan panas rata-rata (qrata-rata) radiator kuningan dengan sirip
lebih besar dibandingkan laju perpindahan panas rata-rata (qrata-rata)
radiator tembaga tanpa sirip.
2. Hasil pengolahan data secara statistik menggunakan metode perhitungan statistik uji-t dengan tingkat signifikasi 0,05, didapatkan hasil nilai t hitung 1,554 yang lebih rendah dibandingkan nilai t tabel 1,81 dengan selisih laju perpindahan panas rata-rata 0,827 kW. Hal ini membuktikan bahwa mamang benar laju perpindahan panas radiator kuningan dengan sirip lebih tinggi dibandingkan laju perpindahan panas radiator tembaga tanpa sirip pada rpm konstan (2000 rpm).
3. Data pengujian dari masing-masing radiator menunjukkan bahwa radiator kuningan dengan sirip mempunyai nilai yang lebih tinggi dalam hal mendinginkan air pendingin (water cooling) dibandingkan radiator tembaga tanpa sirip. Hal ini dapat diketahui dari lebih rendahnya temperatur air pendingin (water cooling) keluar radiator dan lebih tingginya temperatur udara keluar radiator.
4. Luas permukaan perpindahan panas mempengaruhi pendingin, hal ini dapat dibuktikan bahwa radiator kuningan dengan sirip mempunyai nilai yang lebih tinggi dalam hal mendinginkan air pendingin (water cooling) dibandingkan radiator tembaga tanpa sirip walaupun koefisien perpindahan panas kuningan lebih kecil dari koefisien perpindahan panas tembaga
VI. DAFTAR PUSTAKA
1. Pitts, D.R., Leighton, E.S., 1987, Perpindahan Kalor, Erlangga, Jakarta. 2. Holman, J.P., 1991, Perpindahan Kalor,
Erlangga, Jakarta.
3. Kreith, F., 1997, Prinsip-Prinsip
Perpindahan Panas, Erlangga, Jakarta. 4. Komaruddin, 1987, Metode Penulisan
Skripsi Dan Tesis, Angkasa, Bandung. 5. Spiegel, M.R., 1991, Statistik, Erlangga,
Jakarta.
6. Spiegel, M.R., 2004, Schaum’s Easy Outline Statistics, Erlangga, Jakarta. 7. Murti, M.R., 2008, Laju Pembuangan
panas Pada Radiator Dengan Fluida Campuran 80% Air Dan 20% RC Pada RPM Konstan, Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana, Bali.
