KINERJA LAJU PEMBUANGAN PANAS DENGAN KONVEKSI PAKSA
MustafaDosen Fakultas Teknik Universitas Merdeka Madiun email : mustafa_unmer@yahoo.com
Abstract
Radiator plays an important role in automotive engines because it has a function to cool the engine. when the rain occurs, the radiator can work more optimum, because the fin and tube radiators have additional cooling. In connection with this background, the aim of our research in this time is to determine the effect of variation in the coolant radiator on the performance rate of heat dissipation by convection forced by the additional presence of water such as when rain occurs. The steps in the research method in this time is taking the data from the object of research in the laboratory, tabulation and data extraction, then represented the correlation between the speed rotary engine with the cooling in graphical form. The conclusion of this study is a machine that uses air and water coolant in the radiator has a lower temperature than the machines that use air coolant only, it because the rate of heat transfer coefficient is higher and the heat dissipation is lower.
Keywords: air cooling, forced convection, radiator , water cooling Abstrak
Radiator memegang peranan penting dalam mesin otomotif karena berfungsi untuk mendinginkan mesin. Pada saat hujan radiator dapat bekerja lebih optimum karena sirip dan tube radiator dapat mengalami penambahan pendinginan. Sehubungan dengan latar belakang tersebut maka tujuan penelitian kami kali ini adalah untuk mengetahui pengaruh variasi pendingin pada radiator terhadap kinerja laju pembuangan panas secara konveksi paksa dengan tambahan keberadaan media air seperti saat hujan terjadi. Adapaun langkah – langkah metode penelitian pada kali ini yaitu pengambilan data dari obyek penelitian di laboratorium, tabulasi, ekstraksi data, dan merepresentasikan dalam bentuk grafik korelasi pendinginan dengan putaran mesin. Kesimpulan dari penelitian ini adalah mesin yang menggunakan pendingin udara dan air pada radiator memiliki temperatur yang lebih rendah dibandingkan menggunakan pendingin udara saja, hal ini disebabkan karena laju perpindahan panasnya yang lebih tinggi sedangkan koefisien pembuangan panas yang lebih rendah.
PENDAHULUAN
Radiator memegang peranan penting dalam mesin pembakaran bahan bakar, didalam silinder mesin menyalurkan energi panas ke dalam bentuk tenaga putar. Tetapi energi panas dari bahan bakar tidak se-penuhnya dapat dikonversikan ke dalam bentuk tenaga. Pembakaran bahan bakar didalam silinder menghasilkan panas yang tingg, jika tidak dilakukan pendinginan maka temperatur setiap bagian, terutama bagian silinder akan naik. Keadaan tersebut akan mengakibatkan kerusakan dinding ruang bakar karena terjadinya tegangan termal, kerusakan katup-katup, puncak torak, macetnya cincin torak, dan menguapnya minyak pelumas, sehingga cepat terjadi keausan pada torak dinding silinder.
Bagian terpenting dari radiator adalah tube dan kipas radiator sebagai peralatan untuk mengalirkan/menghisap udara sebagai media pendingin. Kendaraan bermotor seperti mobil tidak mengenal cuaca, dimana saat kendaraan digunakan dapat mengalami kondisi hujan dan panas. Pada saat hujan radiator dapat bekerja lebih optimum karena sirip dan tube radiator dapat mengalami penambahan pendinginan. Untuk itu perlu dilakukan penelitian tentang variasi media pendinginan pada radiator terhadap kinerja laju pembuangan panas dengan konveksi paksa.
SISTEM PENDINGIN AIR
Mesin dengan pendingin air sebenarnya merupakan pendingin yang tidak langsung karena air sebagai fluida pendingin tersebut bertindak sebagai pendingin perantara. Sebenarnya mesin tersebut didinginkan oleh udara, hal ini disebabkan yang diserap oleh air pendingin itu dipindahkan ke udara atmosfir. Akan tetapi karena mesin langsung berhubungan dengan air maka disebut
pendingin air. Sistem pendingin air dapat di bedakan menjadi dua macam, yaitu pendingin air dengan sirkulasi alami dan pendingin air dengan sirkulasi paksa. Pada sistem pendingin air dengan sirkulasi alami, sirkulasi air terjadi kerena perbedaan berat jenis air pendingin. Air panas berat jenisnya lebih kecil dan cenderung mengalir keatas. Sistem pendingin air dengan sirkulasi alami cocok untuk mesin-mesin stationer yang berdaya kecil dengan tangki air pendingin yang terletak di bagian atas lebih tinggi daripada silender motor.
Pada sistem pendingin air dengan sirkulasi paksa, sirkulasi air pendigin dilakukan dengan air pendingin. Air pendingin yang panas keluar dari mesin melalui kepala silinder dan masuk kedalam radiator.selanjutnya,air itu didinginkan oleh udara yang mengalir melalui radiator,kemudian dialirkan kembali kedalam blok silinder.aliran udara melalui radiator di sebabkan oleh air,kecepatan gerak kendaraan,atau tali kipas udara.dalam sistem pendingin terdapat saluran untuk menghubungkan singkat (saluran bypass) thermostat dan lubang isap pompa air pendingin.apabila temperatur air pendingin di dalam blok silinder mencapai temperatur tertentu,thermostat akan membuka saluran air keradiator dan menutup saluran dari termostat kelubang isap pompa.
Gambar 1. Radiator
RADIATOR
Radiator merupakan suatu alat penukar panas dimana aliran fluida panas (air) bersilangan tegak lurus dengan arah aliran fluida dingin (udara) dan kedua fluida tersebut tidak bercampur. Kedua fluida tersebut hanya mengalir sekali dalam saluran penukar panas atau biasa disebut single pass.
Bagian utama radiator adalah inti radiator yang berupa sirip-sirip dan berkas pipa yang disusun diantara sirip-sirip tersebut. Fluida yang keluar dari mesin berupa air panas mengalir ke dalam inti radiator yang terdiri dari tabung-tabung yang mempunyai sirip-sirip pendingin radiator.
Radiator pada mobil pada umumnya terpasang dibagian depan. Radiator berfungsi untuk mendinginkan air yang menjadi panas setelah beredar dalam mantel air pendingin pada mesin. Yang mempunyai dua tabung air, terletak di atas dan di bawah. Ditabung bagian atas terdapat lubang pengisian air, pipa pemasukan air dari mantel pembuangan dan di tabung bagian bawah terdapat kran pembuangan air, dan pipa penghubung kemesin.
Suatu radiator terdiri dari ini bagian-bagian sebagai berikut
1. Tabung air atas (upper tank) 2. Tabung air bawah (lower tank) 3. Sambungan selang atas 4. Sambungan selang bawah 5. Kisi-kisi ( tube )
6. Sirip-sirip ( fin ) 7. Tutup radiator
8. Kran pembuang (drain cock)
Gambar 2.Bagian – bagian radiator (Sumber:www.googleradiator.com )
PERPINDAHAN PANAS.
1. Perpindahan Panas Konduksi
Perpindahan energy dari temperature tinggi ke temperature rendah . Suatu energi berpindah secara konduksi (conduction), laju perpindahan kalor dinyatakan sebagai : Q = k. A
dT dx
2. Perpindaha Panas Konveksi
Sebuah plat logam panas akan menjadi dingin lebih cepat, Apabila fluida diatas plat bergerak dengan kecepatan tertentu, maka kalor perpindah dengan cara konveksi, yang mana gradient suhu bergantung dari laju fluida membawa kalor. Sedangkan laju perpindahan kalor dipengaruhi oleh luas permukaan perpindahan kalo ( A ) dan beda suhu menyeluruh antara permukan bidang dengan fluida yang dapat dirumuskan sebagai berikut: Perpindahan panas konveksi tergantung pada vikositas fluida, disamping ketergantunganya terhadap sifat-sifat termal fluida, seperti: konduktivitas termal, kalor spesifik, dan densitas. Hal ini disebabkan karena viskositas
mempengaruhi laju perpindahan energi di daerah dinding.
q = h. A (TW – T) Dimana :
q = perpindahan panas, Watt h = koefisien konveksi, Watt/m2 K A = luas permukaan, m2
TW = temperatur dinding, K T = temperatur fluida, K
Konveksi paksa disebabkan karena adanya gaya pemaksa yang menyebabkan fluida bergerak dan mempunyai kecepatan. Pada peralatan otomotif menggunakan sisitem konveksi paksa.
Rumus Empiris untuk aliran dalam pipa/ tabung :
Gambar 3. Perpindahan kalor menyeluruh dinyatakan dengan beda suhu limbak
(Sumber : Holman J.P.1995)
Besarnya perpindahan kalor yang terjadi pada suatu penampang/saluran yang berben-tuk pipa/tabung dapat dinyatakan dengan beda suhu limbak (bulk temperature):
q = m.Cp(Tb2 – Tb1) = h.A(Tw – Tb) m = ρ.Um.A
1. Perpindahan Panas Radiasi
Teori thermodinamika bahwa radiator ideal memancarkan energy dengan laju yang sebanding pangkat empat suhu absolut benda tersebut dan berbanding langsung pada luas permukaan yang dapat dirumuskan :
HIPOTESA
Bahwa penggunaan radiator standart menggunakan pendingin udara dan air dapat meningkatkan kinerja pembuangan panas se-cara konveksi paksa lebih baik dibandingkan radiator standar menggunakan pendingin udara pada kendaraan mazda
METODE PENELITIAN
Variabel Penelitian Variabel Bebas.
Variabel bebas meliputi Variabel bebasnya adalah: Temperatur Masuk (Tin), Temperatur Keluar (Tout), Temperatur udara di depan radiator (Tinrad), Temperatur udara dibelakang radiator (Toutrad) dan Temperatur Mesin (Tm), Laju Aliran ( Flowmeter )
Alat Pengujian dengan type mesin Mazda . Peralatan Pengujian : 1. Alat uji berupa type mesin mobil Mazda GLX 2000 cc, 2. Tachometer, 3. Flowmeter, 4. Thermometer, 5. Radiator Standart, 6. Premium, 7. Pendingan Udara (Fan) dan Air, 8. Radiator Modifikasi.
Langkah – langkah metode penelitian pada kali ini yaitu pengambilan data dari obyek penelitian di laboratorium, tabulasi, ekstraksi data, dan merepresentasikan dalam bentuk grafik korelasi pendinginan dengan putaran mesin.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisa dilakukan pada bulan Januari tahun 2015 di laboratorium teknik mesin Universitas Merdeka Madiun. Suhu pada 30 ºC, kelembaban udara 60%.
Data hasil pengujian diperoleh dengan menggunakan alat ukur pada pengambilan data seperti dibawah, maka data pengamatan ditabulasikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Hasil Perhitungan Rata-Rata T, Cp, k, pr, ρ, μ pada radiator standart
Rata-Rata T ρ CP µ K PR 25.0 1.18475 1006.65000 0.00001742500 0.0260000 0.70750 24.9 1.18514 1006.64750 0.00001742050 0.0260675 0.70755 24.6 1.18629 1006.64000 0.00001740700 0.0260450 0.70770 24.7 1.18591 1006.64250 0.00001741150 0.0260525 0.70765 25.1 1.18437 1006.65250 0.00001742950 0.0260825 0.70745
Tabel 2. Hasil perhitungan radiator standart menggunakan pendingin udara
Tabel 3. Hasil Perhitungan Rata-Rata T, Cp, k, pr, ρ, μ pada radiator standart menggunakan pendingin udara dengan penambahan pendingin air
ΔT ρ CP µ K PR 29.7 1.1667 1006.50952 0.0000185365 0.026427500 0.695150 30.3 1.1643 1006.53810 0.0000185635 0.026472500 0.694850 31 1.1617 1006.57143 0.0000185950 0.026525000 0.694500 31.2 1.1609 1006.58095 0.0000186040 0.026540000 0.69440 31.5 1.1597 1006.59524 0.0000186175 0.026562500 0.69425
Tabel 4. Hasil perhitungan radiator standart menggunakan pendingin udara dengan penambahan pendingin air
ANALISA GRAFIK
Ilustrasi hubungan variasi pendinginan radiator terhadap temperatur air masuk dan air keluar seperti tampak pada Gambar 4.
Ilustrasi Gambar 5. berikut ini meng-gambarkan hubungan pendinginan radiator terhadap temperatur udara masuk dan keluar radiator.
Ilustrasi Gambar 6. Menggambarkan hubungan pendinginan radiator terhadap temperatur mesin.
Ilustrasi Gambar 7. Menggambarkan hubungan variasi pendinginan radiator terhadap laju perpindahan panas.
Ilustrasi Gambar 8. Menggambarkan hubungan variasi pendinginan radiator terhadap koefisien perpindahan panas.
Gambar 4. Grafik hubungan pendingin radiator terhadap temperatur air masuk dan keluar
Gambar 5 Grafik hubungan pendingin radiator terhadap temperatur udara masuk dan keluar radiator.
Gambar 6. Grafik hubungan pendinginradiator terhadap temperatur mesin
Gambar 7.Grafik hubungan variasi pendingin radiator terhadap laju perpindahan panas
PEMBAHASAN
1. Hubungan variasi pendingin radiator terhadap temperatur air masuk dan keluar Berdasarkan dari analisa grafik me-nunjukan adanya peningkatan temperatur air masuk dan keluar dengan mengikuti pola yang sama, namun selisih antara tem-peraur air masuk dan temperatur air keluar pada pemanfaatan pendingin udara dan air lebih besar dibandingkan dengan hanya menggunakan pendingin udara pada peng-ujian radiator standart. Kondisi tersebut disebabkan oleh pendingin udara dan air lebih mampu membuang panas dibandingkan dengan hanya menggunakan pendingin udara. Dengan kondisi demikian, jika terjadi hujan, maka air hujan yang terhisap oleh kipas pendingin radiotor sangat membantu pendinginan air dan mesin.
2. Hubungan variasi pendingin radiator terhadap temperatur media pendingin masuk dan keluar
Berdasarkan dari grafik diatas terlihat semakin besar putaran mesin, maka tem-peratur udara masuk melalui permukaan sirip dan tube radiator dan temperatur udara keluar radiator meningkat. Peningkatan temperatur ini mengikuti dengan pola yang sama, namun selisih antara temperaur udara masuk melalui permukaan sirip dan tube radiator ,dengan temperatur udara keluar dari radiator pada pemanfaatan pendingin udara dan air lebih besar dibandingkan dengan hanya meng gunakan pendingin udara saja pada pengujian radiator standart. Kondisi demikian disebabkan oleh pendinginan udara dan air lebih mampu membuang panas, sehingga temperatur udara keluar radiator lebih tinggi dibandingkan dengan hanya menggunakan pendingin udara pada radiator standart. 3. Hubungan variasi pendingin radiator
terhadap temperatur mesin
Berdasarkan dari grafik diatas terlihat semakin besar putaran mesin, maka tem-peratur mesin meningkat. Peningkatan temperatur ini mengikuti pola yang sama, namun temperatur mesin menggunakan pendingin udara dan air lebih landai dan cenderung stabil dibandingkan dengan hanya menggunakan pendingin udara saja pada pengujian radiator standart. Temperatur mesin dengan memanfaatkan pendingin udara dan air memiliki pendinginan yang lebih sempurna, karena panas mesin yang dibawa oleh air pendingin menuju radiator, lebih dapat dibuang ke udara dibandingkan hanya menggunakan pendingin udara pada radiator. Sehingga pada saat hujan pendinginan mesin lebih sempurna yang diakibatkan oleh pembuangan panas pada radiator lebih sempurna pula.
4. Hubungan variasi pendingin radiator terhadap laju pembuangan panas
Berdasarkan dari grafik diatas dimana terlihat semakin besar putaran mesin, maka laju pembuagan panas semakin meningkat meningkat. Peningkatan laju pembuagan panas ini mengikuti pola yang sama, namun laju pembuagan panas menggunakan pendingin udara dan air lebih tinggi di-bandingkan dengan hanya menggunakan pendingin udara saja pada pengujian radiator standart. Kondisi demikian disebabkan oleh selisih temperatur udara masuk radiator dan keluar radiator mengunakan pendingin udara dan air lebih besar dibandingkan dengan selisih temperatur udara masuk radiator dan keluar radiator mengunakan pendingin udara saja. Selisih temperatur ini akan memperbesar jumlah panas yang mampu dibuang ke udara lingkungan.
5. Hubungan variasi pendingin radiator terhadap koefisien perpindahan panas Berdasarkan dari grafik diatas. dimana terlihat semakin besar putaran mesin, maka
laju pembuagan panas semakin meningkat. Peningkatan koefisien pembuangan panas ini mengikuti pola yang sama, namun koefisien pembuangan panas menggunakan pendingin udara dan air lebih rendah ,dibandingkan dengan hanya menggunakan pendingin udara saja pada pengujian radiator standart. Kondisi demikian disebabkan oleh selisih temperatur udara masuk dan keluar menggunakan pendingin udara dan air lebih besar dibandingkan dengan pendingin udara saja. Selisih dari temperatur ini berfungsi sebagai pembagi pada persamaan koefisien pembuangan panas.
KESIMPULAN
1. Menggunakan pendingin udara dan air pada radiator memiliki temperatur mesin lebih rendah dibandingkanmenggunakan pendingin udara.
2. Menggunakan pendingin udara dan air pada radiator memiliki laju pembuangan panas lebih tinggi dibandingkan menggunakan pendingin udara.
3. Menggunakan pendingin udara dan air pada radiator memiliki koefisien pembuangan panas lebih rendah dibandingkan menggunakan pendingin udara.
DAFTAR PUSTAKA
Ariyanto, H., Pengaruh Kecepatan Aliran Fluida Masuk Terhadap Efektivitas Heat Exchanger Model Shell And Tube, Tugas Akhir no. 00.54.401, Jurusan Teknik Mesin UK Petra, 2000.
Cengel, Y. A., Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer, New York: McGraw Hill, 1997.
Daryanto, Reparasi Sistem Pendinginan Mesin Mobil, Jakarta Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia, Jakarta
Handoyo E. H., Pengaruh Kecepatan Aliran Terhadap Efektivitas Shell-and-Tube Heat Exchanger, Jurnal Teknik Mesin Vol. 2, No. 2, 2000
Holman J. P., Perpindahan Kalor , Jakarta : Penerbit Erlangga, 1995.
Incropera, F.P. and D.P. DeWitt, Fundamentals of Heat Transfer, New York: John Wiley & Sons, 1981.
Koestoer, R. A. dan Zulkifli , Perpindahan Kalor Konveksi, Laboratorium Perpindahan Kalor – Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Jakarta, 1998.
Murti M. R., Laju pembuangan panas pada radiator dengan fluida campuran 80 % Air dan 20 % RC pada rpm konstan, Jurnal Teknik Mesin Cakram, Vol. 2 No. 1, 2008. Toyota Astra Motor, PT., New Step 1 Training
Manual, Toyota Service Training, Jakarta, 1994.
