Sirip banyak digunakan di motor bakar, peralatan elektronik, alat penukar kalor dll. Penggunaan sirip sangat luas dan penting. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh bahan sirip dan pengaruh nilai koefisien perpindahan kalor konduksi terhadap waktu yang diperlukan sirip untuk mencapai keadaan tunak, laju aliran kalor, efisiensi dan efektivitas sirip.
Benda uji berupa sirip utuh dengan ukuran 20 cm x 20 cm x 0,1 cm dengan ukuran dasar sirip 10 cm x 10 cm yang berada di tengah sirip. Variasi bahan yang digunakan berupa tembaga, alumunium, besi dan nikel. Sirip dikondisikan pada lingkungan dengan suhu awal sirip (To) 30 o
C, suhu dasar sirip (Tdasar) 100 oC dan suhu fluida disekitar sirip (Tf) 30 oC dengan variasi nilai
koefisien perpindahan kalor konveksi yaitu 25 W/m2 oC, 50 W/m2 oC, 100 W/m2 oC dan 200 W/m2 oC. Asumsi yang digunakan adalah perpindahan kalor konduksi terjadi pada dua arah yaitu arah X dan arah Y, suhu disekitar sirip tetap dan merata dari waktu ke waktu dan selama proses sirip tidak berubah bentuk. Perhitungan penelitian dilakukan secara komputasi dengan metode beda hingga cara eksplisit.
Dari hasil perhitungan dan analisa pembahasan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa untuk nilai koefisien perpindahan panas konveksi 50 W/m2 oC (a) waktu yang diperlukan sirip berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel untuk mencapai keadaan tunak berturut turut adalah 45 detik, 47 detik, 83 detik dan 87 detik, (b) laju aliran kalor yang dilepas sirip berbahan berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel berturut turut adalah 160 W, 133 W, 86 W dan 97 W, (c) efisiensi sirip berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel berturut turut adalah 75%, 62%, 41% dan 46 %, (d) efektivitas sirip berbahan berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel berturut turut adalah 115, 95, 62 dan 69. Untuk sirip tembaga (e) waktu yang diperlukan untuk mencapai keadaan tunak dengan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 W/m2 oC, 50 W/m2 oC, 100 W/m2 oC dan 200 W/m2 oC berturut-turut adalah 52 detik, 45 detik, 37 detik dan 27 detik, (f) laju aliran kalor yang dilepas sirip dengan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 W/m2 oC, 50 W/m2 oC, 100 W/m2 oC dan 200 W/m2 oC berturut-turut adalah 91 W, 160 W, 263 W dan 401 W, (g) efisiensi sirip dengan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 W/m2
o
C, 50 W/m2 oC, 100 W/m2 oC dan 200 W/m2 oC berturut-turut adalah 86%, 76%, 62% dan 47%, (h) efektivitas sirip dengan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 W/m2 oC, 50 W/m2 oC, 100 W/m2 oC dan 200 W/m2 oC berturut-turut adalah 130, 115, 94 dan 72.
i
PENGARUH KOEFISIEN PERPINDAHANKALOR
KONVEKSI DAN BAHAN TERHADAP LAJU ALIRAN
KALOR, EFEKTIVITAS DAN EFISIENSI SIRIP DUA
DIMENSI KEADAAN TAK TUNAK
TUGAS AKHIR
Untuk memenuhi sebagian persyaratan
Memperoleh gelar Sarjana Teknik
Diajukan oleh :
ANTONIUS MONTANUS DEE NIM : 095214042
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2016
THE EFFECT OF CONVECTION HEAT TRANSFER
COEFFICIENT AND MATERIAL TO THE HEAT TRANSFER,
EFFECTIVENESS AND EFFICIENCY ON TWO
DIMENTIONAL FIN ON UNSTEADY STATE CASE
FINAL ASSIGNMENT
Presented as partial fulfillment of the requirement as to obtain the SarjanaTeknik Degree
in Mechanical Engineering
by
ANTONIUS MONTANUS DEE Student Number : 095214042
MECHANICAL ENGINEERING PROGRAM
MECHANICAL ENGINERING DEPARTMENT
SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2016
INTISARI
Sirip banyak digunakan di motor bakar, peralatan elektronik, alat penukar kalor dll. Penggunaan sirip sangat luas dan penting. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh bahan sirip dan pengaruh nilai koefisien perpindahan kalor konduksi terhadap waktu yang diperlukan sirip untuk mencapai keadaan tunak, laju aliran kalor, efisiensi dan efektivitas sirip.
Benda uji berupa sirip utuh dengan ukuran 20 cm x 20 cm x 0,1 cm dengan ukuran dasar sirip 10 cm x 10 cm yang berada di tengah sirip. Variasi bahan yang digunakan berupa tembaga, alumunium, besi dan nikel. Sirip dikondisikan pada lingkungan dengan suhu awal sirip (To) 30 oC, suhu dasar sirip
(Tdasar) 100 oC dan suhu fluida disekitar sirip (Tf) 30 oC dengan variasi nilai
koefisien perpindahan kalor konveksi yaitu 25 W/m2 oC, 50 W/m2 oC, 100 W/m2
o
C dan 200 W/m2 oC. Asumsi yang digunakan adalah perpindahan kalor konduksi terjadi pada dua arah yaitu arah X dan arah Y, suhu disekitar sirip tetap dan merata dari waktu ke waktu dan selama proses sirip tidak berubah bentuk. Perhitungan penelitian dilakukan secara komputasi dengan metode beda hingga cara eksplisit.
Dari hasil perhitungan dan analisa pembahasan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa untuk nilai koefisien perpindahan panas konveksi 50 W/m2 oC (a) waktu yang diperlukan sirip berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel untuk mencapai keadaan tunak berturut turut adalah 45 detik, 47 detik, 83 detik dan 87 detik, (b) laju aliran kalor yang dilepas sirip berbahan berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel berturut turut adalah 160 W, 133 W, 86 W dan 97 W, (c) efisiensi sirip berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel berturut turut adalah 75%, 62%, 41% dan 46 %, (d) efektivitas sirip berbahan berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel berturut turut adalah 115, 95, 62 dan 69. Untuk sirip tembaga (e) waktu yang diperlukan untuk mencapai keadaan tunak dengan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 W/m2 oC, 50 W/m2 oC, 100 W/m2 oC dan 200 W/m2 oC berturut-turut adalah 52 detik, 45 detik, 37 detik dan 27 detik, (f) laju aliran kalor yang dilepas sirip dengan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 W/m2 oC, 50 W/m2 oC, 100 W/m2 oC dan 200 W/m2 oC berturut-turut adalah 91 W, 160 W, 263 W dan 401 W, (g) efisiensi sirip dengan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 W/m2 oC, 50 W/m2 oC, 100 W/m2 oC dan 200 W/m2 oC berturut-turut adalah 86%, 76%, 62% dan 47%, (h) efektivitas sirip dengan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 W/m2 oC, 50 W/m2 oC, 100 W/m2 oC dan 200 W/m2 oC berturut-turut adalah 130, 115, 94 dan 72.
Kata kunci: sirip, laju aliran kalor, efisiensi, efektivitas
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur senantiasa kepada Tuhan Yang Maha Esa karena rahmat yang
diberikan dalam penyusunan Tugas Akhir ini sehingga penulis dapat
menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik.
Tugas Akhir ini merupakan sebagai salah satu syarat yang wajib untuk setiap
mahasiswa Jurusan Teknik Mesin. Tugas Akhir ini dilaksanakan dalam rangka
memenuhi syarat untuk mendapatkan gelar sarjana S-1 pada Jurusan Teknik
Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Berkat bimbingan, dukungan dan nasihat dari berbagai pihak, akhirnya Tugas
Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Pada kesempatan ini dengan segenap
kerendahan hati penulis menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya
kepada :
1. Sudi Mungkasi, Ph. D., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi
Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin
Universitas Sanata Dharma Yogyakarta dan Dosen Pembimbing Tugas Akhir.
3. Wibowo Kusbandono, S.T., M.T., selaku Dosen pembimbing akademik.
4. Michael Dee dan Roberta Mai selaku orang tua penulis, karena kebaikan dan
kerendahan hati memberikan semangat pada penulis. Keluarga penulis yang
tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah mendukung penulis dalam
menyelesaikan Tugas Akhir.
ix
5. Yulius Martinus Dee yang telah membantu dalam pengetikan tulisan ini.
6. Teman-teman Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma dan teman-teman
lainnya yang tidak dapat disebutkan satu per satu, terima kasih atas segala
bantuanya.
Penulis menyadari dalam penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari
sempurna. Segala kritik dan saran yang membangun akan sangat penulis
harapkan demi penyempurnaan dikemudian hari. Akhir kata seperti yang
penulis harapkan semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita
semua.
Yogyakarta, 12 Februari 2016
Penulis
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL...i
TITLE PAGE...ii
HALAMAN PENGESAHAN...iii
DAFTAR DEWAN PENGUJI ...iv
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ...v
INTISARI ...vi
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ...vii
KATA PENGANTAR ...viii
DAFTAR ISI ...x
DAFTAR GAMBAR ...xiii
DAFTAR TABEL ...xiv
BAB I PENDAHULUAN ...1
1.1 Latar Belakang...1
1.2 Rumusan Masalah...2
1.3 Tujuan...2
1.4 Batasan Masalah...3
1.5 Manfaat Penelitian...4
BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA ...5
2.1 Perpindahan Kalor...5
xi
2.1.1 Kalor...5
2.1.2 Perpindahan Kalor Konduksi...5
2.1.3 Perpindahan Kalor Konveksi...6
2.2 Sirip...11
2.2.1 Efisiensi Sirip...11
2.2.2 Efektivitas Sirip...12
2.3 Tinjauan Pustaka...13
BAB III METEDOLOGI PENELITIAN ...15
3.1 Diagram Alur Penelitian...15
3.2 Alat Penelitian...16
3.3 Objek Penelitan...16
3.4 Variabel Penelitian...17
3.5 Penurunan Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol...17
3.5.1 Penurunan Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol Di Tengah Sirip...18
3.5.2 Penurunan Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol Di Rusuk Sirip... ...21
3.5.3 Penurunan Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol Di Sudut Sirip...24
3.6 Metode Penelitian...27
3.7 Cara Pengambilan Data, Pengolahan dan Pembahasan...28
3.8 Pengambilan Kesimpulan dan Saran...28
BAB IV DATA DAN PEMBAHASAN ...29
4.1 Data Pengamatan...29
4.1.1 Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Laju Aliran Kalor, Efisiensi dan Efektivitas Sirip...29
4.1.2 Pengaruh Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap Laju Aliran Kalor, Efisiensi dan Efektivitas Sirip...32
4.2 Pembahasan...34
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...43
5.1 Kesimpulan...43
5.2 Saran...44
DAFTAR PUSTAKA ...46
LAMPIRAN ...47
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Ukuran Sirip ... ...4
Gambar 2.1 Perpindajhan Kalor Secara Konduksi ...6
Gambar 3.1 Diagram Alur Penelitian ... 14
Gambar 3.2 Sirip yang Akan Diteliti ... 16
Gambar 3.3 Node-node Pada Seperempat Bagian Sirip ... 18
Gambar 3.4 Volume Kontrol dan Perpindahan Kalor Di Node Posisi Tengah ... 19
Gambar 3.5 Volume Kontrol dan Perpindahan Kalor Di Node Posisi Rusuk ... 22
Gambar 3.6 Volume Kontrol dan Perpindahan Kalor Di Node Posisi Sudut ... 25
Gambar 4.1 Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Kalor Yang Dilepas Sirip ... 36
Gambar 4.2 Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Efisiensi Sirip ... 37
Gambar 4.3 Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Efektivitas Sirip ... 38
Gambar 4.4 Pengaruh Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap Kalor Yang Dilepas Sirip ... 39
Gambar 4.5 Pengaruh Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap Efisiensi Sirip ... 40
Gambar 4.6 Pengaruh Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap Efektivitas Sirip... ... 41
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Bilangan Nusselt Untuk Dinding Vertikal ... 10
Tabel 4.2 Sifat Bahan Sirip yang Diuji Dalam Penelitian ... 29
Tabel 4.2 Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Laju Aliran Kalor Sirip Dari Waktu ke Waktu ... 30
Tabel 4.3 Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Efisiensi Sirip Dari Waktu ke Waktu... ... 31
Tabel 4.4 Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Efektivitas Sirip Dari Waktu ke Waktu... ... 31
Tabel 4.5 Pengaruh Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap Laju Aliran Kalor Sirip Berbahan Tembaga Dari Waktu Ke Waktu... ... 33
Tabel 4.6 Pengaruh Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap Efisiensi Sirip Berbahan Tembaga Dari Waktu Ke Waktu ... 33
Tabel 4.7 Pengaruh Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap Efektivitas Sirip Berbahan Tembaga Dari Waktu Ke Waktu ... 34
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Sirip adalah suatu instrumen penting yang sering dijumpai sehari-hari.
Fungsi sirip sendiri adalah untuk memperluas permukaan agar laju perpindahan
kalor secara konveksi semakin besar. Contoh penggunaan sirip dapat dilihat pada
motor bakar, alat-alat elektronik, alat-alat penukar kalor seperti kondensor,
evaporator, dan radiator.
Pada motor bakar dengan adanya sirip laju perpindahan konveksi semakin
besar sehingga suhu dari piston bisa terjaga. Bila suhu dari piston terlalu tinggi
maka akan terjadi pemuaian piston yang dapat membuat piston tidak dapat
bergerak bila tanpa adanya oli. Pada alat-alat elektronik dengan adanya sirip
membuat suhu dari komponen-komponennya dapat terjaga sehingga tidak terjadi
kendala saat beroperasi. Pada alat penukar kalor semakin besar laju perpindahan
konveksi semakin meningkat performanya dan hal ini bisa diperoleh dengan
bantuan sirip.
Melihat dari pentingnya penggunaan sirip yang sudah dipaparkan di atas,
penulis merasa tertarik untuk melakukan penelitian tentang sirip. Penelitian yang
penulis lakukan adalah penelitian secara komputasi. Dibandingkan dengan
penelitian yang dilakukan secara eksperimen di laboratorium, penelitian
komputasi lebih memberikan keuntungan seperti: lebih murah, lebih cepat dan
bisa dilakukan dimana saja. Selain itu belum banyak refrensi tentang perhitungan
efisiensi dan efektivitas sirip dengan menggunakan metode komputasi
1.2 Rumusan Masalah
Kesulitan utama dalam proses perpindahan kalor pada sirip adalah
penyelesaian perhitungan besarnya laju aliran kalor, efisiensi, dan efektivitas sirip.
Penelitian ini ditujukan untuk mengetahui besarnya perpindahan kalor, efektivitas
sirip dan efisiensi sirip dengan metode komputasi beda-hingga secara eksplisit.
1.3 Tujuan
Tujuan dari penelitian ini adalah:
a. Membuat program untuk dipergunakan dalam perhitungan distribusi suhu,
perpindahan kalor, efektivitas dan efisiensi sirip.
b. Mengetahui pengaruh bahan sirip terhadap waktu yang diperlukan sirip untuk
mencapai keadaan tunak.
c. Mengetahui pengaruh bahan sirip terhadap besar laju aliran kalor yang
dilepas sirip.
d. Mengetahui pengaruh bahan sirip terhadap besar efisiensi sirip.
e. Mengetahui pengaruh bahan sirip terhadap besar efektivitas sirip.
f. Mengetahui pengaruh nilai koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap
waktu yang diperlukan sirip untuk mencapai keadaan tunak.
g. Mengetahui pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap besar
3
h. Mengetahui pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap besar
efisiensi sirip.
i. Mengetahui pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap besar
efektivitas sirip.
1.4 Batasan Masalah
Batasan masalah dari penelitian ini adalah:
a. Sirip yang diteliti adalah sirip dua dimensi
b. Penelitian dilakukan dengan asumsi:
Kondisi tak tunak atau suhu sirip berubah dari waktu ke waktu
Sifat-sifat bahan sirip di setiap posisi tetap, tidak berubah terhadap
suhu.
Selama proses, sirip tidak berubah-ubah bentuk.
Suhu lingkungan sirip tidak berubah-ubah
Perpindahan kalor secara radiasi diabaikan
c. Sirip yang diteliti memiliki panjang 20 cm, lebar 20 cm dan tebal 0,1 cm
sesuai dengan Gambar 1.1
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah:
a. Hasil penelitian dapat dipergunakan untuk menambah kasanah ilmu
pengetahuan dan sebagai refrensi yang ditempatkan di perpustakaan
Perguruan Tinggi
b. Menjadi acuan pemilihan sirip berdasarkan efektivitas dan efisiensi yang
5
BAB II
DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Perpindahan Kalor 2.1.1. Kalor
Kalor adalah energi yang dipindahkan di antara sistem fisika dengan
lingkungannya akibat perbedaan temperatur. Ada tiga cara proses perpindahan
kalor, secara konduksi, secara konveksi dan secara radiasi.
2.1.2. Perpindahan Kalor Konduksi
Perpindahan kalor konduksi yaitu perpindahan kalor melalui suatu zat
tanpa disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut, yang dapat dirumuskan
dengan persamaan (2.1)
q = k.A. ... (2.1)
Pada persamaan (2.1)
k = konduktivitas thermal ( )
A = luas penampang ( )
ΔT = beda suhu permukaan 1 dan permukaan 2 dari benda (
= T1– T2
Δx = tebal benda (m)
Gambar 2.1 Perpindahan kalor secara konduksi
Perpindahan kalor konduksi dapat berlangsung pada benda padat, cair, dan
gas. Untuk perpindahan pada zat cair dan gas, syaratnya adalah dalam keadaan
diam.
2.1.3. Perpindahan Kalor Konveksi
Perpindahan kalor konveksi yaitu perpindahan kalor pada suatu zat yang
disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut. Perpindahan kalor konveksi
dapat terjadi pada fluida mengalir (zat cair dan gas). Perpindahan kalor konveksi
terdiri dari dua macam yaitu perpindahan kalor konveksi paksa dan perpindahan
kalor konveksi bebas.
a. Perpindahan Kalor Konveksi Paksa
Perpindahan kalor konveksi paksa ditandai dengan adanya fluida yang
bergerak disebabkan oleh peralatan bantu. Alat bantu untuk menggerakan fluida
dapat berupa kipas angin, blower, pompa dll. Prosedur untuk menghitung laju
perpindahan panas konveksi paksa adalah:
A
T1
k
T2
q
7
Menentukan jenis aliran laminar atau turbulen dengan menghitung bilangan
Reynold yang dirumuskan dengan persamaan (2.2)
Re =
...
(2.2)syarat aliran laminar Re< 100.000
syarat aliran turbulen 500.000<Re< 10.000.000
pada persamaan (2.2)
Re = bilangan reynold
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
U∞ = kecepatan fluida (m/det)
L = panjang (m)
μ = viskositas (kg/m.s)
Menghitung nilai bilangan Nusselt
Untuk aliran laminar perhitungan bilangan Nusselt mempergunakan persamaan
(2.3)
Nu= 0,664 Re1/2 Pr1/3 ... (2.3)
Untuk aliran turbulen perhitungan bilangan Nusselt mempergunakan
persamaan (2.4)
Pada persamaan( 2.3) dan (2.4):
Nu = bilangan Nusselt
Re = bilangan Reynold
Pr = bilangan Prandtl
Menghitung nilai koefisien perpindahan panas konveksi menggunakan
persamaan (2.5)
h =
... (2.5)
Pada persamaan (2.5)
h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 oC)
Nu = bilangan Nusselt
L = panjang dinding (m)
kf = Koefisien perpindahan panas konduksi fluida (W/oC)
Menghitung laju perpindahan kalor konveksi paksa menggunakan persamaan
(2.6)
q = h A (Ts - T∞) ... (2.6)
Pada persamaan (2.6):
q = laju perpindahan kalor konveksi paksa (Watt)
h = koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m2oC)
9
Ts = suhu benda (oC)
T∞ = suhu fluida (oC)
b. Perpindahan Kalor Konveksi Bebas
Perpindahan kalor konveksi bebas ditandai dengan adanya fluida bergerak
yang disebabkan karena perbedaan massa jenisnya. Jadi pergerakan aliran fluida
tidak disebabkan karena adanya alat bantu pergerakan. Prosedur untuk
menghitung laju pepindahan kalor konveksi bebas adalah:
Menghitung Rayleigh number yang dinyatakan dengan persamaan (2.7)
Ra =Gr Pr =
...
(2.7a)β = , dengan Tf
=
...
(2.7b)Pada persamaan (2.7):
g = percepatan grafitasi (9,81 m/s2)
= panjang karakteristik (m)
Ts = suhu dinding (oC)
T∞ = suhu fluida (oC)
v = viskositas kinematik (m2/detik)
Menghitung bilangan Nusselt
Tabel 2.1 Bilangan Nusselt untuk dinding vertikal
Geometri
Panjang
Karekteristik Ra Nusselt (Nu)
δ
=
L
104 s.d
109 Nu = 0,59
109 sd
1013 Nu = 0,1
Untuk semua Ra
Nu =
*koompleks tetapi lebih akurat
Menghitung koefisien perpindahan kalor sesuai dengan persamaan (2.8)
h = ... (2.8)
Pada persamaan (2.8):
h =
koefisien perpidahan kalor konveksi (W/m2 oC)k = koefisien perpindahan kalor konduksi fluida (W/ m oC)
Menghitung laju perpindahan kalor konveksi bebas sesuai persamaan (2.9)
q = h A (Ts - T∞)... (2.9)
Ts
11
Pada persamaan (2.9):
q = laju peprpindahan kalor konveksi bebas (q)
h = koefisien perpidahan kalor konveksi (W/m2 oC)
A = luas permukaan yang besentuhan dengan fluida (m2)
Ts = suhu benda (oC)
T∞ = suhu fluida (oC)
2.2. Sirip
Fungsi sirip (fin) secara umum adalah untuk memperluas permukaan
benda, agar laju perpindahan kalor konveksi dapat diperbesar, sehingga dapat
mempercepat proses pelepasan panas.
2.2.1. Efisiensi Sirip
Efisiensi sirip merupakan perbandingan antara panas sesungguhnya yang
dilepas sirip dengan kalor maksimum yang dapat dilepas sirip atau dapat
dinyatakan dengan persamaan (2.10)
η = = ... (2.10)
Pada persamaan (2.10):
η = Efisiensi sirip
qactual = panas sesungguhnya yang dilepas sirip (Watt)
h = koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m2 oC)
A = luas permukaan yang bersentuhan dengan fluida (m2)
Ts = suhu benda (oC)
T∞ = suhu fluida (oC)
2.2.2. Efektivitas Sirip
Efektivitas sirip merupakan perbandingan panas yang dilepas seluruh
permukaan benda bersirip dengan permukaan benda jika tanpa sirip. Efektivitas
sirip dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.11)
= = ... (2.11)
Pada Persamaan (2.11):
= efektivitas sirip
qactual = panas sesungguhnya yang dilepas sirip (Watt)
qnofin = panas yang dilepaskan tanpa sirip (Watt)
h = koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m2 oC)
Anofin = luas benda jika tanpa sirip (m2)
Ts = suhu benda (oC)
13
2.3. Tinjauan Pustaka
Nuryanto (2002) meneliti tentang laju perpindahan kalor dan efektivitas
pada sirip tiga dimensi keadaan tak tunak. Tujuan penelitian untuk menentukan besarnya laju perpindahan kalor yang dilepas sirip dan efektivitas sirip pada
keadaan tak tunak dengan berbagai nilai koefisien perpindahan kalor konveksi dan
berbagai bahan sirip. Perpindahan konduksi pada sirip ditinjau dalam tiga dimensi
(arah x, arah y dan arah z). Penelitian dilakukan secara komputasi. Hasil
penelitian menujukkan semakin besar nilai perpindahan kalor konveksi semakin
besar laju aliran kalor yang dilepas sirip dan semakin kecil nilai efektivitas sirip.
Yohana (2004) meneliti tentang laju perpindahan kalor dan efektivitas
pada sirip tiga dimensi keadaan tak tunak. Tujuan penelitian untuk mengetahui laju aliran kalor dan efektivitas sirip tiga dimensi pada keadaan tak tunak pada
sirip berongga. Perpindahan konduksi pada sirip ditinjau dalam tiga dimensi (arah
x, arah y dan arah z). Penelitian dilakukan secara komputasi. Hasil penelitian: (a)
Semakin besar nilai koefisien konveksi di luar sirip (h1) maka semakin besar laju
perpindan kalor dan efektivitas menurun. (b) semakin besar nilai koefisien
konveksi di dalam sirip (h2) maka laju perpindahan dan efektivitas sirip semakin
besar. (c) semakin besar nilai h1 =h2 maka laju perpindahan kalor dan efektivitas
sirip semakin kecil. (d) Sifat bahan sirip mempengaruhi laju aliran kalor dan
efektivitas sirip.
Andi (2012) meneliti tentang Perbandingan laju perpindahan kalor,
tunak. Tujuan penelitian untuk mengetahui perbandingan laju aliran kalor, efisiensi dan efektivitas sirip antara sirip berlubang dan sirip utuh. Perpindahan
konduksi pada sirip ditinjau dalam dua dimensi (arah x dan arah y). Hasil
penelitian (a) Besar laju perpindahan kalor pada sirip utuh lebih tinggi
dibandingkan dengan laju perpindahan kalor sirip berlubang. (b) Efisiensi sirip
utuh lebih besar dari efisiensi sirip berlubang. (c) Efektivitas sirip utuh lebih besar
15
BAB III
METEDOLOGI PENELITIAN
3.1. Diagram Alur Penelitian
Diagram alur penelitian disajikan pada Gambar 3.1 di bawah ini
Gambar 3.1 Diagram Alur Penelitian menentukan bentuk sirip yang akan
diteliti Mulai
Diskritisasi pada sirip
Pernurunan persamaan numerik pada setiap node untuk kasus dua dimensi
Membuat program untuk menghitung distribusi suhu pada sirip sesuai dengan persamaan
Membuat program untuk menghitung kalor yang dilepas sirip
Menghitung efisiensi dan efektivitas sirip dengan mengubah nilai h dan variasi bahan agar mendapat efektivitas dan efisiensi yang berbeda sesuai nilai h
dan
Menganalisis, menarik kesimpulan dan membuat saran
Selesai
3.2. Alat Penelitian
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini :
a. Komputer portable dengan spesifikasi
Merk : Compaq
Tipe : 510
Prosesor : Intel core duo
b. Software Microssoft Office Excel 2007
3.3. Objek Penelitian
Objek penelitian ini adalah sebuah sirip yang memiliki ukuran panjang 20
cm, lebar 20 cm dan tebal 0,1 cm sesuai Gambar 3.2 .
Gambar 3.2 Sirip yng akan diteliti (a) tampak atas, (b) tampak samping
(a)
17
3.4. Variabel Penelitian
Variabel pada penelitian ini dibagi menjadi tiga yaitu :
a. Variabel tetap yaitu variabel yang dipertahankan tetap ;
Suhu pipa kalor/suhu dasar (Tb)
Suhu udara sekitar (Tf)
Suhu awal sirip (To)
b. Variabel tak tetap yaitu variabel yang sengaja diubah-ubah
Nilai h
Nilai k
c. Variabel yang diamati yaitu variabel yang dibandingkan dan diamati sesuai
perubahan variabel tak tetap
Distribusi suhu pada setiap node pada setiap perubahan waktu
Laju perpindahan kalor pada setiap node
Efisiensi
Efektivitas
3.5. Penurunan Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol
Penyelesaian metode komputasi diselesaikan dengan membagi sirip menjadi
elemen-elemen kecil. Pada pengujian ini dinyatakan bahwa dx = dy = 1cm. Untuk
mempermudah penelitian, sirip yang diamati hanya seperempat bagianya saja,
sehingga sirip dapat dibagi menjadi 96 volume kontrol seperti yang tersaji pada
Gambar 3.3 Node-node pada seperempat bagian sirip
Penurunan persamaan numerik berdasarkan pada prinsip kesetimbangan
energi pada setiap volume kontrol. Pada pengujian ini volume kontrol dengan
nomor 61, 62, 63, 64, 65, 66, 72, 78, 84, 90 dan 96 berada pada dasar sirip.
Sehingga volume kontrol pada dasar sirip tidak dilakukan penurunan persamaan
numerik karena suhu pada volume kontrol tersebut sama dengan suhu pada dasar
sirip. Maka penurunan persamaan numerik dilakukan pada volume kontrol yang
berada di tengah sirip, rusuk sirip dan sudut sirip
3.5.1 Persamaan numerik pada volume kontrol di tengah sirip
Volume kontrol di tengah sirip adalah volume kontrol yang tidak
bersinggungan dengan udara sekitar pada arah x dan y seperti yang tersaji pada
gambar 3.3 di atas. Volume kontrol yang berada ditengah sirip antara lain volume
19
perpindahan kalor konduksi terjadi pada arah sumbu x dan sumbu y yaitu q1 s/d q4
sedangkan perpindahan kalor konveksi terjadi pada arah sumbu z (dari arah atas
dan bawah) yaitu q5 dan q6, seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.4
Gambar 3.4 Volume kontrol dan perpindahan kalor di node posisi tengah
(a) Tampak atas (b) tampak samping
Sehingga dapat diketahui nilai
q1 = k A1 ( ) = k (dy t) ( ) = k (dx t) ( ) ... (3.1)
q2 = k A2 ( ) = k (dy t) ( ) = k (dx t) ( ) ... (3.2)
q3 = k A3 ( ) = k (dx t) ( ) =k (dx t) ( ) ... (3.3)
q4 = k A4 ( ) = k (dx t) ( ) = k (dx t) ( ) ... (3.4)
q5 = q6 = h A5 (Tf– Ti,j ) =h (dx dy) (Tf– Ti,jn) = h (dx dx) (Tf– Ti,jn) ... (3.5)
dengan menggunakan prinsip kesetimbangan energi
= m c ... (3.6)
q1 + q2 + q3 + q3 + q4 + q5 + q6= (ρV) c ... (3.7)
k (dx t) ( ) += k (dx t) ( ) + k (dx t) ( ) + k (dx t) ( )
+ 2h(dx dx)(Tf-Ti,jn) = ρc(dx dy t) ... (3.8)
dari persamaan (3.8) dikalikan maka menjadi :
(dx t) ( – ) + (dx t) ( – ) + (dx t) ( – ) +(dx t) ( – )
+ 2 (dx dx) (Tf– ) = (dx dx t) dx ... (3.9)
dari persamaan (3.9) dikalikan maka menjadi:
+ + + + 2Bi Tf - ( 4 + 2Bi ) = ( - )
... (3.10)
21
Dari persamaan (3.10) dikalikan Fomaka menjadi
= Fo( + + + + 2Bi Tf ) - ( 4Fo + 2Bi Fo-1)
... (3.11)
dengan syarat stabilitas :
(4Fo + 2Bi Fo-1) ≥ 0
- Fo (4+2Bi ) ≥ -1
Fo (4+2Bi ) ≤ 1
maka Fo≤ ... (3.12)
3.5.2 Persamaan numerik pada volume kontrol di rusuk sirip
Volume kontrol di rusuk sirip adalah volume kontrol yang berada pada
tepi sirip yang besinggungan dengan udara dari arah luar ke dalam sirip pada
sumbu y dan dari arah sumbu z (dari arah atas dan arah bawah) seperti yang tersaji
pada Gambar 3.3 Volume kontrol yang berada di rusuk sirip antara lain volume
kontrol dengan nomor 2 s/d 11, 12, 23, 34, 45, 56, 67, 73, 79, 85 dan 91. Pada
volume kontrol di rusuk sirip perpindahan kalor konduksi terjadi pada arah sumbu
x yaitu q1 dan q2 serta dari arah sirip ke luar (lingkungan sekitar) pada sumbu y
yaitu q3. Sedangkan perpindahan kalor konveksi terjadi dari luar (lingkungan
sekitar) ke sirip pada arah sumbu y yaitu q4 dan pada sumbu z (dari arah atas dan
Gambar 3.5 Volume kontrol dan perpindahan kalor di node posisi rusuk.
tampak atas, (b) tampak samping
Sehingga dapat diketahui nilai
q1 = k A1 ( ) = k (0,5dy t) ( ) = k (0,5dx t) ( ) ... (3.13)
q2 = k A2 ( ) = k (0,5dy t) ( ) = k (0,5dx t) ( ) ... (3.14)
23
q3 = k A3 ( ) = k (dx t) ( ) = k (dx t) ( ) ... (3.15)
q4 = h A4 (Tf– ) =h (dx t) (Tf– ) = h (dx t) (Tf– ) ... (3.16)
q5 = q6 = h A5 (Tf– ) =h (dx 0,5dy) (Tf– ) = h (0,5dx dx) (Tf– )
... (3.17)
dengan menggunakan prinsip kesetimbangan energi
= m c ... (3.18)
q1 + q2 + q3 + q3 + q4 + q5 + q6= (ρV) c ... (3.19)
k (0,5dx t) ( ) + k (0,5dx t) ( ) + k (dx t) ( ) +
h (dx t) (Tf– ) + 2h(0,5dx dx) (Tf– )= ρ c (dx 0,5dy t)
... (3.20)
dari persamaan (3.20) dikalikan maka menjadi :
(0,5dx t) ( – ) + (0,5dx t) ( – ) + (dx t) ( – ) + (dx t)
(Tf– ) + 2 (0,5 dx dx) (Tf– ) = (0,5dx dx t) dx
... (3.21)
dari persamaan (3.20) dikalikan maka menjadi
+ +2 + 2Bi Tf + 2B1 Tf - Ti,jn (4 +2Bi + 2B1 ) =
( - ) ... (3.22)
dengan nilai B1 = , α = dan =
= ( + +2 + 2Bi Tf + 2B1 Tf) -Ti,jn(4Fo+2Bi Fo+ 2B1 Fo-1)
... (3.23)
syarat stabilitas :
-(4Fo+2Bi Fo+ 2B1 Fo-1) ≥ 0
1-4Fo - 2Bi Fo -2B1 Fo ≥ 0
- (4+2Bi +2B1 ) ≥ -1
(4 +2Bi +2B1 ) ≤ 1
maka Fo ≤ ... (3.24)
3.5.3 Persamaan numerik pada volume kontrol di sudut sirip
Volume kontrol di sudut sirip adalah volume kontrol yang berada pada tepi
sirip yang besinggungan dengan udara dari arah luar ke dalam sirip pada sumbu y
dan sumbu x dari arah sumbu z (dari arah atas dan arah bawah) seperti yang tersaji
pada gambar 3.3. Volume kontrol yang berada di sudut sirip adalah volume
kontrol dengan nomor 1. Pada volume kontrol di sudut sirip, perpindahan kalor
konduksi terjadi pada sumbu x dan sumbu y dari arah dalam sirip menuju ke luar
(lingkungan sekitar) yaitu q1 dan q2. Sedangkan perpindahan kalor konveksi
terjadi pada sumbu x dan sumbu y dari arah luar (lingkungan sekitar) menuju sirip
25
Gambar 3.6 Volume kontrol dan perpindahan kalor di node posisi sudut (a) Tampak atas, (b) tampak samping
Sehingga dapat diketahui nilai
q1 = k A1 ( ) = k (0,5dy t) ( )= k (0,5dx t) ( ) ... (3.25)
q2 = k A2 ( ) = k (0,5dx t) ( ) = k (0,5dx t) ( ) ... (3.26)
q3 = h A3 (Tf– Ti,j) = h (0,5 dx t) (Tf– Ti,j) = h (0,5 dx t) (Tf– Ti,j) ... (3.27)
q4 = h A4 (Tf– ) = h (0,5 dy t) (Tf– ) = h (0,5 dx t) (Tf– ) ... (3.28)
q5 =q6 = h A5 (Tf– ) = h (0,5 dx 0,5dy) (Tf– ) = h (0,25 dx dx) (Tf– )
... (3.29)
dengan menggunakan prinsip kesetimbangan energi
= m c ... (3.30)
q1 + q2 + q3 + q3 + q4 + q5 + q6= (ρV) c ... (3.31)
k (0,5dx t) ( ) + k (0,5dx t) ( ) + h (0,5 dx t) (Tf– ) + h (0,5 dx t)
(Tf– ) + 2 h (0,25 dx dx) (Tf– ) = ρ c (dx 0,5dy t)
... (3.32)
dari persamaan (3.22) dikalikan maka menjadi :
(0,5dx t) ( – ) + (0,5dx t)( – ) + 2 (0,5dx t) (Tf – ) + 2
(0,25 dx dx) (Tf– ) = (0,5dx dx t) dx ... (3.33)
dari persamaan (3.33) dikalikan maka menjadi :
2( + + 2 Bi Tf + Bi Tf ) - Ti,jn (4 + 4 Bi + 2 Bi )
= ( - ) ... (3.34)
dengan nilai B1 = , α = dan =
dari persamaan (3.34) dikalikan Fomaka menjadi:
== 2Fo( + + 2 Bi Tf + Bi Tf ) - (4 Fo + 4 Bi Fo + 2 Bi Fo-1)
27
Syarat stabilitas :
-(4 Fo + 4 Bi Fo + 2 Bi Fo-1) ≥ 0
1- 4 Fo + 4 Bi Fo + 2 Bi Fo ≥ 0
-Fo (4 + 4 Bi + 2 Bi ) ≥ -1
Fo (4 + 4 Bi + 2 Bi ) ≤ 1
maka Fo ≤ ... (3.36)
3.5. Metode Penelitian
Penelitian ini dilakukan secara komputasi dengan menggunakan metode
beda hingga secara eksplisit. Langkah-langkah yang dilakukan untuk
mendapatkan metode beda hingga secara eksplisit sebagai berikut:
a. Memilih seperempat bagian dari benda uji sirip untuk diamati dan membagi
seperempat bagian dari benda uji sirip tersebut menjadi elemen-elemen kecil
seperti yang ditunjukan pada gambar 3.2. Suhu pada elemen-elemen kecil
tersebut mewakili suhu volume kontrol elemen kecil tersebut.
b. Menuliskan persamaan numerik pada setiap volume kontrol dengan metode
beda hingga eksplisit berdasarkan prinsip kesetimbangan energi pada sirip.
c. Membuat program komputasi untuk mendapatkan distribusi suhu, laju aliran
kalor, efisiensi dan efektivitas dari waktu ke waktu pada benda uji sirip.
d. Memasukan data yang diperlukan untuk dapat mengetahui hasil dari
Pengujian pada sirip dilakukan dengan variasi bahan yang telah ditentukan
untuk dapat mengetahui perbedaan distribusi suhu, laju aliran kalor, efisiensi dan
efektivitas dari variasi bahan tersebut.
3.6. Cara Pengambilan Data, Pengolahan dan Pembahasan.
Pengambilan data dilakukan dengan membuat program terlebih dahulu pada
microsoft office excel sesuai dengan metode yang digunakan, kemudian
memasukan data kedalam program yang telah dibuat. Hasil perhitungan dari
program yang telah dibuat berupa distribusi suhu, laju aliran kalor efisiensi dan
efektivitas.
Hasil perhitungan dari program yang didapat kemudian diolah untuk dapat
ditampilkan dalam grafik. Grafik yang ditampilkan adalah grafik :
a. Laju aliran kalor dari waktu ke waktu
b. Efesiensi dari waktu ke waktu
c. Efektivitas dari waktu ke waktu
Pembahasan dapat dilakukan berdasarkan grafik-grafik yang disajikan sehingga
dapat diambil kesimpulan dari penelitian. Dalam melakukan pembahasan,
memperhatikan juga hasil-hasil penelitian yang terkait.
3.7. Pengambilan Kesimpulan dan Saran
Kesimpulan dibuat berdasarkan pembahasan yang telah dilakukan dan
kesimpulan merupakan jawaban dari tujuan penelitian. Saran diberikan agar
29
BAB IV
DATA DAN PEMBAHASAN
4.1. Data Pengamatan
Percobaan dilakukan untuk mengetahui pengaruh bahan sirip dan
pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap laju aliran kalor,
efisiensi dan efektivitas sirip pada keadaan tak tunak.
4.1.1. Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Laju Aliran Kalor, Efisiensi dan Efektivitas Sirip
Pengaruh bahan sirip terhadap laju aliran kalor, efisiensi dan efektivitas
sirip dapat diketahui dengan melakukan empat variasi bahan yaitu alumunim, besi
nikel dan tembaga . Sifat-sifat dari keempat bahan yang diamati disajikan dalam
Tabel 4.1.
Tabel 4.1 Sifat bahan sirip yang diuji dalam penelitian
Percobaan dilakukan dengan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi yang
sama yaitu 50 watt/m2oC. Percobaan dilakukan dengan kondisi sebagai berikut :
suhu awal sirip (To) : 30 ˚C
suhu dasar sirip (Tdasar) : 100 ˚C
suhu lingkungan (Tf) : 30 ˚C
Hasil penelitian disajikan dalam Tabel 4.2 sampai dengan Tabel 4.4.
Tabel 4.2 Pengaruh bahan sirip terhadap laju aliran kalor sirip dari waktu ke
waktu
No Waktu (detik)
Laju Aliran kalor (watt)
Tembaga Alumunium Besi Nikel
31
Tabel 4.3 Pengaruh bahan sirip terhadap efisiensi sirip dari waktu ke waktu
No waktu (detik)
Efisiensi (%)
Tembaga Alumunium besi Nikel
1 0 6,91 6,91 6,91 6,91
Tabel 4.4 Pengaruh bahan sirip terhadap efektivitas sirip dari waktu ke waktu
No waktu (detik)
Efektivitas
Tabel 4.4 Lanjutan
No Waktu (detik)
Efektivitas
Tembaga Alumunium Besi Nikel
11 18 100,62 82,34 42,86 46,27
4.1.2. Pengaruh Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap Laju Aliran Kalor, Efektivitas dan Efisiensi Sirip
Pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap laju aliran
kalor, efisiensi dan efektivitas sirip dapat diketahui dengan melakukan empat
variasi, setiap percobaan yang dilakukan menggunakan variasi nilai koefisien
perpindahan kalor konveksi yang berbeda-beda yaitu 25 watt/m2 oC, 50 watt/m2
o
C, 100 watt/m2 oC dan 200 watt/m2 oC . Percobaan dilakukan pada bahan sirip
yang sama yaitu tembaga . Percobaan dilakukan dengan kondisi sebagai berikut:
suhu awal sirip (To) : 30 ˚C
suhu dasar sirip (Tdasar) : 100 ˚C
suhu lingkungan (Tf) : 30 ˚C
33
Tabel 4.5 Pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap laju aliran kalor sirip dari waktu ke waktu
No Waktu
Tabel 4.6 Lanjutan sirip dari waktu ke waktu
35
4.2. Pembahasan
Penelitian tentang pengaruh bahan sirip terhadap laju perpindahan kalor
sirip digambarkan dengan grafik seperti yang tersaji pada Gambar 4.1. Grafik
pada Gambar 4.1 menunjukkan bahwa seiring dengan pertambahan waktu laju
aliran kalor yang dilepas sirip semakin meningkat, hingga mencapai keadaan
tunak yaitu pada saat laju aliran kalor yang dilepas sirip tidak berubah-ubah lagi
terhadap waktu. Laju aliran kalor sirip mencapai keadaan tunak seperti yang
dirumuskan pada persamaan (4.1 )
x 100% ≤ 1% ... (4.1)
Pada sirip berbahan tembaga, laju aliran kalor menjadi tunak setelah detik ke 45.
Pada sirip berbahan alumunium, laju aliran kalor menjadi tunak setelah detik ke
47. Pada sirip berbahan besi, laju aliran kalor menjadi tunak setelah detik ke 83.
Pada sirip berbahan nikel, laju aliran kalor menjadi tunak setelah detik ke 87.
Dengan demikian untuk mencapai keadaan tunak tercepat dimiliki oleh tembaga
kemudian diikuti berturut-turut sirip dari bahan alumunium, besi dan nikel.
Grafik pada Gambar 4.1 menunjukkan bahwa bahan sirip berpengaruh
terhadap laju aliran kalor yang dilepas sirip. Pada penelitian ini laju aliran kalor
terbesar yang dilepas sirip dimiliki oleh bahan tembaga, kemudian diikuti
berturut-turut dari bahan alumunium, nikel dan besi.
Ketika keadaan sudah tunak besar laju aliran kalor yang dilepas sirip dari
bahan tembaga, alumunium, besi dan nikel berturut-turut sebesar: 160 watt, 133
Gambar 4.1 Pengaruh bahan sirip terhadap laju aliran kalor yang dilepas sirip
Penelitian tentang pengaruh bahan sirip terhadap efisiensi sirip
digambarkan dengan grafik seperti yang tersaji pada Gambar 4.2. Grafik pada
Gambar 4.2 menunjukkan bahwa seiring dengan pertambahan waktu nilai
efisiensi sirip semakin meningkat, hingga mencapai keadaan tunak yaitu pada saat
efisiensi sirip tidak berubah-ubah lagi terhadap waktu. Laju efisiensi sirip
mencapai keadaan tunak seperti yang dirumuskan pada persamaan (4.2 )
x 100% ≤ 1% ... (4.2)
Pada sirip berbahan tembaga, efisiensi sirip menjadi tunak setelah detik ke 45.
Pada sirip berbahan alumunium, efisiensi sirip menjadi tunak setelah detik ke 47.
Pada sirip berbahan besi, efisiensi sirip menjadi tunak setelah detik ke 83. Pada
sirip berbahan nikel, efisiensi sirip menjadi tunak setelah detik ke 87.
Grafik pada Gambar 4.2 menunjukkan bahwa bahan sirip berpengaruh
terhadap efisiensi. Pada penelitian ini laju aliran kalor terbesar yang dilepas sirip
dimiliki oleh bahan tembaga kemudian diikuti berturut-turut dari bahan
37
Ketika keadaan sudah tunak besar efisiensi sirip dari bahan tembaga,
alumunium, besi dan nikel berturut-turut sebesar: 75%, 62%, 41% dan 46%.
Gambar 4.2 Pengaruh bahan sirip terhadap efisiensi sirip
Penelitian tentang pengaruh bahan sirip terhadap efektivitas sirip
digambarkan dengan grafik seperti yang tersaji pada Gambar 4.3. Grafik pada
Gambar 4.3 menunjukkan bahwa seiring dengan pertambahan waktu efektivitas
sirip semakin meningkat, hingga mencapai keadaan tunak yaitu pada saat
efektivitas sirip tidak berubah-ubah lagi terhadap waktu. Laju efektivitas sirip
mencapai keadaan tunak seperti yang dirumuskan pada persamaan (4.3 ).
x 100% ≤ 1% ... (4.3)
Pada sirip berbahan tembaga, efektivitas sirip menjadi tunak setelah detik ke 45.
Pada sirip berbahan alumunium, efektivitas sirip menjadi tunak setelah detik ke
47. Pada sirip berbahan besi, efektivitas sirip menjadi tunak setelah detik ke 83.
Pada sirip berbahan nikel, efektivitas sirip menjadi tunak setelah detik ke 87
Grafik pada Gambar 4.3 menunjukkan bahwa bahan sirip berpengaruh
terhadap efektivitas sirip. Pada penelitian ini efektivitas sirip terbesar dimiliki
oleh bahan tembaga kemudian diikuti berturut-turut dari bahan alumunium, nikel
dan besi.
Ketika keadaan sudah tunak besar efektivitas sirip dari bahan tembaga,
alumunium, besi dan nikel berturut-turut sebesar: 115, 95, 62 dan 69.
Gambar 4.3 Pengaruh bahan terhadap efektivitas sirip
Penelitian tentang pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi
terhadap laju perpindahan kalor sirip digambarkan dengan grafik seperti tersaji
pada Gambar 4.4. Dari Gambar 4.4 untuk bahan sirip tembaga terlihat bahwa laju
aliran kalor sirip untuk nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/ m2 oC
akan mencapai tunak setelah detik ke 52, nilai koefisien perpindahan kalor
konveksi 50 watt/m2 oC akan mencapai tunak setelah detik ke 45, nilai koefisien
perpindahan kalor konveksi 100 watt/ m2oC akan mencapai tunak setelah detik ke
37, nilai koefisien perpindahan panas konveksi 200 watt/ m2 oC akan mencapai
tunak setelah detik ke 27. Dengan demikian untuk mencapai keadaan tunak
tercepat ketika nilai koefisien perpindahan panas konduksi sebesar 200 watt/ m2
39
o
C kemudian diikuti berturut-turut 100 200 watt/ m2oC , 50 200 watt/ m2 oC dan
25 200 watt/ m2oC.
Grafik pada Gambar 4.4 menunjukkan bahwa nilai koefisien
peprpindahan kalor konveksi berpengaruh terhadap laju aliran kalor yang dilepas
sirip. Pada penelitian ini laju aliran kalor terbesar yang dilepas sirip dari bahan
tembaga ketika nilai koefisien perpindahan kalor konveksi sebesar 200 watt/m2oC
kemudian diikuti berturut-turut 100 watt/ m2oC, 50 watt/ m2oC dan 25 watt/m2oC.
Ketika keadaan sudah tunak besar laju aliran kalor yang dilepas sirip dari
bahan tembaga pada saat nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25
watt/m2oC, 50 watt/ m2 oC, 100 watt/ m2 oC dan 200 watt/ m2 oC berturut-turut
sebesar: 91 watt, 160 watt, 263 Watt dan 401 watt.
Gambar 4.4 Pengaruh nilai koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap laju aliran kalor sirip bahan tembaga
Penelitian tentang pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi
terhadap efisiensi sirip digambarkan dengan grafik seperti tersaji pada Gambar
tunak setelah detik ke 52, nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 50
watt/m2oC akan mencapai tunak setelah detik ke 45, nilai koefisien perpindahan
kalor konveksi 100 watt/ m2oC akan mencapai tunak setelah detik ke 37 dan nilai
koefisien perpindahan panas konveksi 200 watt/ m2 oC akan mencapai tunak
setelah detik ke 27.
Grafik pada Gambar 4.5 menunjukkan bahwa nilai koefisien perpindahan
kalor konveksi berpengaruh terhadap efisiensi sirip. Pada penelitian ini efisiensi
terbesar sirip dari bahan tembaga, ketika nilai koefisien perpindahan kalor
konveksi sebesar 25 watt/ m2 oC kemudian diikuti berturut-turut 50 watt/ m2 oC,
100 watt/ m2oC dan 200 watt/ m2oC.
Ketika keadaan sudah tunak besar efisiensi sirip dari bahan tembaga
pada saat nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/ m2 oC, 50 watt/ m2
o
C, 100 watt/ m2oC dan 200 watt/ m2 oC berturut-turut sebesar: 86%, 75%, 62%
dan 47%.
41
Penelitian tentang pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi
terhadap efektivitas sirip digambarkan dengan grafik seperti tersaji pada Gambar
4.6. Grafik pada Gambar 4.6 untuk bahan sirip tembaga terlihat bahwa laju
efektivitas sirip untuk nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/ m2 oC
akan mencapai tunak setelah detik ke 52, nilai koefisien perpindahan kalor
konveksi 50 watt/m2 oC akan mencapai tunak setelah detik ke 45, nilai koefisien
perpindahan kalor konveksi 100 watt/ m2oC akan mencapai tunak setelah detik ke
37 dan nilai koefisien perpindahan panas konveksi 200 watt/ m2oC akan mencapai
tunak setelah detik ke 27.
Gambar 4.6 Pengaruh nilai koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap efektivitas sirip bahan tembaga
Grafik pada Gambar 4.6 menunjukkan bahwa nilai koefisien perpindahan
kalor konveksi berpengaruh terhadap efektivitas sirip. Pada penelitian ini
efektivitas sirip terbesar dari bahan tembaga ketika nilai koefisien perpindahan
kalor konveksi sebesar 25 watt/m2 oC, kemudian diikuti berturut-turut 50
watt/m2 oC, 100 watt/m2 oC dan 200 watt/m2oC.
Ketika keadaan sudah tunak besar efektivitas sirip dari bahan tembaga
pada saat nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/m2oC, 50 watt/m2oC,
43
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dari hasil penelitian dan pembahasan yang telah dilakukan pada sirip dengan variasi bahan dan koefisien perpindahan panas konveksi dapat diambil
kesimpulan bahwa :
a. Telah berhasil dibuat program dari Microsoft Ofice Excel untuk
menghitung distribusi suhu, laju aliran perpindahan kalor sirip,
efektivitas dan efisiensi sirip.
b. Laju aliran kalor, efisiensi dan efektivitas sirip berubah-ubah terhadap
waktu hingga mencapai keadaan tunak. Waktu yang diperlukan sirip
berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel untuk mencapai keadaan
tunak pada nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 50 watt/m2 oC
berturut-turut adalah 45 detik, 47 detik, 83 detik dan 87 detik.
c. Besar laju aliran kalor sirip berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel
saat keadaan tunak pada nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 50
watt/m2 oC berturut-turut adalah 160 watt, 133 watt, 86 watt dan 97 watt.
d. Besar efisiensi sirip berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel saat
keadaan tunak pada nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 50 watt/m2
o
C berturut-turut adalah 75%, 62%, 41% dan 46%.
e. Besar efektivitas sirip berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel saat
keadaan tunak pada nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 50 watt/m2
o
C berturut-turut adalah 115, 95, 62 dan 69.
f. Waktu yang dibutuhkan sirip berbahan tembaga untuk mencapai keadaan
tunak pada nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/m2 oC, 50
watt/m2 oC, 100 watt/m2 oC dan 200 watt/m2 oC adalah 52 detik, 45 detik,
37 detik dan 27 detik.
g. Besar laju aliran kalor sirip berbahan tembaga saat keadaan tunak pada
koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/m2 oC, 50 watt/m2 oC, 100
watt/m2 oC dan 200 watt/m2 oC berturut-turut adalah 91 watt, 160 watt, 263
watt dan 401 watt.
h. Besar efisiensi sirip berbahan tembaga saat keadaan tunak pada koefisien
perpindahan kalor konveksi 25 watt/m2 oC, 50 watt/m2 oC, 100 watt/m2 oC
dan 200 watt/m2 oC berturut-turut adalah 86%, 75%, 62 % dan 47%.
i. Besar efektivitas sirip berbahan tembaga saat keadaan tunak pada
koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/m2 oC, 50 watt/m2 oC, 100
watt/m2 oC dan 200 watt/m2 oC berturut-turut adalah 130, 115, 94 dan 72
5.2 Saran
Saran yang perlu dikemukakan untuk penelitian yang lebih lanjut tentang
45
a. Hasil penelitian akan lebih akurat jika volume kontrol yang digunakan
lebih kecil.
b. Penelitian akan lebih akan lebih cepat dan mudah jika menggunakan
komputer dengan prosesor yang lebih baik
c. Penelitian dapat dilakukan dengan variasi bahan dan bentuk sirip yang
DAFTAR PUSTAKA
Cengel, Yunus A.2002.Heat Transfer A Practical Approach, M C Graw-Hill. New York.
Holman, J.P.1997.Heat Transfer,M C Graw-Hill. New York.
Kuncoro,A.S.2012.Perbandingan Laju Perpindahan Kalor,Efisiensi dan Efektivitas Sirip Dua Dimensi Utuh dan Berlubang Pada keadaan Tak Tunak dengan Variasi Bahan.Universitas Sanata Dharma.Yogyakarta
Nuryanto,Y.D.2002.Laju Perpindahan Kalor dan Efektivitas Sirip Keadaan Tak Tunak. Universitas Sanata Dharma. Yogyakarta.
Yohana,S.2004.Laju Perpindahan Kalor dan Efektivitas Sirip Pada Kasus Tiga Dimensi Keadaan Tak Tunak.Universitas Sanata Dharma.Yogyakarta.
47
LAMPIRAN
Lampiran 1. Massa Jenis dan Kalor Jenis beberapa Bahan
Lampiran 2. Koefisien Perpindahan Kalor Konduksi Beberapa Bahan