( KONVEKSI )
( COVER )
ABSTRAK
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Perpindahan panas adalah suatu fenomena berpindahnya energi berupa panas (kalor) dari suatu tempat ke tempat lain atau suatu media ke media lainnya.
Fenomena perpindahan panas dapat terjadi akibat adanya perbedaan temperatur diantara kedua tempat atau media tersebut. Konveksi merupakan proses perpindahan panas yang terjadi antara permukaan padat dengan fluida yang mengalir (bergerak) di sekitarnya, dengan menggunakan media penghantar berupa fluida yang bergerak, baik berupa cair atau gas.
Dalam kehidupan sehari-hari banyak dijumpai proses perpindahan panas, secara konveksi. Sebagai contoh adalah saat memasak air dalam panci. Air yang berada dalam panci akan menerima panas dari api pada bagian bawah panci. Proses tersebut merupakan peristiwa konveksi dalam kehidupan sehari-hari.
Dalam bidang otomotif juga banayak dijumpai proses perpindahan panas secara konveksi. Salah satu contohnya yaitu pada radiator. Radiator merupakan sutu fluida yang berfungsi sebagai pendingin engine. Oleh karena itu, diperlukan pemahaman proses konveksi melalui percobaan ini.
1.2 Tujuan Praktikum
Adapun tujuan dari praktikum konveksi kali ini adalah:
1. Meningkatkan pemahaman terhadap konsep dasar proses perpindahan panas secara konveksi.
2. Mengetahui pengaruh kecepatan fluida terhadap nilai koefisien konveksi.
1.3 Batasan Masalah
Berikut merupakan batasan masalah pada praktikum ini, yaitu:
1. Steady State
Merupakan keadaan di mana properties tidak berubah terhadap waktu.
2. No Heat Generation
Spesimen uji tidak memiliki energi bangkitan karena spesimen dianggap sebagai logam murni sehingga tidak terjadi reaksi kimia yang menghasilkan energi.
3. Neglected Radiation
Proses radiasi dapat diabaikan karena perbedaan temperatur permukaan spesimen dengan lingkungan sangat kecil.
4. Perpindahan Panas dianggap konstan
Heater yang digunakan berjumlah satu dan tegangan dan arusnya diatur konstan.
BAB II DASAR TEORI 2.1 Pengertian Konveksi
Gambar 2.1 Thermal boundary layer pada isothermal plat datar
Konveksi merupakan bentuk perpindahan panas dimana molekul-molekul benda membawa energi panas dari satu titik ke titik lainnya. Umumnya terjadi pada benda cair dan gas. Aliran konveksi dipengaruhi beberapa factor antara lain :
a. Aliran horizontal dan vertical b. Alian laminer atau turbulen c. Permukaan rata atau melengkung d. Jenis fluidanya, zat cair atau gas
e. Sifat-sifat fluida seperti viskositas , kalor jenis, dsb Perpindahan panas konveksi dapat dibagi menjadi dua : 1. Force convection
Perpindahan panas karena adanya faktor kerja dari luar terhadap fluida perantara, misalnya konveksi dengan adanya bantuan fan, blower, air conditioning dan sebagainya.
2. Free convection
Perpindahan panas tanpa ada faktor luar melainkan karena buoyancy force.
Secara umum, besarnya laju perpindahan panas konveksi dapat dirumuskan :
𝑞’’ = ℎ ( 𝑇∞ − 𝑇𝑠 ), 𝑇𝑠 > 𝑇∞... (2.1)
𝑞’’ = ℎ (𝑇∞ − 𝑇𝑠 ), 𝑇∞> 𝑇𝑠... (2.2)
Dimana h adalah koefisien perpindahan panas secara konveksi (𝑊 𝑚2𝐾
⁄ ), 𝑇𝑠 adalah temperatur permukaan zat padat, dan 𝑇∞ adalah temperatur fluida yang mengalir pada sekitar dinding padat. Sedangkan q” adalah convection heat flux (𝑊
𝑚2
⁄ ).
2.2 Thermal Resistance
Thermal resistance adalah ukuran seberapa sulit atau mudah suatu material atau komponen menghantarkan panas. Atau bisa dikatakan menggambarkan sejauh mana material tersebut menghalangi aliran panas. Semakin tinggi nilai thermal resistance, semakin sulit panas untuk melewati material tersebut. Berikut merupakan persamaan untuk thermal resistance pada konveksi :
𝑅𝑡,𝑐𝑜𝑛𝑣 = 𝑇𝑠−𝑇∞
𝑞 = 1
ℎ𝐴…….………(2.3)
2.3 Konveksi pada Plat Datar secara Aliran Paralel 2.3.1 Laminar flow over on isothermal plate
Dengan mengasumsikan steady state, incompressible laminar flow, dengan property fluida konstan dan mengakibatkan viskositas didapatkan persamaan boundary layer sebagai berikut:
Continuity : 𝜕𝑢
𝜕𝑥 +𝜕𝑢
𝜕𝑦= 0………..(2.4)
Momentum :𝑢.𝜕𝑢
𝜕𝑥 +𝑢𝜕𝑢
𝜕𝑦 = 𝑢 𝜕2𝑢
𝜕𝑦2………(2.5)
Energi : 𝑢.𝜕𝑇
𝜕𝑥+ 𝑣.𝜕𝑇
𝜕𝑦 = 𝑎.𝜕2𝑇
𝜕𝑦2………(2.6) Spesies : 𝑢.𝜕𝑃𝐴
𝜕𝑥 + 𝑣.𝜕𝑃𝐴
𝜕𝑦 = 𝐷𝐴𝐵𝜕2𝑃𝐴
𝜕𝑦2………...(2.7) Pada constant properties, kondisi kecepatan boundary layer tidak bergantung pada temperatur dan konsentrasi spesimen. Perumusan masalah Hydrodynamics dapat menggunakan persamaan aliran dimana :
𝑢 = 𝜕𝜓
𝜕𝑦 𝑑𝑎𝑛 𝑢 = −𝜕𝜓
𝜕𝑥……….(2.8)
Persamaan Heat Transfer Solution yang dinyatakan dalam bilangan tak berdimensi.
𝑁𝑢𝑥= ℎ𝑥𝑥
𝑘 = 0.332 𝑅𝑒𝑥1⁄2 𝑃𝑟1⁄3 Pr ≥ 0.6
Untuk kasus laminar low on isothermal pada logam cair dapat dinyatakan dalam Nusselt Number berikut:
𝑁𝑢𝑥 = 0,3387 𝑅𝑒𝑥1/2𝑃𝑟1/3
[1+(0,0468𝑃𝑟 ) 2 3]
1/4 𝑃𝑒𝑥 ≥ 100...(2.9)
Dimana: Re = Reynold number Pr = Prandtl number Pe = Peclet number
2.3.2 Turbulen flow over on isothermal plate
Berdasarkan hasil eksperimen untuk turbulen flow dengan reynold number mencapai koefisien gerakan lokal dapat dirumuskan sebagai berikut :
𝐶𝑓𝑥 = 0,0592 𝑅𝑒𝑥−1/5𝑅𝑒𝑥𝑐 ≤ 𝑅𝑒𝑥 ≤ 108...(2.10)
Persamaan di atas dengan modifikasi reynold local nusselt number untuk aliran turbulen adalah :
𝑁𝑢𝑥= 𝑆𝑡. 𝑅𝑒𝑥. 𝑃𝑟 = 0,0296 𝑅𝑒𝑥4/5𝑃𝑟1/2 0,6 ≤ Pr ≤ 60...(2.11)
Dan local Sherwood number adalah
𝑆ℎ𝑥= 𝑆𝑡𝑚 𝑅𝑒𝑥 𝑆𝑐 = 0,0296 𝑅𝑒𝑥4/5𝑆𝑐1/2 0,6 ≤ 𝑆𝑐 ≤ 3000...(2.12)
2.3.3 Mixed Boundary Layer Condition
Pada kasus mixed boundary layer dapat didekati dengan rumus:
ℎ𝐿 = 1
𝐿(∫ ℎ0𝑥𝑐 𝑙𝑎𝑚 𝑑𝑥+ ∫ ℎ0𝑥𝑐 𝑡𝑢𝑟𝑏 𝑑𝑥)………(2.13)
Sehingga:
𝑁𝑢𝐿 = (0,037 + 𝑅𝑒𝐿4/5− 𝐴)𝑃𝑟1/3………….…...(2.14)
[
.
0,6 ≤ 𝑃𝑟 ≤ 60 .
𝑅𝑒𝑥𝑐 ≤ 𝑅𝑒𝐿 ≤ 108
. ]
𝐶𝑓,𝐿 = 0,074𝑅𝑒𝐿−1/5− 2𝐴
𝑅𝑒𝐿………….…………(2.15) [𝑅𝑒𝑥,𝑐 ≤ 𝑅𝑒𝐿 ≤ 108]
dengan menganalogikan analogi heat mass transfer didapatkan rumus Sherwood number:
𝑆ℎ𝐿 = (0,037 + 𝑅𝑒𝐿4/5− 𝐴)𝑆𝑐1/3………(2.16)
[
.
0,6 ≤ 𝑃𝑟 ≤ 60 .
𝑅𝑒𝑥𝑐 ≤ 𝑅𝑒𝐿 ≤ 108
. ]
2.3.4 Unheated Starting Length
Terdapat daerah dimana tidak ada perpindahan panas pada jarak tertentu, dimana jarak boundary pada saat belum berpindah adalah 0 . (no heat transfer).
Gambar 2.3 Flat plate in parallel flow Nusselt number pada kasus ini
(2.17)
2.3.5 Flat plate with constant heat flux condition
Terdapat kemungkinan uniform surface heat flux telah berpengaruh daripada uniform temperature pada kasus kondisi ini maka nilai Nusselt Number dirumuskan sebagai berikut:
(𝑇𝑠− 𝑇∞) = 𝑘 𝑁𝑢𝑞𝑠" .𝐿
𝐿...(2.18) 2.3.2 Limitation on use convection coefficient
Persamaan pada bagian ini cocok untuk kebanyakan perhitungan engineering, meskipun dalam prakteknya lebih sering digunakan nilai exact untuk koefisien konveksi mengacu pada free stream turbulent dan kekerasan permukaan dan kesalahan 25% mungkin terjadi dalam persamaan ini.
BAB III
METODOLOGI PERCOBAAN
3.1 Peralatan dan Benda Kerja
Adapun peralatan dan benda kerja yang digunakan dalam pengujian konveksi kali ini, yaitu:
1. Benda uji (elemen penghantar dan heater) 2. Multimeter
3. Voltage Regulator 4. Thermocontrol 5. Thermometer 6. Kipas
7. Sarung tangan
3.2 Instalasi Praktikum
Praktikum konveksi dilakukan dengan melakukan pemanasan melalui heater kepada elemen penghantar, kemudian mengamati pengaruh udara sekitar terhadap proses perpindahan panas secara konveksi, yang disertai dengan meningkatnya kecepatan udara dengan kipas. Skema instalasi peralatan konveksi dapat dilihat pada gambar di bawah ini:
Gambar 3.1 Instalasi Alat Uji Konveksi
Keterangan : 1. Benda uji 2. Amperemeter 3. Voltmeter
4. Voltage regulator 5. Kipas
6. Thermocontrol
3.3 Prosedur Pengujian
Adapun tahapan pengujian pada praktikum kali ini adalahsebagai berikut 3.3.1 Tahap Persiapan
a. Selalu dipergunakan sarung tangan sebagai perlengkapan dan tindakan keselamatan diri.
b. Sistem peralatan uji konveksi dipastikan telah terintegrasi dengan baik dan benar sesuai dengan skema peralatan.
c. Tegangan voltage regulator dipastikan pada nilai 0.
d. Volt dan set point thermocontrol dipastikan pada nilai 0°C.
e. Thermocouple referensi dipasang pada heater.
3.3.2 Tahap Pengambilan Data
a. Tegangan voltage regulator diatur pada nilai 175 volt.
b. Thermocontrol dinyalakan dengan menekan saklar tegangan thermocontrol pada posisi ON.
c. Set point thermocontrol diatur pada nilai 75°C.
d. Kipas dinyalakan pada kecepatan tingkat 1, dengan waktu tunggu minimum 5 menit setelah prosedur (c).
e. Pengambilan data dilakukan dengan variasi kecepatan kipas mulai tingkat 1 sampai 3. Waktu tunggu pengambilan data minimum 5 menit untuk tiap tingkat kecepatan kipas data yang diambil pada praktikum konveksi. Pengambilan data arus dapat dilihat pada voltmeter dan data
temperatur tiap titik dapat diketahui menggunakan infrared thermometer.
f. Lakukan prosedur pengambilan data langkah (e) dengan variasi nilai tegangan voltage regulator sebesar 200 dan 220 volt.
g. Setelah seluruh pengambilan data selesai, atur set point thermocontrol pada nilai 0° C kemudian matikan thermocontrol dengan menekan saklar tegangan thermocontrol pada posisi OFF.
h. Sistem peralatan uji konveksi dikembalikan dan dirapikan pada kondisi semula.
DAFTAR PUSTAKA
