Pembahasan untuk Variasi Nilai h

60 Gambar 5.16. Efektivitas Sirip dari Waktu ke Waktu dengan Variasi Nilai h, Bahan Aluminium murni Jenis Konveksi Bebas di Medium Air, T b =100°C, T i =T b , T ∞ =30°C Gambar 5.17.a. Efektivitas Sirip dari Waktu ke Waktu dengan Variasi Nilai h, Bahan Aluminium murni Jenis Konveksi Paksa di Medium Air, T b =100°C, T i =T b , T ∞ =30°C Gambar 5.17.b. Efektivitas Sirip dari Waktu ke Waktu dengan Variasi Nilai h, Bahan Aluminium murni Jenis Konveksi Paksa di Medium Air, T b =100°C, T i =T b , T ∞ =30°C untuk Nilai Efektivitas Sirip dari 1 − 5 dan Waktu 0 – 60 detik 3 4 5 6 7 8 9 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 E fek ti vit a s, ε waktu detik h=500 Wm². C h=600 Wm². C h=700 Wm². C h=800 Wm². C h=900 Wm². C 1 2.5 4 5.5 7 8.5 10 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 E fek ti vit a s, ε waktu detik h=1500 Wm². C h=2500 Wm². C h=3500 Wm². C h=4500 Wm². C h=5500 Wm². C 1 2 3 4 5 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 E fek ti vit a s, ε waktu detik h=1500 Wm². C h=2500 Wm². C h=3500 Wm². C h=4500 Wm². C h=5500 Wm². C 61 Grafik laju aliran kalor dari waktu ke waktu dengan variasi nilai h, bahan aluminium untuk 4 jenis perpindahan kalor konveksi ditampilkan pada Gambar 5.4 sampai Gambar 5.7.a. Untuk Gambar 5.7.b memperjelas pada Gambar 5.7.a dengan nilai laju aliran kalor dari 200 W sampai 1000 W dan waktu 0 – 60 detik. Tampak Gambar 5.4, besarnya nilai laju aliran kalor untuk semua nilai h dari waktu ke waktu cenderung tidak berubah cenderung tetap. Hal ini disebabkan karena untuk nilai h yang rendah, maka kecepatan fluida yang mengalir disekitar sirip rendah. Sehingga proses penurunan suhu pada sirip dari keadaan tak tunak ke tunak juga berlangsung sangat lambat dan distribusi cenderung merata serta penurunan suhu pada sirip rendah. Dengan menampilkan Gambar 5.8 untuk menunjukkan distribusi suhu pada sirip dengan bahan aluminium dan nilai h = 5 Wm².°C karena menghasilkan garis lurus pada Gambar 5.4. Untuk Gambar 5.5, sampai Gambar 5.7.a, besarnya nilai laju aliran kalor yang di lepas sirip dari waktu ke waktu untuk nilai h yang semakin tinggi, semakin besar. Hal ini dapat dimengerti karena nilai q berbanding lurus dengan nilai h. Untuk nilai h yang tinggi penurunan kalor dari kondisi mula-mula semakin besar, hal ini disebabkan karena kecepatan aliran udara yang terjadi juga semakin tinggi. Dengan kecepatan udara yang tinggi menyebabkan distribusi suhu sirip dari kondisi awal ke kondisi tunak semakin rendah atau penurunan suhu dari kondisi semula cukup tinggi. Karena q berbanding lurus dengan ΔT, jika ΔT rendah maka nilai q juga menjadi rendah. Dengan menampilkan Gambar 5.9 untuk menunjukkan distribusi suhu pada sirip dengan bahan aluminium dan nilai h=250 Wm².°C karena menghasilkan garis lengkung yang sangat besar pada Gambar 5.5. Grafik efisiensi sirip dari waktu ke waktu dengan variasi nilai h, bahan aluminium untuk 4 jenis perpindahan kalor konveksi ditampilkan pada Gambar 5.10 sampai 5.13.a. Untuk Gambar 5.13.b memperjelas pada Gambar 5.13.a dengan nilai efisiensi sirip dari 10 sampai 50 dan waktu 0 – 60 detik. Dari Gambar 5.10 sampai Gambar 5.13.a, besarnya efisiensi sirip dari waktu ke waktu untuk nilai h yang semakin tinggi, semakin kecil. Hal ini berbeda pengaruh dari nilai h untuk laju aliran kalor, karena efisiensi mendapat pengaruh dari beda suhu, antar terjadi suhu sirip dengan suhu fluida ΔT. Dimana pada nilai h yang terkecil 62 untuk setiap jenis perpindahan kalor konveksi, besar beda suhu yang masih besar antara suhu volume kontrol di seluruh sirip dengan suhu fluida di sekitar sirip. Hal ini menyebabkan nilai h terkecil menghasilkan efisiensi sirip yang terbesar. Grafik efektivitas sirip dari waktu ke waktu dengan variasi nilai h, bahan aluminium untuk 4 jenis perpindahan kalor konveksi ditampilkan pada Gambar 5.14 sampai Gambar 5.17.a. Untuk Gambar 5.17.b memperjelas pada Gambar 5.17.a dengan nilai efekivitas sirip dari 1 sampai 5 dan waktu 0 – 60 detik. Tampak pada Gambar 5.14 sampai Gambar 5.17.a, besarnya efektivitas sirip dari waktu ke waktu untuk nilai h yang semakin tinggi, semakin kecil. Hal ini berbeda pengaruh dari nilai h untuk laju aliran kalor tetapi sama dan sebanding dengan efisiensi sirip, karena efektivitas mendapat pengaruh dari beda suhu sirip dengan suhu fluida ΔT. Dimana pada nilai h yang terkecil untuk setiap jenis perpindahan kalor konveksi, besar beda suhu yang masih besar antara suhu volume kontrol di seluruh sirip dengan suhu fluida di sekitar sirip. Hal ini menyebabkan nilai h terkecil menghasilkan efektivitas sirip yang terbesar. 3.3.2. Pembahasan untuk Variasi Bahan Sirip Untuk variasi bahan sirip, dari hasil penelitian dapat diperoleh grafik laju aliran kalor, efisiensi sirip, dan efektivitas sirip dengan variasi bahan dengan nilai koefisiensi perpindahan kalor konveksi nilai h dari 4 jenis perpindahan kalor konveksi ditampilkan pada Gambar 5.18. hingga Gambar 5.29. Gambar 5.18. Laju Aliran Kalor dari Waktu ke Waktu dengan Variasi Bahan Sirip, Nilai h=5 Wm².°C Jenis Konveksi Bebas di Medium Udara, T b =100°C, T i =T b , T ∞ =30°C 3.05 3.1 3.15 3.2 3.25 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 L a ju Alira n K a lo r, q W waktu detik Besi murni Seng murni Wolfram Tungsten Aluminium murni Tembaga murni 63 Gambar 5.19. Laju Aliran Kalor dari Waktu ke Waktu dengan Variasi Bahan Sirip, Nilai h=50 Wm².°C Jenis Konveksi Paksa di Medium Udara, T b =100°C, T i =T b , T ∞ =30°C Gambar 5.20. Laju Aliran Kalor dari Waktu ke Waktu dengan Variasi Bahan Sirip, Nilai h=500 Wm².°C Jenis Konveksi Bebas di Medium Air, T b =100°C, T i =T b , T ∞ =30°C Gambar 5.21. Laju Aliran Kalor dari Waktu ke Waktu dengan Variasi Bahan Sirip, Nilai h=1500 Wm².°C Jenis Konveksi Paksa di Medium Air, T b =100°C, T i =T b , T ∞ =30°C 25 27 29 31 33 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 L a ju Alira n K a lo r, q W waktu detik Besi murni Seng murni Wolfram Tungsten Aluminium murni Tembaga murni 100 160 220 280 340 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 L a ju Alira n K a lo r, q W waktu detik Besi murni Seng murni Wolfram Tungsten Aluminium murni Tembaga murni 100 250 400 550 700 850 1000 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 L a ju Alira n K a lo r, q W waktu detik Besi murni Seng murni Wolfram Tungsten Aluminium murni Tembaga murni 64 Gambar 5.22. Efisiensi Sirip dari Waktu ke Waktu dengan Variasi Bahan Sirip, Nilai h=5 Wm².°C Jenis Konveksi Bebas di Medium Udara, T b =100°C, T i =T b , T ∞ =30°C Gambar 5.23. Efisiensi Sirip dari Waktu ke Waktu dengan Variasi Bahan Sirip, Nilai h=50 Wm².°C Jenis Konveksi Paksa di Medium Udara, T b =100°C, T i =T b , T ∞ =30°C Gambar 5.24. Efisiensi Sirip dari Waktu ke Waktu dengan Variasi Bahan Sirip, Nilai h=500 Wm².°C Jenis Konveksi Bebas di Medium Air, T b =100°C, T i =T b , T ∞ =30°C 97 97.6 98.2 98.8 99.4 100 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 E fis iens i, η waktu detik Besi murni Seng murni Wolfram Tungsten Aluminium murni Tembaga murni 80 85 90 95 100 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 E fis iens i, η waktu detik Besi murni Seng murni Wolfram Tungsten Aluminium murni Tembaga murni 30 44 58 72 86 100 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 E fis iens i, η waktu detik Besi murni Seng murni Wolfram Tungsten Aluminium murni Tembaga murni 65 Gambar 5.25. Efisiensi Sirip dari Waktu ke Waktu dengan Variasi Bahan Sirip, Nilai h=1500 Wm².°C Jenis Konveksi Paksa di Medium Air, T b =100°C, T i =T b , T ∞ =30°C Gambar 5.26. Efektivitas Sirip dari Waktu ke Waktu dengan Variasi Bahan Sirip, Nilai h=5 Wm².°C Jenis Konveksi Bebas di Medium Udara, T b =100°C, T i =T b , T ∞ =30°C Gambar 5.27. Efektivitas Sirip dari Waktu ke Waktu dengan Variasi Bahan Sirip, Nilai h=50 Wm².°C Jenis Konveksi Paksa di Medium Udara, T b =100°C, T i =T b , T ∞ =30°C 15 32 49 66 83 100 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 E fis iens i, η waktu detik Besi murni Seng murni Wolfram Tungsten Aluminium murni Tembaga murni 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 9 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 E fek ti vit a s, ε waktu detik Besi murni Seng murni Wolfram Tungsten Aluminium murni Tembaga murni 7 7.5 8 8.5 9 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 E fek ti vit a s, ε waktu detik Besi murni Seng murni Wolfram Tungsten Aluminium murni Tembaga murni 66 Gambar 5.28. Efektivitas Sirip dari Waktu ke Waktu dengan Variasi Bahan Sirip, Nilai h=500 Wm².°C Jenis Konveksi Bebas di Medium Air, T b =100°C, T i =T b , T ∞ =30°C Gambar 5.29. Efektivitas Sirip dari Waktu ke Waktu dengan Variasi Bahan Sirip, Nilai h=1500 Wm².°C Jenis Konveksi Paksa di Medium Air, T b =100°C, T i =T b , T ∞ =30°C Grafik laju aliran kalor dari waktu ke waktu dengan variasi bahan dan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi nilai h untuk 4 jenis perpindahan kalor konveksi ditampilkan pada Gambar 5.18 sampai Gambar 5.21. Besar laju aliran kalor mula-mula waktu 0 detik semua bahan uji adalah sama setiap jenis perpindahan kalor konveksi. Kemudian pada waktu ke waktu akan mengalami penurunan laju aliran kalor yang disebabkan oleh penurunan distribusi suhu setiap volume kontrol dimana dalam bahan uji mempunyai nilai sifat-sifat yang ditampilkan pada Tabel 5.13 terdapat nilai konduktivitas termal k, nilai kalor 3 4.5 6 7.5 9 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 E fek ti vit a s, ε waktu detik Besi murni Seng murni Wolfram Tungsten Aluminium murni Tembaga murni 1 3 5 7 9 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 E fek ti vit a s, ε waktu detik Besi murni Seng murni Wolfram Tungsten Aluminium murni Tembaga murni 67 jenis bahan c p , massa jenis bahan ρ, dan difusivitas termal α. Semakin besar nilai k belum tentu semakin besar pula nilai massa jenis bahan, tetapi untuk angka Biot semakin besar nilai k akan semakin kecil angka Biot pada masing bahan. Dari setiap jenis perpindahan kalor konveksi bahan tembaga murni menghasilkan laju aliran kalor pada waktu ke waktu yang paling besar daripada bahan uji lain disebabkan angka biot yang terkecil tetapi nilai difusivitas termal yang terbesar. Grafik efisiensi sirip dari waktu ke waktu dengan variasi bahan dan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi nilai h untuk 4 jenis perpindahan kalor konveksi ditampilkan pada Gambar 5.22. sampai Gambar 5.25. Besar efisiensi sirip mula-mula juga sama dengan besar laju aliran kalor mula-mula waktu 0 detik, besar efisiensi sirip mula-mula semua bahan uji adalah sama setiap jenis perpindahan kalor konveksi. Kemudian juga sama pada efisiensi sirip waktu ke waktu akan mengalami penurunan yang disebabkan oleh penurunan distribusi suhu setiap volume kontrol. Dengan pada 4 jenis perpindahan kalor konveksi dalam penelitian untuk bahan tembaga murni menghasilkan efisiensi sirip pada waktu ke waktu yang paling besar daripada bahan uji lain. Karena bahan tembaga murni juga menghasilkan efisiensi sirip terbesar juga sama untuk besar laju aliran kalor pada waktu ke waktu, maka efisiensi sirip sebanding dengan laju aliran kalor untuk variasi bahan uji. Grafik efektivitas sirip dari waktu ke waktu dengan variasi bahan dan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi nilai h untuk 4 jenis perpindahan kalor konveksi ditampilkan pada Gambar 5.26 sampai Gambar 5.29. Besar efektivtas sirip mula-mula juga sama dengan besar efisiensi sirip dan laju aliran kalor mula- mula waktu 0 detik, besar efektivitas sirip mula-mula pada semua bahan uji adalah sama setiap jenis perpindahan kalor konveksi. Besar efektivitas sirip pada waktu ke waktu juga mengalami penurunan dikarenakan oleh penurunan distribusi suhu setiap volume kontrol. Efektivitas sirip juga sebanding dengan efisiensi sirip dikarenakan pada 4 jenis perpindahan kalor konveksi dalam penelitian untuk bahan tembaga murni menghasilkan efektivtas sirip pada waktu ke waktu yang paling besar daripada bahan uji lain. 68

5.3.3. Waktu Mencapai Keadaan Tunak untuk Setiap Variasi

Waktu mencapai keadaan tunak pada distribusi suhu ditetapkan pada setiap angka suhu dibulatkan 4 angka dibelakang koma. Untuk variasi nilai koefisien perpindahan kalor konveksi nilai h, waktu mencapai keadaan tunak dengan variasi nilai h dari 4 jenis perpindahan kalor konveksi dan dengan bahan Aluminium murni. Untuk variasi bahan sirip, waktu mencapai keadaan tunak dengan variasi bahan dan nilai h dari 4 jenis perpindahan kalor konveksi, semua grafik ditampilkan pada Gambar 5.30 hingga Gambar 5.37. Gambar 5.30. Waktu Mencapai Keadaan Tunak dengan Variasi Nilai h, Bahan Aluminium murni Jenis Konveksi Bebas di Medium Udara Gambar 5.31. Waktu Mencapai Keadaan Tunak dengan Variasi Nilai h, Bahan Aluminium murni Jenis Konveksi Paksa di Medium Udara 475,1 446,5 415,82 411,9 409,46 360 380 400 420 440 460 480 500 h=5 Wm². C h=10 Wm². C h=15 Wm². C h=20 Wm². C h=25 Wm². C w a k tu det ik Nilai koefisien perpindahan kalor konveksi nilai h 376,92 351,38 346,82 316,46 296,52 200 225 250 275 300 325 350 375 400 h=50 Wm². C h=100 Wm². C h=150 Wm². C h=200 Wm². C h=250 Wm². C w a k tu det ik Nilai koefisien perpindahan kalor konveksi nilai h 69 Gambar 5.32. Waktu Mencapai Keadaan Tunak dengan Variasi Nilai h, Bahan Aluminium murni Jenis Konveksi Bebas di Medium Air Gambar 5.33. Waktu Mencapai Keadaan Tunak dengan Variasi Nilai h, Bahan Aluminium murni Jenis Konveksi Paksa di Medium Air Gambar 5.34. Waktu Mencapai Keadaan Tunak dengan Variasi Bahan Sirip, Nilai h=5 Wm².°C Jenis Konveksi Bebas di Medium Udara 250,38 218,26 182,38 166,42 159,92 50 100 150 200 250 300 h=500 Wm². C h=600 Wm². C h=700 Wm². C h=800 Wm². C h=900 Wm². C w a k tu det ik Nilai koefisien perpindahan kalor konveksi h nilai h 120,04 98,96 74,52 53,18 42,72 20 40 60 80 100 120 140 h=1500 Wm². C h=2500 Wm². C h=3500 Wm². C h=4500 Wm². C h=5500 Wm². C w a k tu det ik Nilai koefisien perpindahan kalor konveksi nilai h 1468,71 878,28 517,5 475,1 299,39 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Besi murni Seng murni Wolfram Tungsten Aluminium murni Tembaga murni w a k tu det ik Bahan 70 Gambar 5.35. Waktu Mencapai Keadaan Tunak dengan Variasi Bahan Sirip, Nilai h=50 Wm².°C Jenis Konveksi Paksa di Medium Udara Gambar 5.36. Waktu Mencapai Keadaan Tunak dengan Variasi Bahan Sirip, Nilai h=500 Wm².°C Jenis Konveksi Bebas di Medium Air Gambar 5.37. Waktu Mencapai Keadaan Tunak dengan Variasi Bahan Sirip, Nilai h=1500 Wm².°C Jenis Konveksi Paksa di Medium Air 1464,93 757,84 475,29 376,92 279,92 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Besi murni Seng murni Wolfram Tungsten Aluminium murni Tembaga murni w a k tu det ik Bahan 495,36 329,08 310,38 250,38 246,49 100 200 300 400 500 600 Besi murni Seng murni Wolfram Tungsten Aluminium murni Tembaga murni w a k tu d et ik Bahan 239,93 204,21 181,04 156,11 141,55 50 100 150 200 250 300 Besi murni Seng murni Wolfram Tungsten Aluminium murni Tembaga murni w a k tu de tik Bahan 71 Pada Gambar 5.30, waktu mencapai keadaan tunak dengan variasi nilai h, bahan aluminium jenis konveksi bebas di medium udara. Waktu terkecil sebesar 409,46 detik, pada nilai h = 25 Wm².°C dan waktu terbesar sebesar 475,1 detik, pada nilai h = 5 Wm².°C. Untuk Gambar 5.31, waktu mencapai keadaan tunak dengan variasi nilai h, bahan aluminium jenis konveksi paksa di medium udara. Waktu terkecil sebesar 296,52 detik, pada nilai h = 250 Wm².°C dan waktu terbesar sebesar 376,92 detik, pada nilai h = 50 Wm².°C. Untuk Gambar 5.32, waktu mencapai keadaan tunak dengan variasi nilai h, bahan aluminium jenis konveksi bebas di medium air. Waktu terkecil sebesar 159,92 detik, pada nilai h = 900 Wm².°C dan waktu terbesar sebesar 250,38 detik, pada nilai h = 500 Wm².°C. Untuk Gambar 5.33, waktu mencapai keadaan tunak dengan variasi nilai h, bahan aluminium jenis konveksi paksa di medium air. Waktu terkecil sebesar 42,72 detik, pada nilai h = 5500 Wm².°C dan waktu terbesar sebesar 120,04 detik, pada nilai h = 1500 Wm².°C. Maka semakin kecil nilai h semakin banyak waktu untuk mencapai keadaan tunak, sedangkan semakin besar nilai h semakin sedikit waktu. Pada Gambar 5.34, waktu mencapai keadaan tunak dengan variasi bahan, nilai h=5 Wm².°C jenis konveksi bebas di medium udara. Waktu terkecil sebesar 201,19 detik, pada bahan tembaga murni dan waktu terbesar sebesar 1468,71 detik, pada bahan besi murni. Untuk Gambar 5.35, waktu mencapai keadaan tunak dengan variasi bahan, nilai h=50 Wm².°C jenis konveksi paksa di medium udara. Waktu terkecil sebesar 200,1 detik, pada bahan tembaga murni dan waktu terbesar sebesar 1464,93 detik, pada bahan besi murni. Untuk Gambar 5.36, waktu mencapai keadaan tunak dengan variasi bahan, nilai h=500 Wm².°C jenis konveksi bebas di medium air. Waktu terkecil sebesar 178,16 detik, pada bahan tembaga murni dan waktu terbesar sebesar 495,36 detik, pada bahan besi murni. Untuk Gambar 5.37, waktu mencapai keadaan tunak dengan variasi bahan, nilai h=500 Wm².°C jenis konveksi bebas di medium air. Waktu terkecil sebesar 178,16 detik, pada bahan tembaga murni dan waktu terbesar sebesar 495,36 detik, pada bahan besi murni. Maka bahan uji yang memerlukan waktu 72 terbanyak untuk mencapai keadaan tunak pada setiap perpindahan kalor konveksi ialah besi murni sedangkan bahan uji tembaga murni memerlukan waktu paling sedikit cepat mencapai keadaan tunak.

5.3.4. Hubungan antara ξ dengan Efisiensi Sirip pada Keadaan Tunak

Dari penelitian dapat diperoleh hubungan antara ξ dengan nilai efisiensi sirip pada keadaan telah tunak stabil. Nilai ξ dari Cengel 1998 untuk sirip dengan penampang lingkaran dapat ditulis seperti pada Persamaan 5.1. ………..……………………………………….5.1 Pada Persamaan 5.1 : L = panjang sirip, m D = diameter sirip dengan penampang lingkaran, m h = koefisien perpindahan kalor konveksi, Wm².°C k = konduktivitas termal bahan, Wm.°C Untuk penampang segienam nilai D dapat didekati dengan D pengganti . Jika luas penampang lingkaran disamadengankan luas penampang segienam seperti pada Persamaan 5.3, maka dihasilkan persamaan untuk mencari nilai D pengganti dari luas penampang lingkaran. ……………………………………………….5.2 Pada Persamaan 5.2 : = sisi penampang rata-rata pada sirip segienam, m = sisi penampang pada dasar sirip segienam, m = sisi penampang pada ujung sirip segienam, m ..............................................................................5.3 73 atau dapat dinyatakan : ………………………..…..………………5.4 Jika pada penelitian sirip yang diubah pada nilai h, sedangkan nilai k, dan L tetap. Maka Persamaan 5.4 disubstitusikan ke dalam Persamaan 5.1 menjadi Persamaan 5.5. …………....…………………………………….…..5.5 Hasil perhitungan nilai h dari nilai ξ dengan Persamaan 5.5 dan efisiensi sirip keadaan telah tunak yang didapat ditampilkan pada Tabel 5.26. Tabel 5.26. Hasil Perhitungan Nilai h untuk Nilai ξ, dan Nilai Efisiensi Sirip Keadaan Telah Tunak No. h Wm².°C ξ 1 0,010 0,00 100 2 15,242 0,25 97,459 3 60,968 0,50 90,748 4 137,179 0,75 81,877 5 243,873 1,00 72,682 6 381,052 1,25 64,235 7 548,714 1,50 56,927 8 746,861 1,75 50,772 9 975,492 2,00 45,632 10 1234,607 2,25 41,332 11 1524,206 2,50 37,710 12 1844,290 2,75 34,632 13 2194,857 3,00 31,993 14 2575,909 3,25 29,708 15 2987,444 3,50 27,713 16 3429,464 3,75 25,957 17 3901,968 4,00 24,400