Uji Eksperimental Optimasi Perpindahan Kalor Dan Penurunan Tekanan Akibat Pengaruh Laju Aliran Air Pada Alat Penukar Kalor Jenis Radiator

UJI EKSPERIMENTAL OPTIMASI LAJU PERPINDAHAN

KALOR DAN PENURUNAN TEKANAN AKIBAT PENGARUH

LAJU ALIRAN AIR PADA ALAT PENUKAR KALOR JENIS

RADIATOR FLAT TUBE

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

IMMANUEL I. J. SIAHAAN NIM. 06 0401 019

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “UJI EKSPERIMENTAL OPTIMASI PERPINDAHAN KALOR DAN

PENURUNAN TEKANAN AKIBAT PENGARUH LAJU ALIRAN AIR PADA ALAT PENUKAR KALOR JENIS RADIATOR”.

Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mencapai derajat Sarjana S-1 pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel Hasiholan Napitupulu, DEA, selaku Dosen

pembimbing, yang selalu memberikan bimbingan dan motivasi sehingga penelitian ini dapat selesai.

2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc. Selaku Dosen Penguji I yang akan memberikan bimbingan untuk perbaikan skripsi ini.

3. Bapak Tulus B Sitorus, ST. MT selaku Dosen Penguji II yang akan memberikan bimbingan untuk perbaikan skripsi ini.

4. Bapak Dr-Ing. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membantu segala keperluan yang diperlukan selama penulis kuliah.

6. Staf Laboratorium Prestasi Mesin, Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara, yang telah membantu pelaksanaan pengujian alat.

7. Kedua orang tua saya Drs. M.D.Siahaan dan Dra. A.L.Manalu yang selalu memberikan dukungan moril dan materiil serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada saya.

8. Saudara saya Franz E.T. Siahaan, S.Th, Laura J. Siahaan, AMK, dan Michael S. Siahaan, AMd yang telah memberikan dukungan moral dan materiil dalam penyelesian penelitian ini

9. Bapak Ir. J. Nadeak yang telah membantu dalam penyelesaian penelitian ini. 10.Seluruh rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah memberikan bantuannya

sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dan seluruh pihak yang telah membantu selama penulis kuliah dan menyelesaikan skripsi ini.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, maka dari itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran bersifat membangun untuk perbaikan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca. Tuhan memberkati.

Medan, Agustus 2011 Penulis,

Immanuel I. J. Siahaan NIM 060401019

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

DAFTAR ISI ... iii

DAFTAR SIMBOL ... v

DAFTAR GAMBAR ... vi

DAFTAR TABEL ... ix

ABSTRAK ... xi

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1.Latar Belakang ... 1

1.2. Batasan Masalah ... 4

1.3.Tujuan Penelitian ... 5

1.4.Manfaat Penelitian ... 5

1.5.Metode Pengumpulan Data ... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 7

2.1Perpindahan Panas ... 7

2.2 Alat Penukar Kalor Kompak ... 10

2.3 Radiator ... 14

2.3.1. Tutup Radiator ... 15

2.3.3. Tangki Bawah ... 16

2.3.4. Inti Radiator ... 16

2.3.4.1. Pipa (tube) radiator ... 17

2.3.4.2. Sirip (fin) radiator ... 18

2.4 Landasan Teori ... 19

2.5 Efektivitas Alat Penukar Kalor ... 35

2.6 Penurunan Tekanan ... 37

BAB III METODE PENELITIAN ... 38

3.1. Metode Pelaksanaan Penelitian ... 38

3.2. Tempat Penelitian ... 39

3.3. Bahan dan Alat ... 39

3.4. Dimensi Utama Penelitian... 46

3.5. Pelaksanaan Penelitian ... 48

3.6. Analasi Data ... 49

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 50

4.1. Data Hasil Penelitian ... 50

4.2. Pengolahan Data ... 43

4.4. Perhitungan Teoritis ... 65

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 74

5.1. Kesimpulan ... 74

5.2. Saran ... 75

DAFTAR SIMBOL

q = laju perpindahan panas (W) h

m = laju aliran massa fluida panas (kg/s) c

m = laju aliran massa fluida dingin (kg/s) ph

c = panas jenis fluida panas (J/kgoC) pc

c = panas jenis fluida dingin (J/kgoC) co

T = temperatur fluida dingin keluar (oC) ci

T = temperatur fluida dingin masuk (oC) ho

T = temperatur fluida panas keluar (oC) hi

T = temperatur fluida panas masuk (oC)

A_c = luas permukaan sisi dingin yang mengalami perpindahan panas (m2) Afr,c = area frontal fluida dingin (m2)

Ao,c = area bebas alir fluida dingin (m2)

c

T = temperatur rata-rata fluida dingin (oC) c

h = koefisien pindahan panas pada sisi tabung (W/m2.K)

h

T = temperatur rata-rata fluida panas (oC)

Ah = luas permukaan sisi panas yang mengalami perpindahan panas (m2)

Afr,h = area frontal fluida panas (m2)

Ao,h = area bebas alir fluida panas (m2)

h

h = koefisien pindahan panas pada sisi air (W/m2.K) hc = koefisien pindahan panas pada sisi udara (W/m2.K)

ε = efektifitas APK (%) Q = debit aliran air (m3/s)

ρ = massa jenis fluida (kg/m3) L1 = panjang pipa (m)

δt = tebal pipa (m)

lt,i = lebar pipa sisi dalam (m)

tt,i = tebal pipa sisi dalam (m)

lt,o = lebar pipa sisi luar (m)

tt,o = tebal pipa sisi luar (m)

Pt = jarak antar pipa dari sisi transversal (m)

Pl = jarak antar pipa dari sisi longitudinal (m)

Pf = jarak antar puncak sirip (m)

NP,f = jumlah puncak sirip/baris

Nf = jumlah baris sirip

Nl,f = jumlah kolom sirip

lt,o = lebar sirip (m)

kf = material sirip (W/m.K)

L2 = tebal radiator (m)

L3 = lebar radiator (m)

Dh,c = diameter hidrolik udara (m)

Dh,h = diameter hidrolik air (m)

St = bilangan stanton

m = parameter efektivitas sirip (m-1) l = setengah jarak antar pipa (m)

ε = emisivitas ;sifat radiasi pada permukaan A = luas permukaan (m2)

σ = konstanta Stefan-Boltzman (5,67.108 W/m2.K4) T = temperatur absolute permukaan (K4)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Perpindahan panas konduski dari udara hangat ke kaleng minuman

dingin melalui dinding aluminum kaleng ...8

Gambar 2.2 Perpindahan panas dari plat panas...8

Gambar 2.3 Perpindahan panas secara radiasi...9

Gambar 2.4 Susunan pelat-sirip...11

Gambar 2.5 Jenis-jenis sirip ...12

Gambar 2.6 Sirip kontinyu pada susunan pipa bulat dan plat...13

Gambar 2.7 Pipa tunggal bersirip...13

Gambar 2.8 Pipa tunggal dengan sirip longitudinal...14

Gambar 2.9 Konstruksi Radiator ...14

Gambar 2.10 Tutup radiator (a) relief valve, dan (b) vacuum valve...15

Gambar 2.11 Tangki atas radiator...16

Gambar 2.12 Tangki bawah radiator ...16

Gambar 2.13 Inti radiator dengan karakteristik flat tube dan arah aliran kedua fluida...17

Gambar 2.14 flat tube susunan segiempat...18

Gambar 2.15 Sirip (fin)...18

Gambar 2.16 Pipa bersirip kontinyu ...20

Gambar 2.17 Area bebas alir udara ...21

Gambar 2.19 Bilangan Nusselt untuk aliran laminar pada pipa persegi dengan profil

temperatur dan kecepatan berkembang penuh... 32

Gambar 2.20 Faktor gesekan untuk aliran laminar berkembang penuh di dalam pipa persegi...32

Gambar 2.21 Keefektifan pada sirip lurus dan lingkaran...35

Gambar 3.1 Radiator ...39

Gambar 3.2 Flow meter ...40

Gambar 3.3 Termokopel...41

Gambar 3.4 Anemometer ...41

Gambar 3.5 Pompa Sirkulasi...42

Gambar 3.6 Termo Resistance...42

Gambar 3.7 Panel indikator temperatur...43

Gambar 3.8 Jarum termokopel...43

Gambar 3.9 Tangki Pemanas...44

Gambar 3.10 Pemanas air 5000 W...44

Gambar 3.11 Katup Kontrol...44

Gambar 3.12 Regulator...45

Gambar 3.13 Motor Listrik...45

Gambar 3.14 Kipas (fan)...46

Gambar 3.15 Skema pemasangan alat uji penelitian...47

Gambar 4.1 Distribusi temperature radiator ...55

Gambar 4.2 Grafik hubungan laju aliran air masuk radiator (Q) terhadap perpindahan panas menyeluruh sisi panas (Uh)...61

Gambar 4.3 Grafik hubungan laju aliran air masuk radiator (Q) terhadap

perpindahan panas menyeluruh sisi panas (Uc)...62

Gambar 4.4 Grafik hubungan laju aliran air masuk radiator (Q) terhadap temperature air keluar radiator (Tho)...63

Gambar 4.5 Grafik hubungan laju aliran air masuk radiator (v) terhadap penurunan tekanan udara melalui radiator (ΔPudara)...64

Gambar 4.6 Grafik hubungan laju aliran air masuk radiator (m/s) terhadap efektivitas radiator...64

Gambar 4.7 Distribusi temperatur radiator...65

Gambar 4.8 Grafik laju aliran air terhadap temperatur air keluar radiator...73

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Data perpindahan panas dan faktor gesekan sesuai karakteristik sirip..22

Tabel 3.1 Alat penukar kalor kompak ...41

Tabel 3.2 Analisa data ………...43

Tabel 4.1 Data pengujian untuk kecepatan aliran air 1 gallon/menit...45

Tabel 4.2 Data pengujian untuk kecepatan aliran air 2 gallon/menit...45

Tabel 4.3 Data pengujian untuk kecepatan aliran air 3 gallon/menit...45

Tabel 4.4 Data pengujian untuk kecepatan aliran air 4 gallon/menit...46

Tabel 4.5 Data pengujian untuk kecepatan aliran air 5 gallon/menit...46

Tabel 4.6 Data pengujian untuk kecepatan aliran air 6 gallon/menit...46

Tabel 4.7 Data pengujian untuk kecepatan aliran air 7 gallon/menit...46

Tabel 4.8 Data pengujian untuk kecepatan aliran air 8 gallon/menit...47

Tabel 4.9 Data pengujian untuk kecepatan aliran air 9 gallon/menit...47

Tabel 4.10 Data pengujian untuk kecepatan aliran air 10 gallon/menit...47

Tabel 4.11 Data pengujian untuk kecepatan aliran air 11 gallon/menit...47

Tabel 4.12 Sifat udara pada T_c = 305,665 K ...51

Tabel 4.13 Sifat air pada T_h = 346,915 K ...……...51

Tabel 4.14 Karakteristik sirip 14.77 ...…….52

Tabel 4.15 Hasil perhitungan pada setiap variasi bebit air...55

Tabel 4.16 Sifat udara pada T_c = 305,5 K ………...…...60

Tabel 4.17 Sifat air pada T_h = 346,5 K...60

Tabel 4.18 Karakteristik sirip 14.77………...61

Tabel 4.19 Iterasi untuk memperoleh temperatur fluida keluar pada kondisi debit air 1 gpm...64

Tabel 4.20 Hasil perhitungan teoritis...…….66 Tabel 4.21 Perbandingan temperatur kedua fluida antara eksperimental dan teoritis………....66 Tabel 5.1 Koefisien perpindahan panas menyeluruh, efektivitas dan penurunan

ABSTRAK

Pendinginan merupakan system pendukung pada suatu mesin yang bekerja dan beroperasi. Keberadaan system pendingin akan begitu dirasakan terutama pada mesin-mesin dengan kapasitas besar. Pada mesin yang menggunakan system pendinginan air (water cooling system) terdapat dua rangkaian kerja yaitu aliran air yang mengambil panas dari mesin (cooling effect) dan udara yang mendinginkan air pada radiator (heating effect). Kedua fluida kerja tersebut merupakan aspek utama dalam pendinginan.

Obyek penelitian ialah seperangkat alat uji berupa radiator flat tube yang terdiri dari beberapa komponen dan alat ukur yang terintegrasi dan merupakan hasil rakitan penyusun. Desain penelitian yang digunakan ialah eksperimen , dengan cara memanipulasi suatu variabel tertentu untuk melihat efek yang terjadi akibat pengaruh laju aliran udara. Variabel bebas ialah laju aliran udara (6,309.10-5, 12,618.10-5, 18,927.10-5, 25,236.10-5, 31,545.10-5, 37,854.10-5, 44,163.10-5, 50,448.10-5, 56,781.10-5, 63,09.10-5, 69,399.10-5) m3/s dan kecepatan aliran udara pada kondisi 5 m/s.

Berdasarkan analisa data dan pembahasan unjuk kerja alat penukar kalor jenis radiator flat tube yang optimum terjadi pada kondisi debit aliran air 44,163.10-5 m3/s dimana kondisi kecepatan udara pada kecepatan 5 m/s.

ABSTRAK

Pendinginan merupakan system pendukung pada suatu mesin yang bekerja dan beroperasi. Keberadaan system pendingin akan begitu dirasakan terutama pada mesin-mesin dengan kapasitas besar. Pada mesin yang menggunakan system pendinginan air (water cooling system) terdapat dua rangkaian kerja yaitu aliran air yang mengambil panas dari mesin (cooling effect) dan udara yang mendinginkan air pada radiator (heating effect). Kedua fluida kerja tersebut merupakan aspek utama dalam pendinginan.

Obyek penelitian ialah seperangkat alat uji berupa radiator flat tube yang terdiri dari beberapa komponen dan alat ukur yang terintegrasi dan merupakan hasil rakitan penyusun. Desain penelitian yang digunakan ialah eksperimen , dengan cara memanipulasi suatu variabel tertentu untuk melihat efek yang terjadi akibat pengaruh laju aliran udara. Variabel bebas ialah laju aliran udara (6,309.10-5, 12,618.10-5, 18,927.10-5, 25,236.10-5, 31,545.10-5, 37,854.10-5, 44,163.10-5, 50,448.10-5, 56,781.10-5, 63,09.10-5, 69,399.10-5) m3/s dan kecepatan aliran udara pada kondisi 5 m/s.

Berdasarkan analisa data dan pembahasan unjuk kerja alat penukar kalor jenis radiator flat tube yang optimum terjadi pada kondisi debit aliran air 44,163.10-5 m3/s dimana kondisi kecepatan udara pada kecepatan 5 m/s.

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kemajuan teknologi bidang otomotif berkembang sangat pesat mendorong manusia untuk selalu mempelajari ilmu pengetahuan dan teknologi. Dalam dunia otomotif khususnya pada mesin motor bakar dikenal berbagai macam sistem yang bekerja. Sistem-sistem tersebut bekerja saling berkaitan antara satu dengan yang lainnya, sehingga apabila salah satu dari sistem tersebut mengalami kerusakan, maka mesin mobil akan mengalami kerusakan.

Mesin dapat digambarkan secara sederhana sebagai sebuah sistem yang terdiri dari beberapa sistem pendukung yang bekerja secara simultan dan terintegrasi. Suatu mesin didalamnya terdapat beberapa sistem pendukung yang bekerja sekaligus. Sistem–sistem tersebut antara lain :

1. Sistem kelistrikan 2. Sistem bahan bakar 3. Sistem pelumasan 4. Sistem pendinginan

Sistem–sistem tersebut melakukan kerja secara bersamaan sehingga menghasilkan kerja mesin yang merupakan output dari mesin itu sendiri. Sistem pelumasan dan pendinginan merupakan sistem pendukung dari kerja mesin. Kedua sistem ini bukanlah sistem utama yang menjadi dasar suatu mesin (engine) untuk melakukan kerja dan usaha, namun demikian kedua sistem ini mempunyai fungsi yang sangat vital. Sistem ini secara garis besar sebagai pelindung kerja mesin,

sehingga kinerjanya dapat dipertahankan dalam jangka waktu yang relative lebih lama.

Sistem pelumasan merupakan sistem yang berfungsi sebagai media pelumasan bagian–bagian mesin (engine) yang bergerak sebagai pendukung kerja. Mesin akan dapat bekerja apabila komponen–komponen pendukung didalamnya bergerak (moving part). Gerakan–gerakan komponen tersebut menghasilkan gesekan yang pada akhirnya menimbulkan keausan pada komponen–komponen mesin. Keausan tersebut pada akhirnya mengurangi kinerja mesin.

Sistem pendingin pada mobil berfungsi untuk menurunkan temperature pada mesin yang terjadi akibat pembakaran dari ruang bakar. Proses pembakaran selanjutnya akan menghasilkan tenaga mekanis yang kemudian akan menggerakkan mesin. Akibat lain dari proses pembakaran adalah adanya panas yang apabila tidak didinginkan akan merusak komponen dari mesin itu sendiri. Sistem pendinginan

(cooling sistem) adalah suatu rangkaian untuk mengatasi terjadinya over heating

pada mesin agar mesin dapat bekerja secara optimal.

Sistem pendinginan berfungsi sebagai absorber panas yang dihasilkan oleh mesin yang berasal dari proses pembakaran dalam silinder, panas ini tentunya sangat mengganggu jika dibiarkan begitu saja karena akan menimbulkan over heating, hal tersebut menjadi suatu perhatian karena temperatur yang berlebihan akan cenderung merubah sifat-sifat serta bentuk dari komponen mesin tersebut. Bila sifat serta bentuk komponen telah berubah dipastikan kinerja mesin akan terganggu sehingga kinerja mesin tidak akan bekerja secara maksimal, yang pada giliranya usia mesin tidak akan lama.

Sistem pendinginan pada mesin berfungsi sebagai pelindung mesin dengan cara menyerap panas. Panas mesin dihasilkan dari pembakaran bahan bakar dalam silinder. Panas tersebut merupakan suatu hal yang sengaja diciptakan untuk menghasilkan tenaga, namun jika dibiarkan akan menimbulkan panas yang berlebihan (over heating effect). Panas yang berlebihan itu menjadi penyebab berubahnya sifat–sifat mekanis serta bentuk dari komponen mesin. Sifat serta komponen mesin bila telah berubah akan menyebabkan kinerja mesin terganggu dan mengurangi usia mesin [1].

Selain pendinginan yang disebabkan oleh minyak pelumas ada dua lagi fluida yang berperan penting dalam mendinginkan mesin yaitu udara dan air. Sering dikenal sebagai :

1. Sistem pendinginan udara

Pada sistem ini panas yang dihasilkan dari pembakaran gas dalam silinder dirambatkan keluar. Proses perambatannya menggunakan sirip– sirip yang dipasangkan dibagian luar dari silinder dan ruang bakar. Panas tersebut selanjutnya diserap udara luar yang bersirkulasi dengan temperatur yang lebih rendah dari temperatur sirip pendingin. Udara yang menyerap panas dari sirip-sirip pendingin harus berbentuk aliran atau dengan kata lain udaranya harus mengalir agar temperatur udara sekitar sirip tetap rendah sehingga penyerapan panas berlangsung sempurna [2].

2. Sistem pendinginan air

Pada sistem ini panas dari pembakaran gas dalam silinder sebagian diserap oleh air pendingin. Secara prinsip dapat dikatakan bahwa sistem

ini bekerja berdasarkan prinsip pertukaran panas. Panas hasil pembakaran akan diserap oleh air pendingin yang bersirkulasi. Air pendingin tersebut kemudian didinginkan oleh udara luar yang bertekanan yang dihembuskan oleh blower radiator.

Proses pelepasan panas ke udara sekitar, terjadi melalui kontak langsung antara udara dengan pipa yang dilengkapi dengan perangkat sirip setelah pipa tersebut menerima panas dari air yang sebelumnya membawa panas dari proses pembakaran yang terjadi diruang bakar. Dimana proses pelepasan kalor ini terjadi melalui sebuah alat penukar kalor yang sering disebut dengan radiator.

1.2 Batasan Masalah

Batasan masalah dalam penelitian ini yaitu pengujian dilakukan dengan rencana awal data yang ditetapkan sebagai berikut:

1. Radiator yang digunakan adalah radiator kijang 4-K

2. Laju aliran air yang mengalir di dalam pipa radiator divariasikan dengan 11 kecepatan, yaitu pada kecepatan 6,309.10-5 m3/s, 12,618. 10-5 m3/s, 18,927. 10-5 m3/s, 25,236. 10-5 m3/s, 31,545. 10-5 m3/s, 37,854. 10-5 m3/s, 44,163. 10-5 m3/s, 50,448. 10-5 m3/s, 56,781. 10-5 m3/s, 63,09. 10-5 m3/s, dan 69,399. 10-5 m3/s. Temperatur air memasuki pipa radiator sebesar 80 0C. 3. Udara mengalir tegak lurus terhadap pipa radiator pada kecepatan 5 m/s.

1.3 Tujuan Penelitian

Penelitian ini bertujuan untuk :

1. Mengetahui pengaruh laju aliran air yang masuk kedalam radiator motor bakar yang digerakkan oleh pompa sirkulasi terhadap efektivitas radiator dan penurunan tekanan.

2. Menentukan debit aliran air yang optimal terhadap penurunan temperatur dan tekanan pada radiator motor bakar

3. Membandingkan temperatur keluar, perpindahan panas menyeluruh, dan penurunan tekanan dari kedua fluida secara eksperimen dan teoritis.

1.4 Manfaat Penelitian

1. Menghasilkan informasi dalam menentukan debit air yang optimal untuk mendinginkan air yang melalui radiator pada kecepatan udara 5 m/s.

2. Sebagai penerapan dan pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi di bidang alat penukar kalor kompak

3. Sebagai pengembangan wawasan penelitian secara eksperimental pada Laboratorium Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

1.5. Metode Pengumpulan Data

Adapun metode pengumpulan data dalam tugas akhir ini, dilakukan dengan cara :

1. Studi Lapangan, dimana penulis melakukan pengamatan langsung dari alat penukar kalor kompak pada Laboratorium Perpindahan Panas Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

2. Study Literatur, dimana penulis melakukan penelaahan dari buku-buku yang berhubungan dengan permasalahan yang dibahas dalam skripsi ini.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Perpindahan panas

Perpindahan panas adalah perpindahan energi karena adanya perbedaan temperatur. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

2.1.1. Konduksi

Konduksi merupakan perpindahan panas dari tempat yang bertemperatur tinggi ke tempat yang bertemperatur rendah di dalam medium yang bersinggungan langsung. Jika pada suatu benda terdapat gradien suhu, maka akan terjadi perpindahan panas serta energi dari bagian yang bersuhu tinggi ke bagian yang bersuhu rendah, sehingga dapat dikatakan bahwa energi akan berpindah secara konduksi, laju perpindahan kalornya dinyatakan sebagai [3] :

q= -k.A.∂T

∂x ( 2.1)

Dimana : q = laju perpindahan kalor (W) ⁄ = gradien suhu perpindahan kalor

k = konduktifitas thermal bahan (W/m.K) A = luas bidang perpindahan kalor (m2)

Gambar 2.1. Perpindahan panas konduski dari udara hangat ke kaleng minuman dingin melalui dinding aluminum kaleng[4].

2.1.2. Konveksi

Konveksi merupakan perpindahan panas antara permukaan solid dan berdekatan dengan fluida yang bergerak atau mengalir dan itu melibatkan pengaruh konduksi dan aliran fluida.

Gambar 2.2. Perpindahan panas dari plat panas[5].

Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa kecepatan fluida yang mengalir di permukan plat panas mempengaruhi temperatur disekitar permukaan plat tersebut. Laju perpindahan kalor secara konveksi dapat dinyatakan sebagai [6] :

q= h.A( Ts-T∞) ( 2.1)

Dimana : h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K) A = luas penampang (m2)

Ts = temperatur plat (K)

T_ɷ = temperatur fluida yang mengalir dekat permukaan (K) 2.1.3. Radiasi

Radiasi, merupakan perpindahan energi karena emisi gelombang elektromagnet (atau photons)

Gambar 2.3. Perpindahan panas secara radiasi [7].

Holman [8] menjabarkan laju perpindahan kalor secara radiasi dapat dinyatakan sebagai :

q= ε . A . σ( Ts4-Tsur4 ) ( 2.1)

Dimana : ε = emisivitas ;sifat radiasi pada permukaan A = luas permukaan (m2)

σ = konstanta Stefan-Boltzman (5,67.108 W/m2.K4) T = temperatur absolute permukaan (K4)

2.2. Alat Penukar Kalor Kompak

Secara bebas dapat diartikan, alat penukar kalor kompak merupakan salah satu yang tergabung dalam alat penukar kalor yang memiliki bidang perpindahan panas dengan kerapatan tinggi. Kerapatan tinggi yang dimaksud adalah rasio antara luas permukaan bidang yang mengalami perpindahan panas terhadap volume alat penukar kalor. Namun hal tersebut bukan berarti alat penukar kalor kompak harus selalu memiliki dimensi dan massa yang kecil. Dengan pengartian yang sama, juga dapat

ditetapkan kerapatan permukaan alat penukar kalor kompak (β) lebih besar dari 700

m2/m3 [9].

Seperti yang disebutkan sebelumnya, penukar kalor kompak yang menggunakan udara sebagai fluida kerjanya membutuhkan luas permukaan yang lebih besar dari pada alat penukar kalor kompak yang menggunakan cairan sebagai fluida kerjanya. Peningkatan luas permukaan dapat dilakukan dengan menaikkan

kerapatan permukaan perpindahan panasnya (β). Jenis konstruksi dasar yang

digunakan dalam desain sebuah penukar kompak adalah ;

 Menambahkan luas permukaan alat penukar dengan menggunakan sirip pada satu atau lebih sisi-sisinya,

 Pembangkit panasnya menggunakan diameter hidrolik permukaan yang kecil, dan

 Pipa pada alat penukar memiliki diameter yang kecil.

Beberapa yang patut dipertimbangkan adalah biaya, tekanan dan temperatur pada saat pengoperasian, pengotoran, kontaminasi fluida, dan pertimbangan produksi.

Jenis yang umum digunakan pada alat penukar dengan permukaan yang ditambahkan adalah jenis pelat-sirip dan pipa-sirip. Pada alat penukar kalor jenis

plat-sirip, sirip-sirip ini diapit oleh pelat secara paralel, seperti yang ditampilkan oleh gambar 2.4, terkadang sirip ini digabungkan dengan pipa yang bentuknya telah disesuaikan.

Sirip tersebut dilekatkan pada pelat dengan cara mematri, solder, mengelem, las, dan ekstrusi. Yang tergolong dalam pelat-sirip adalah :

 Sirip lurus dan sederhana, misalnya sirip segitiga sederhana dan segiempat.

 Sirip sederhana namun bergelombak (berombak), dan

 Sirip bercelah, misalnya offset strip, louver, sirip berlubang, dan sirip pin.

Dengan memvariasikan variabel geometris dasar untuk setiap jenis permukaan plat-sirip, adalah mungkin untuk memperoleh berbagai permukaan geometris spesifik. Walaupun pada umumnya kerapatan sirip antara 120-700 sirip/m, namun aplikasinya memungkinkan hingga 2100 sirip/m. Ketebalan sirip pada umumnya antara 0,05-0,25 mm. Ketinggian (puncak) sirip antara 2-20 mm. Sebuah alat penukar kalor pelat sirip dengan luas permukaan perpindahan panas 1300 m2 tiap meter kubiknya mampu ditempati sirip dengan kerapatan 600 sirip/m.

Gambar 2.5. Jenis-jenis sirip [11].

Pada alat penukar kalor jenis pipa-sirip pada umumnya menggunakan pipa berpenampang lingkaran dan persegi panjang, namun pipa berpenampang elips juga terkadang digunakan. Penambahan sirip dapat digunakan pada sisi luar, dalam, atau luar dan dalam pipa, tergantung pada penggunaannya. Sirip-sirip tersebut digabungkan pada pipa dengan cara pengelasan, pematrian, penekanan (extrusion),

tension winding. Beberapa jenis yang tergolong pipa dengan sirip pada sisi luar yaitu:

1. Sirip kontinyu pada susunan pipa yang terbagi lagi dalam sirip sederhana dan sirip bergelombang.

2. Sirip normal pada pipa tunggal, disebut juga sebagai pipa tunggal bersirip 3. Sirip longitudinal pada pipa tunggal.

Khusus untuk sirip kontinyu, ciri-ciri untuk jenis ini adalah memeliki kerapatan sirip antara 300-600 sirip/m, ketebalan sirip antara 0,1-0,25 mm, panjang alir sirip antara 25-250 mm, kerapatan penukar panas pipa-sirip 725 m2/m3 pada 400 sirip/m.

Gambar 2.8. Pipa tunggal dengan sirip longitudinal [14].

2.3. Radiator

Radiator adalah alat yang berfungsi sebagai alat untuk mendinginkan air yang telah menyerap panas dari mesin dengan cara membuang panas air tesebut melalui sirip – sirip pendinginnya [15]. Menurut Kuppan [16] radiator adalah alat penukar kalor kompak yang menggunakan cairan dan gas sebagai fluida kerjanya yang secara luas digunakan pada kendaraan otomotif. Memiliki tipikal kerapatan sirip antara 400-1000 sirip/m (10-25 sirip/in).

Konstruksi radiator terdiri dari : 1. Tutup Radiator

2. Tangki atas 3. Tangki Bawah

4. Inti radiator (Radiator Core)

Berikut adalah penjelasan tiap-tiap bagiannya.

2.3.1. Tutup Radiator

Tutup radiator berfungsi untuk menjaga tekanan di dalam inti radiator. Tutup radiator dilengkapi dengan relief valve dan vacuum valve. Bila volume cairan pendingin (air) bertambah akibat naiknya temperatur, maka tekanan juga akan bertambah dan relief valve akan membuka dan membebaskan kelebihan tekanan melalui overflow pipe. Bila temperatur cairan pendingin (air) berkurang saat temperaturnya turun maka terjadi kevakuman didalam radiator sehingga pada kondisi ini vakum valve akan membuka secara otomatis untuk menghisap udara agar tekanan dalam radiator sama dengan tekanan atmosfir.

(a)

(b)

2.3.2. Tangki Atas

Tangki atas radiator berperan sebagai penampung air sebelum masuk kedalam pipa-pipa radiator, tangki radiator ini terbuat dari kuningan atau plastik.

Gambar 2.11. Tangki atas radiator [19].

2.3.3. Tangki Bawah

Tangki bawah radiator berfungsi sebagai penampung cairan pendingin (air) yang telah melalui inti radiator. Material tangki bawah ini sama dengan material tangki atas.

Gambar 2.12. Tangki bawah radiator [20].

2.3.4. Inti Radiator

Inti radiator merupakan bagian yang paling banyak mengambil peran sebagai penukar kalor. Pada bagian ini cairan pendingin (air) yang telah mengalami kenaikan temparatur pasca keluar dari water jacket akan masuk kedalam pipa, dan secara konveksi akan memindahkan panasnya ke dinding pipa. Selanjutnya panas yang diserap oleh dinding pipa akan dipindahkan lagi secara konduksi kepada sirip, dan dengan bantuan kipas (fan), udara didorong dengan arah menyilang yang bertujuan untuk melepas kalor yang ada pada sirip ke lingkungan secara konveksi. Adapun inti radiator terbagi dengan 2 bagian, yaitu pipa (tube) radiator dan sirip (fin).

Gambar 2.13. Inti radiator dengan karakteristik flat tube dan arah aliran kedua fluida.

2.3.4.1. Pipa (tube) radiator

Pipa pada inti radiator menjadi salah satu elemen penting dalam menjalankan fungsi penukaran kalor pada radiator. Pipa radiator selain fungsi utamanya sebagai elemen untuk menyalurkan air panas dari tangki atas ke tangki bawah juga berperan sebagai elemen untuk memperluas bidang yang akan mengalami perpindahan kalor sehingga laju perpindahan panasnya akan meningkat. Seperti yang ditampilkan pada gambar 2.6, pada umumnya jenis pipa berdasarkan bentuk penampangnya yang digunakan untuk radiator atau compact heat exchangers terbagi dua, yaitu pipa tabung (circular tube) dan pipa rata (flat tube), namun tidak tertutup kemungkinan untuk pengembangan bentuk pipa yang lain.

Gambar 2.14. Flat tube susunan segiempat.

2.3.4.2. Sirip (fin)

Salah satu cara untuk meningkatkan laju perpindahan panas adalah dengan cara memperluas bidang yang mengalami konveksi. Ini dapat dilakukan dengan menggunakan sirip (lih. Gambar 2.5) agar dindingnya lebih luas terhadap fluida lingkungan. Konduktivitas termal material sirip memiliki dampak besar terhadap distribusi temperatur di sepanjang sirip dan oleh karena itu laju perpindahan panasnya juga dapat ditingkatkan[21].

2.4. Landasan Teori

Perpindahan kalor serta penurunan tekanan (pressure drop) yang terjadi sangat bergantung pada karakteristik inti radiator. Cairan pendingin (air) yang dipompakan masuk ke dalam radiator pada temperatur ± 80 0C akan melepaskan kalornya akibat adanya perbedaan temperatur yang lebih rendah yaitu antara temperatur air dengan dinding pipa radiator bagian dalam, yang berpindah secara konveksi. Selanjutnya perbedaan temperatur yang lebih rendah antara dinding pipa bagian dalam dengan dinding pipa bagian luar akan memicu terjadinya perpindahan panas secara konduksi, dan perpindahan panas dengan cara yang sama akan diteruskan lagi pada sirip-sirip yang sengaja disambungkan pada dinding pipa bagian luar. Untuk mendapatkan penyerapan panas air yang diinginkan maka dengan bantuan kipas (fan), udara ditiupkan pada arah menyilang terhadap radiator sehingga perbedaan temperatur antara sirip dan dinding pipa bagian luar terhadap udara tersebut kembali memicu terjadinya perpindahan panas secara konveksi.

Untuk mengetahui perpindahan panas menyeluruh pada sistem ini adalah suatu keharusan untuk mengetahui sifat-sifat fisis fluida kerjanya, dalam hal ini air dan udara. Sifat-sifat fisis tersebut dapat ditinjau melalui temperatur sebelum dan sesudah masuk radiator. Variasi temperatur pada lapisan batas dapat mempengaruhi laju perpindahan panas, namun ini dapat ditangani dengan mengevaluasi semua sifat pada temperatur rata-rata, menurut Incropera[22]temperatur rata-rata pada aliran eksternal (sirip dan dinding luar pipa radiator) dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

T = T −T

Dimana :

T = temperatur fluida rata-rata pada sisi sirip (K) T = temperatur fluida masuk sirip (K)

T = temperatur fluida keluar sirip (K)

Laju aliran massa fluida dingin (udara) yang mengalir melalui radiator (lih. Gambar 2.8), adalah :

ṁ = v × A × ( 2.2) Dimana :

ṁ = laju aliran massa udara (kg/m) v = kecepatan udara (m/s)

Ao = luas daerah bebas aliran sisi udara (m2)

ρ = massa jenis udara pada temperatur rata-rata(kg/m3)

Menurut Kuppan [23], area bebas alir udara (Ao,c) adalah selisih antara luas

daerah frontal dengan luas penampang sirip dan dinding pipa yang memblok aliran udara, atau dengan kata lain area bebas alir udara dapat diartikan luas penampang yang dapat dialiri udara.

Secara matematis, area bebas alir udara pada gambar 2.8 dapat dirumuskan sebagai berikut :

Gambar 2.17. Area bebas alir udara.

A , = [A −( d . L . N ) ] −[(δ .L . N )−( d . N .δ .N ) ] ( 2.3)

Dimana :

A , = area bebas alir (m 2

)

A = luas daerah frontal radiator sisi udara (m2) d = diameter luar pipa radiator (m)

Ntr = jumlah pipa dalam satu baris

Nf = jumlah sirip

= tebal sirip (m) L1 = tinggi radiator (m)

Kays dan London [25] merumuskan kecepatan massa sebagai berikut : G = ṁ

A ,

( 2.4)

Dimana :

G = kecepatan massa (kg/m2.s) ṁ = laju aliran massa udara (kg/s) Ao,c = area bebas alir (m2)

Menurut Kays dan London [26], diameter hidrolik diartikan sebagai empat kali rasio antara luas penampang yang dialiri fluida dengan perimeter basah. Kuppan [27] merumuskan diameter hidrolik alat penukar kalor kompak pada gambar 2.8 sebagai berikut :

D = 4. A , . L

A ( 2.5) Dimana :

Dh = diameter hidrolik (m)

Ao,c = area bebas alir (m2)

L2 = panjang alir udara (tebal radiator) (m)

Ac = luas permukaan perpindahan panas penukar kalor kompak yang

terkonveksi oleh udara (m2)

Langkah pertama yang mendasar pada penanganan segala kasus perpindahan panas secara konveksi adalah menentukan aliran lapisan batasnya, apakah laminar atau

turbulen [28]. Untuk itu bilangan Reynold-nya harus diketahui, dan Kays [29] menggunakan persamaan berikut :

Re = D × G

µ ( 2.6) Dimana :

Re = bilangan Reynold Dh = diameter hidrolik (m)

G = kecepatan massa (kg/m2.s)

µ = koefisien viskositas fluida pada temperatur rata-rata (N.s/m2).

Kays dan London melibatkan bilangan Stanton dan Prandtl untuk mengetahui koefisien perpindahan panas pada penukar kalor kompak untuk sisi udaranya. Beliau juga menyajikan beberapa tabel untuk menentukan parameter diatas dan faktor gesekan berdasarkan karakteristik sirip dan bilangan Reynold nya.

T ab el 2 .1 . D ata p er p in d ah an p an as d an f ak to r g es ek an s es u ai k ar ak te ris ti k s ir ip [31 ].

L

an

ju

ta

n

T

ab

el

2

.1

an

ju

ta

n

T

ab

el

2

.1

L

an

ju

ta

n

T

ab

el

2

.1

an

ju

ta

n

T

ab

el

2

.1

Berdasarkan penjelasan diatas, koefisien perpindahan panas untuk sisi udara dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan yang digunakan oleh Kays dan London [32] sebagai berikut :

h = St × G × C ( 2.7) Dimana :

hc = koefisien perpindahan panas (W/m2.K)

St = bilangan Stanton

G = kecepatan massa (kg/m2.s)

Cpc= panas spesifik pada temperatur rata-rata (J/kg.K)

Sama halnya dengan perpindahan panas pada sisi yang mengalami konveksi terhadap udara diatas, Kays juga menggunakan beberapa persamaan yang sama untuk menganalisa perpindahan panas pada sisi yang mengalami konveksi terhadap air. Diawali dengan persamaan temperatur rata-rata pada aliran didalam pipa :

T = T −T

2 ( 2.8) Dimana :

T = temperatur fluida panas rata-rata (K)

T = temperatur fluida panas masuk pipa radiator (K) T = temperatur fluida panas keluar pipa radiator (K)

Dan untuk memperoleh bilangan Reynold aliran air di dalam pipa, dapat kembali menggunakan persamaan (2.6).

Pada gambar 2.8, diameter hidrolik (Dh) sisi air untuk pipa berpenampang

lingkaran sama dengan diameter dalam (di) pipa tersebut, namun untuk pipa pelat

diameter hidrolik adalah empat kali rasio antara luas penampang yang dialiri fluida dengan perimeter basahnya, atau perimeter basah dalam hal ini dapat diasumsikan sebagai keliling penampangnya. Maka dapat dirumuskan sebagai berikut :

D = 4( p × l)

2( p + l) ( 2.9) Dimana :

p = panjang (m) l = lebar (m)

Untuk aliran bebas alir sisi air pada prinsipnya sama dengan persamaan 2.3. Sehingga untuk area bebas alir sisi air gambar 2.8 dapat dirumuskan sebagai berikut :

A , =

π× d

4 N ( 2.10) Dimana :

di = diameter dalam pipa (m)

Nt = jumlah tabung

Kays dan London menyajikan grafik mengenai bilangan Nusselt dan faktor gesekan untuk aliran laminar berkembang penuh di dalam pipa persegi. Seperti yang ditampilkan pada gambar 2.19 dan 2.20 dibawah ini :

Gambar 2.19. Bilangan Nusselt untuk aliran laminar pada pipa persegi dengan profil temperatur dan kecepatan berkembang penuh [33].

Gambar 2.20. Faktor gesekan untuk aliran laminar berkembang penuh di dalam pipa persegi [34].

Incropera [35] menjelaskan untuk aliran turbulen (Re≥2300) didalam pipa dengan penampang yang noncircular dapat menggunakan persamaan Colburn berikut :

= 0,023. . ( 2.11)

Pada aliran didalam pipa, Incropera [36] merumuskan hubungan antara koefisien perpindahan panas dengan bilangan Nusselt dan diameter hidrolik sebagai berikut :

h = Nu. k

D ( 2.12) Dimana :

h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K) Dh = diameter hidrolik (m)

k = konduktivitas termal (W/m.K)

Kays dan London [37] juga mengemukakan persamaan untuk memperoleh koefisien perpindahan panas menyeluruh dan keefektifan mnyeluruh sisi udara sebagai berikut:

1 U =

1

η , . h

+ l

( A ⁄A ) k+

1

( A ⁄A )η _, .h ( 2.13) Dan,

1 U =

1

η , . h

+ l

( A ⁄A ) k+

1

( A ⁄A )η , . h

( 2.14)

Dimana :

Uh = koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi panas (W/m2.K)

Uc = koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi dingin (W/m2.K) ηo,c = keefektifan menyeluruh permukaan sisi dingin

ηo,h = keefektifan menyeluruh permukaan sisi panas

Ah = luas permukaan perpindahan panas sisi panas (m2)

Ac = luas permukaan perpindahan panas sisi dingin (m2)

Aw = luas permukaan dinding pipa yang mengalami konduksi (m2)

hc = koefisien perpindahan panas konveksi sisi dingin (W/m2.K)

hh = koefisien perpindahan panas konveksi sisi panas (W/m2.K)

k = koefisien perpindahan panas konduksi pipa (W/m.K)

untuk mengetahui keefektifan sirip menyeluruh sisi udara, terlebih dahulu mengetahui keefektifan sirip. Keefektifan sirip dapat diperoleh dengan menggunakan grafik pada gambar 2.12, nilai m.l pada axis nya diperoleh dengan menggunakan persamaan berikut :

m. l = 2. h

k .δ × l ( 2.15) Dimana :

hc = koefisien perpindahan panas konveksi sisi dingin (W/m2.K)

k = konduktivitas termal sirip (W/m.K)

δf = tebal sirip (m)

l = setengah jarak antar pipa (m) m = parameter efektivitas sirip

Gambar 2.21. Keefektifan pada sirip lurus dan lingkaran[38].

maka untuk mengetahui keefektifan menyeluruh permukaan sisi dingin, dapat menggunakan persamaan berikut :

η , = 1−

A

A ( 1− η ) ( 2.16) Dimana :

Af = luas total sirip (m2)

Atot= luas total bidang yang mengalami konveksi terhadap udara (m2) ηf = keefektifan sirip.

2.5. Efektivitas Alat Penukar Kalor

Efektivitas alat penukar kalor merupakan salah satu hal yang sangat penting dalam mendesain penukar kalor. Hal ini disebabkan karena parameter efektivas tersebut merupakan suatu gambaran unjuk kerja sebuah penukar kalor . Panas yang

dipindahkan ke fluida dingin harus sama dengan panas yang diserahkan dari fluida panas.

Q = m c . Cpc (Tco – Tci) = 

mh . Cph (Thi – Tho) (2.17)

Holman [39] dalam bukunya mengemukakan bahwa efektivitas alat penukar perpindahan kalor maksimum

ε= Q

Q =

C ( T −T ) C ( T −T ) =

C ( T −T )

C ( T −T ) ( 2.18) Dari persamaan ( 2.4),jika :

1. m h . Cph = Ch = Cmin maka ε =

( )

( ) (2.19)

2. m c . Cpc = Cc = Cmin, maka ε =

( )

( ) (2.20)

Holman juga memberikan persamaan untuk memperoleh efektivitas alat penukar kalor dengan hubungan NTU (number of transfer unit ), salah satunya adalah efektivitas pada alat penukar kalor aliran menyilang satu laluan dengan kedua fluida tidak bercampur. Secara matematis persamaan tersebut dapat dilihat dibawah ini.

ε= 1−exp[ ( 1 C⁄ ) ( NTU) , _{{exp[−C ( NTU)} , _{]−1}] ( 2.21)}

Dimana :

NTU = number of transfer unit C = C

2.6. Penurunan Tekanan

Penurunan tekanan merupakan selisih antara tekanan masuk dengan tekanan keluar. Penurunan tekanan ini terjadi akibat gesekan antara molekul-molekul fluida dengan bidang yang dilaluinya, dalam hal ini pipa dan sirip-sirip. Menurut Kays dan London [40], untuk mengetahui penurunan tekanan yang terjadi pada alat penukar kalor kompak dapat menggunakan persamaan berikut :

∆P = G 2. g v. f

L

r ( 2.22) Dimana :

∆P = penurunan tekanan (Pa) = kecepatan massa (kg/m2.s)

g = konstanta gravitasi = 1 kg.m/(N.s2) v = volume spesifik (m3/kg)

f = friction factor

L = panjang laluan fluida (m) r = Dh/4 = jari-jari hidrolik (m)

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Metode Pelaksanaan Penelitian

Adapun kerangka penelitian yang dilakukan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :

Mulai Identifikasi masalah

Survei lapangan Instalasi alat

Input penelitian : a. Temperatur air masuk radiator : 80 oC b. Laju aliran udara menumbuk radiator : 5 m/s

c. Laju aliran air masuk radiator : 6,309.10-5 m3/s,

12,618.105 m3/s, 18,927.105 m3/s, 25,236.105 m3/s, 31,545.105 m3/s, 37,854.105 m3/s, 44,163.105 m3/s, 50,448.105 m3/s, 56,781.105 m3/s, 63,09.105 m3/s, dan 69,399.105 m3/s.

Output penelitian : a. Temperatur air keluar radiator b. Temperatur udara keluar

Pengolahan data : hc, hh, Uc, Uh,ε, ΔPudara, ΔPair

Perhitungan teoritis :

Tho, Tco, hc, hh, Uc, Uh,ε, ΔPudara, ΔPair

kesimpulan Tidak

Selesai Ya

3.2. Tempat Penelitian

Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3.3. Bahan dan Alat

Bahan-bahan penelitian yang akan dirakit terdiri atas : 1. Pipa cast iron 11/4 inch

2. Selang radiator atas kijang 4-K 3. Triplek sebagai isolator tangki air 4. Elbow pipa 11/4 inch

5. Lem red silicon 6. Seal tape

Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah: 1. Radiator Kijang KF 20 No. 1461-0201

Digunakan sebagai media untuk mengadakan pertukaran kalor.

2. Flowmeter

Flow meter adalah alat untuk mengukur laju aliran air. Satuan dari alat ini adalah dalam gallon/menit.

Adapun spesifikasi dari flowmeter diatas adalah sebagai berikut :

Mode : GPI Industrial Grade Flowmeter

G2P10N09GMA Temperature masuk : -40oC – 121oC Laju aliran massa maksimum : 20 GPM

Gambar 3.2. Flowmeter 3. Termokopel

Alat ini digunakan untuk mengukur suhu masuk dan suhu keluar dari radiator. Dengan spesifikasi sebagai berikut :

Mode : Thermokopel Thermometer KW 06-283 Skala Temperatur : Celsius (oC), Fahrenheit (oF)

Temperatur : 260oC (500oF)

Gambar 3.3. Termokopel 4. Anemometer

Alat ini digunakan untuk mengukur kecepatan udara yang menumbuk radiator sekaligus mengukur temperatur udara yang menumbuk radiator dan yang melewati radiator.

Gambar 3.4. Anemometer Adapun spesifikasi dari alat ini adalah :

Mode : Thermistor NTC Sensor CHY 361 Temperatur udara : -20oC sampai 60oC

Resolusi : 0,1oC / oF

5. Pompa Sirkulasi

Pompa ini untuk mensirkulasikan air, dengan data-data teknis sebagai berikut:

Model : AQVA 125B

Head : H = 35m

Kapasitas : Q = 42 liter /menit Daya : P = 125 watt Putaran : 2850 rpm

Gambar 3.5. Pompa Sirkulasi 6. Termo resistance PT 100 ohm

Alat ini digunakan untuk mengukur suhu, dengan data-data teknis:

Adapun spesifikasi termo resistance adalah sebagai berikut : Diameter : 0,50

Material : RTD BuLB

Tipe : PT 100 ohm

Continious : 0 – 500oC Sensitivitas : 6 µV/oC

7. Panel indikator temperatur dan jarum termokopel

Alat ini berfungsi untuk memberikan nilai temperatur fluida tempat jarum termokopel dicelupkan.

Gambar 3.7. Panel indikator temperatur.

8. Tangki pemanas

Alat ini berfungsi sebagai temapat/wadah untuk memanaskan air.

Gambar 3.9. Tangki Pemanas. 9. Pemanas air 5000 W

Alat ini berfungsi untuk memanaskan air yang telah ditampung pada tanki air, dengan memanfaatkan energi listrik.

Gambar 3.10. Pemanas air 5000 W. 10. Valve/katup kontrol

Katup control ini berfungsi untuk mengatur laju aliran air yang mengalir.

11. Regulator

Alat ini digunakan untuk mengatur putaran pada motor listrik. Dengan spesifikasi sebagai berikut :

Kapasitas : 0,5 KVA

Input : 50 - 130 V/160 – 240 V Frekwensi : 50 – 60 Hz

Output : 50 – 300 V

Ganbar 3.12. Regulator 12. Motor listrik

Motor ini digunakan untuk menggerakkan kipas pendingin radiator.

Spesifikasi motor listrik untuk menggerakkan kipas dapat dilihat di bawah ini :

Mode : Motor listrik AC Daya : 2 Hp

Putaran : 2800 rpm Arus : 2,4 Ampere 13. Kipas (fan)

Kipas (fan) ini berfungsi untuk menghasilkan udara berkecepatan, dimana kipas (fan) ini diputar oleh motor listrik.

Gambar 3.14 Kipas (fan)

3.4. Dimensi Utama Penelitian

Dimensi utama radiator yang digunakan pada penelitian ini adalah : Tabel 3.1. Alat penukar kalor kompak

Parameter Dimensi/satuan

Lebar radiator (L3) 0,417 m

Tebal radiator (L2) 0,04 m

Panjang pipa (L1) 0,345 m

Penampang sisi dalam pipa (lt,i x tt,i) 0,01 m × 0,002 m

Jarak antar pipa (Pt) 0,009 m

Jumlah puncak sirip/baris (NP,f) 86

Lebar sirip (lt,o) 0,0105 m

Jumlah pipa (Nt) 68

Jumlah susunan sirip 70

Susunan pipa-sirip Segaris (in line)

Jumlah kolom pipa-sirip 2

Susunan beberapa komponen peralatan yang digunakan dalam penelitian dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Gambar 3.15. Skema pemasangan alat uji penelitian Keterangan gambar :

1. Heater 2. Valve

3. Pompa Sirkulasi 4. Flow Meter 5. Fan

6. Motor Listrik 7. Regulator 8. Radiator

3.5. Pelaksanaan Penelitian

1. Menyalakan pompa untuk mensirkulasikan air yang ada di dalam heater melalui radiator.

2. Menyetel katup agar air yang melalui radiator selalu pada laju aliran air 6,309.10-5 m3/s. Setelah diperoleh debit yang sesuai, pompa dimatikan. 3. Menyalakan kipas (fan) dan menyetel regulator agar diperoleh kecepatan

udara menumbuk radiator sebesar 5 m/s. Setelah diperoleh kecepatan udara yang sesuai, kipas dimatikan.

4. Air didalam heater dipanaskan hingga 800C, dan pompa kembali dinyalakan.

5. Pada saat pompa dinyakan, secara bersamaan kipas yang telah diatur kecepatannya juga dinyalakan.

6. Temperatur masuk dan keluar dari kedua fluida dicatat menggunakan termometer. Pencatatan dilakukan sebanyak tiga kali untuk satu kondisi kecepatan udara yang sama dengan selang lima menit.

7. Langkah-langkah diatas dilakukan lagi pada kondisi laju aliaran air yang berbeda yaitu pada kecepatan 12,618.10-5 m3/s, 18,927.10-5 m3/s,

25,236.10-5 m3/s, 31,545.10-5 m3/s, 37,854.10-5 m3/s, 44,163.10-5 m3/s, 50,448.10-5 m3/s, 56,781.10-5 m3/s, 63,09.10-5 m3/s, dan 69,399.10-5 m3/s.

3.6. Analisa Data

Dengan menggunakan persamaan-persamaan yang diberikan dalam tinjauan pustaka, data hasil pengukuran digunakan untuk menghitung bilangan Reynold, bilangan Nusselt, koefisen perpindahan kalor menyeluruh.

Data eksperimental temperatur keluar udara dan air dan efektivitas radiator akan ditabulasikan seperti di bawah berikut :

Tabel 3.2. Analisa data.

No v (m/s) Thi (oC) Tho (oC) Tci (oC) Tci (oC)

1 2 3

BAB IV

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Data Hasil Penelitian

Adapun data yang diperoleh dari hasil penelitian yang dilakukan di Laboratorium, adalah sebagai berikut:

Tabel 4.1. Data pengujian untuk laju aliran air 6,309.10-5 m3/s. No v (m/s) Thi (oC) Tho (oC) Tci (oC) Tco (oC)

1 5 80 67,8 30 35,4

2 5 80 67,9 30 35,3

3 5 80 67,8 30 35,3

rata-rata 80 67,83 30 35,33

Tabel 4.2. Data pengujian untuk laju aliran air 12,618.10-5 m3/s. No v (m/s) Thi (oC) Tho (oC) Tci (oC) Tco (oC)

1 5 80 69,5 30,5 35,8

2 5 80 69,5 30,2 35,7

3 5 80 69,4 30,4 35,9

rata-rata 80 69,47 30,37 35,8

Tabel 4.3. Data pengujian untuk laju aliran air 18,927.10-5 m3/s. No v (m/s) Thi (oC) Tho (oC) Tci (oC) Tco (oC)

1 5 80 70,5 30,3 35,9

2 5 80 70,6 30,5 35,9

3 5 80 70,6 30,5 36

Tabel 4.4. Data pengujian untuk laju aliran air 25,236. 10-5 m3/s. No v (m/s) Thi (oC) Tho (oC) Tci (oC) Tco (oC)

1 5 80 71,5 30,5 36,2

2 5 80 71,5 30,5 36,2

3 5 80 71,5 30,5 36,2

rata-rata 80 71,5 30,5 36,2

Tabel 4.5. Data pengujian untuk laju aliran air 31,545. 10-5 m3/s. No v (m/s) Thi (oC) Tho (oC) Tci (oC) Tco (oC)

1 5 80 72,4 30,7 36,2

2 5 80 72,2 30,4 36,2

3 5 80 72,3 30,4 36,3

rata-rata 80 72,3 30,5 36,23

Tabel 4.6. Data pengujian untuk laju aliran air 37,854. 10-5 m3/s. No v (m/s) Thi (oC) Tho (oC) Tci (oC) Tco (oC)

1 5 80 73,9 30,5 35,9

2 5 80 73,9 30,5 36,5

3 5 80 74 30,7 36,5

rata-rata 80 73,93 30,57 36,3

Tabel 4.7. Data pengujian untuk laju aliran air 44,163. 10-5 m3/s. No v (m/s) Thi (oC) Tho (oC) Tci (oC) Tco (oC)

1 5 80 74,6 30,1 36,3

2 5 80 74,5 30,3 36,3

3 5 80 74,7 30,5 36,3

Tabel 4.8. Data pengujian untuk laju aliran air 50,448. 10-5 m3/s. No v (m/s) Thi (oC) Tho (oC) Tci (oC) Tco (oC)

1 5 80 75 30,4 36,5

2 5 80 75,2 30,7 36,5

3 5 80 75,4 30,4 36,5

rata-rata 80 75,2 30,5 36,5

Tabel 4.9. Data pengujian untuk laju aliran air 56,781. 10-5 m3/s. No v (m/s) Thi (oC) Tho (oC) Tci (oC) Tco (oC)

1 5 80 75,7 30,2 36,7

2 5 80 75,9 30,3 36,6

3 5 80 76,1 30,3 36,7

rata-rata 80 75,9 30,3 36,67

Tabel 4.10. Data pengujian untuk laju aliran air 63,09. 10-5 m3/s. No v (m/s) Thi (oC) Tho (oC) Tci (oC) Tco (oC)

1 5 80 76,3 30 36,7

2 5 80 76,5 30 36,7

3 5 80 76,4 30 37

rata-rata 80 76,4 30 36,8

Tabel 4.11. Data pengujian untuk laju aliran air 69,399. 10-5 m3/s. No v (m/s) Thi (oC) Tho (oC) Tci (oC) Tco (oC)

1 5 80 77,8 30,4 36,9

2 5 80 78,1 30,4 36,8

3 5 80 77,9 30,3 37

4.2. Pengolahan Data

Untuk data pengujian pada laju aliran air 6,309.10-5 m3/s dilakukan pengolahan data sebagai berikut :

Kondisi pengoperasian, sisi udara :

 Temperatur udara masuk (Tci) = 30 0C = 303 K

 Laju aliran massa udara (ṁc)

Kecepatan udara (v) = 5 m/s

Luas penampang radiator (Afr) = (345 x 417) 10-6 m2= 0,143865 m2 Dari tabel diperoleh ρudara @30 oC = 1,151416 kg/m3

Maka, mc = v . Afr. ρ

= (5 m/s) ( 0,143865 m2) (1,151416 kg/m3) = 0,8282423 kg/s

Kondisi pengoperasian, sisi air

 Temperatur air masuk (Thi) = 80 0C = 353 K

 Laju aliran massa air (ṁh)

Laju aliran air = 6,309.10-5 m3/s

Dari tabel diperoleh ρair @80 oC = 972,0062 kg/m3

Maka, mh = 0,061324 kg/s

Karakteristik radiator

 Panjang pipa (L1) = 0,345 m

 Tebal pipa (δt) = 0,00025 m

 Dimensi dalam pipa (lt,i x tt,i) = 0,01 m × 0,002 m

 Jumlah baris pipa (Nt,t) = 34

 Jumlah kolom pipa (Nt,l) = 2

 Susunan pipa = segiempat

 Jarak antar pipa (Pt) = 0,009 m

 Tebal sirip (δf) =0,000125 m

 Jarak antar puncak sirip (Pf) = 0,004 m

 Jumlah puncak sirip/baris (NP,f) = 86

 Jumlah baris sirip (Nt,f) = 35

 jumlah kolom sirip (Nl,f) = 2

 lebar sirip (lt,o) = 0,0105 m

 panjang sirip = 0,01 m

 material sirip (kf) = 400 W/m.K

 tebal radiator (L2) = 0,04 m

 lebar radiator (L3) = 0,417 m

Dari data diatas maka karakteristik radiator selanjutnya dapat diperoleh, antara lain : A. sisi udara

 luas permukaan pipa (Ato)

Ato = 2( 0,0105+ 0,0025) × 0,345× 68= 0,60996m2

 luas sirip (Af)

Af =70× 86× 2× 2 ( 0,01× 0,0105) + 1,25.10-4× 0,01 = 2,5585 m2

 luas total sisi udara (Ac) = At o+ Af = 0,60996 + 2,5585 = 3,16846m

 area bebas alir (Ao,c)

Ao,c = Afr ,c- ( 2,5.10 × 0,345× 34) + 1,25.10-4× 0,01× 2× 86× 35

= 0,10701m2

 diameter hidrolik (Dh,c) =

4A_oc.L A_c =

4 × 0,10701× 0,04

3,16846 = 0,0054038m B. sisi air

 luas total sisi air (Ah) = 2( 0,01+ 0,002) × 0,345× 68= 0,56304 m2

 area frontal (Afr,h) = L2× L3 = 0,04 × 0,417 = 0,01668m

 area bebas alir (Ao,h) = 0,01 × 0,002 × 68 = 0,00136m

 diameter hidrolik (Dh,h) = 0,00333m

kondisi temperatur masuk dan keluar fluida air dan udara dari tabel 4.1 Tci = 30 0C = 303 K

Thi = 80 0C = 353 K

Tco = 35,33 0C = 308,33 K

Tho = 67,83 0C = 340,83 K

Gambar 4.1. Distribusi temperatur radiator.

Thi = 80 0C ṁ

h = 0,061324 kg/s

Tho = 67,83

Tco= 35,33 ṁc = 0,828242 kg/s

T_c = Tco+ Tci 2

=

308,33+ 303

2

=

305,665 K

Th =

T + T_ho 2

=

353+ 338

2

=

346,915 K

Dari nilai temperatur rata-rata diatas maka sifat-sifat udara dan air dapat diperoleh melalui tabel seperti yang dilampirkan berikut ini.

Tabel 4.12. Sifat udara pada T_c = 305,665 K.

T (K) (N.s/m) Cpc (J/kg.K) k (W/m.K) Pr v (m3/kg)

300 0,00001846 1007 0,0263 0,707 0,86103

305,665 0,00001873 1007,2266 0,026719 0,70621 0,877345

350 0,00002082 1009 0,03 0,700 1,00503

Tabel 4.13. Sifat air pada T_h = 346,915 K.

T (K) (N.s/m) Cph (J/kg.K) k (W/m.K) Pr v (m3/kg)

345 0,000389 4191 0,668 2,45 1,024

346,915 0,00037981 4192,532 0,668 2,38872 1,025149

350 0,000365 4195 0,668 2,29 1,027

Bilangan Reynolds Sisi udara

G = ṁ A ,

= 0,8282423

0,10701 = 7,739859 kg s. m⁄ Re = D , × G

µ =

0,0054038 × 7,739859 0,00001873 Re = 2233,341361

Sisi air G = ṁ

A ,

= 0,06132

0,00136= 45,091082 k g s. m⁄ Re = D , × G

µ =

0,00333 × 45,091082 0,000379808 Re = 395,34

Bilangan Stanton dan f Sisi udara

Tabel 4.14. Karakteristik sirip 14.77.

Re StPr2/3 f

14.77

2500 0,00435 0,0133

2233,341361 0,004461997 0,014046644

2000 0,00456 0,0147

Maka bilangan stanton-nya (St)

= 0,004461997

0,793029315= 0,0056265 Bilangan Nusselt

Dari gambar 2.10, dapat diperoleh bilangan nusselt dengan karakteristik pipa : a = 0,002 m ; b = 0,01 m dengan panas masuk konstan.

Setelah diinterpolasi, maka diperoleh bilangan Nusselt air di dalam pipa : Nu = 5,7059

Koefisien Perpindahan Panas Sisi udara

Sisi air h = Nu. k

D =

5,7059 × 0,668

0,00333 = 1144,606967W/ m . K

Perpindahan Panas Menyeluruh Sisi udara

Dengan melakukan pendekatan pada gambar 2.12 diperoleh ηf, pada :

m = 2. h k.δ =

2 × 43,86332

400 × 0,000125= 41,88714m

m. l = 41,88714 × 0,009

2 = 0,188492 Sehingga,

η = 0,98

η , = 1−

A

A ( 1− η ) = 1−

2,5585

3,16846( 1−0,98) = 0,98385

Sementara nilai ηo,h =1, sebab tidak terdapat sirip pada bagian dalam pipa radiator.

Untuk dampak fouling juga dapat diabaikan karena kondisi radiator masih baru dan durasi penelitian tidak sampai menimbulkan pengotoran pada dinding dalam pipa. Maka perpindahan panas menyeluruh sisi dingin, adalah :

1 U =

1

η . h + 1 ( A ⁄A ) h 1

U =

1

0,98385 × 43,86332+

1

( 0,56304 3,16846⁄ ) 1144,60697 U = 36,01086967 W m . K⁄

Dan perpindahan panas menyeluruh sisi panas, adalah : 1

U = 1 h +

1 ( A ⁄A )η , .h

1 U =

1

1144,60697+

1

( 3,16846 0,56304⁄ ) 0,98385 × 43,86332 U = 202,64808W m . K⁄

Efektivitas Radiator

C = C × ṁ = 1007,2266 × 0,8282423 = 834,22769 W K⁄ = Cmax

C = C × ṁ = 4192,532 × 0,0613239 = 257,10229 W K⁄ = Cmin

Maka, dengan menggunakan persamaan (2.19) untuk Ch = Cmin diperoleh ;

ε= ( T −T ) ( T −T ) =

353−340,83

353−308,33= 0,27244 Penurunan Tekanan

Dengan menggunakan persamaan (2.21) maka: Penurunan tekanan udara,

∆P = G 2. g v. f

L r =

7,739859

2( 1) ( 0,8773452 × 0,014046644)

0,04 0,0054038 4⁄

∆ = 10,9295Pa Penurunan tekanan air,

∆P = G 2. g v. f

L r

Dengan melihat grafik pada gambar 2.11 untuk pipa persegi panjang dengan b/a = 5, diperoleh ( f .Re) = 19, maka

= 19

395,34= 0,0480599 Sehingga,

∆P = 45,091082

2. ( 1) 1,025149 × 0,0480599

0,345 0,00333 4⁄

Nilai koefisien konveksi, perpindahan panas menyeluruh, efisiensi dan penurunan tekanan pada kedua fluida untuk kondisi kecepatan udara yang lain seperti yang ditampilkan pada tabel 4.1 sampai dengan tabel 4.11 dapat diperoleh dengan melakukan perhitungan yang sama seperti diatas. Adapun hasil perhitungannnya dapat dilihat pada tabel berikut :

Tabel 4.15. Hasil perhitungan pada setiap variasi kecepatan udara. Qair

(m3/s)

(.10-5)

hc (W/m2.K)

hh (W/m2.K)

Uc (W/m2.K)

Uh

(W/m2.K) (%) ∆

Pudara

(Pa) ∆

Pudara (Pa)

6,309 43,86332 1144,6069 36,01086 202,64808 27,24 10,929 20,7566 12,618 43,83916 1144,6069 35,99453 202,55619 23,82 10,931 41,1027 18,927 43,83605 1144,6069 35,99244 202,5444 21,49 10,933 61,2557 25,236 43,83424 1144,6069 35,99121 202,53751 13,01 10,9378 81,188 31,545 43,8347 1144,6069 35,99152 202,53926 13,09 10,9385 100,983 37,854 43,82982 3146,5218 40,55338 228,21069 13,11 10,9384 119,952 44,163 43,85277 3566,5026 40,92274 230,28928 13,73 10,9453 139,356 50,448 43,83884 3975,6144 41,1842 231,76033 13,79 10,945 158,661 56,781 43,85844 4377,4996 41,42328 233,10602 14,7 10,9542 177,702 63,09 43,88591 4769,5488 41,63017 234,2703 15,74 10,9648 196,817 69,399 43,85601 5171,0475 41,76237 235,01421 15,15 10,9579 214,382

4.3. Pembahasan

Variasi debit air yang masuk ke dalam pipa radiator mempengaruhi koefisien perpindahan panas menyeluruh radiator (Uc dan Uh) dan efektivitas radiator. Untuk

koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan, perubahan signifikan hanya terjadi pada sisi yang dilalui oleh air (hhdan ΔPair), hal ini diakibatkan karena pada

penelitian ini hanya memvariasikan laju aliran air, sementara untuk udara tidak divariasikan.

Koefisien perpindahan panas menyeluruh yang tinggi menunjukkan terjadinya proses perpindahan panas yang baik. Perbedaan tekanan yang tinggi menunjukkan beban pompa yang dikenakan pada pompa untuk mengalirkan air. Dengan demikian, diharapkan koefisien perpindahan panas menyeluruh yang tinggi dan perbedaan tekanan yang rendah untuk menentukan debit air optimum yang masuk kedalam radiator.

Dari pengolahan data diatas dapat ditunjukkan hubungan antara laju aliran air yang masuk kedalam radiator terhadap koefisien perpindahan panas menyeluruh pada sisi panas. Dari gambar 4.2., dapat dilihat bahwa koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi panas tertinggi terjadi pada laju aliran air 69,399.10-5 m3/s.

Gambar 4.2. Grafik hubungan laju aliran air masuk radiator (Q) terhadap perpindahan panas menyeluruh sisi panas (Uh).

195 200 205 210 215 220 225 230 235 240

0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 0.0008 Uh(W/m2.K)

Grafik pada gambar 4.3., menunjukkan hubungan antara laju aliran air masuk radiator terhadap koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi dingin. Sama halnya dengan perpindahan panas menyeluruh sisi panas, dari grafik dapat dilihat koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi dingin terbesar terjadi pada kondisi laju aliran air yang terbesar juga yaitu 69,399.10-5 m3/s.

Gambar 4.3. Grafik hubungan laju aliran air masuk radiator (Q) terhadap perpindahan panas menyeluruh sisi dingin (Uc).

Pada gambar 4.2., dan 4.3., dapat dilihat peningkatan perpindahan panas menyeluruh yang besar pada laju aliran air 37,854.105 m3/s dari laju aliran air 31,545.105 m3/s, hal ini diakibatkan perubahan jenis gerak aliran air di dalam pipa radiator dari laminar menjadi turbulen. Perubahan ini akan berdampak pada koefisien perpindahan panas konveksi pada sisi air dan akan berlanjut pada koefisien peprindahan panas menyeluruh sisi panas.

35 36 37 38 39 40 41 42 43

0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 0.0008 U_c (W/m2_.K)

Grafik pada gambar 4.4., menunjukkan hubungan antara laju aliran air masuk radiator terhadap temperatur air keluar yang melalui pipa radiator. Dari gambar dapat dilihat semakin besar laju aliran air semakin tinggi temperatur keluar air tersebut. Sementara penelitian ini mengharapkan temperatur air keluar yang rendah atau dengan kata lain penurunan temperatur yang besar antara temperatur air masuk terhadap temperatur air keluar, dan penurunan temperatur terbesar terjadi pada kondisi laju aliran air terendah yaitu 6,309.10-5 m3/s.

Gambar 44. Grafik hubungan laju aliran air masuk radiator (Q) terhadap temperatur air keluar radiator (Tho).

Pada gambar 4.5., dapat dilihat grafik hubungan antara laju aliran air masuk radiator terhadap penurunan tekanan air yang terjedi setelah melalui radiator. Penurunan tekanan air yang rendah menunjukkan pembebanan pompa yang rendah juga, dan hal ini pulalah yang diharapkan pada penelitian ini. Dari grafik dapat dilihat penurunan tekanan terendah terjadi pada kondisi laju air terendah yaitu 6,309.10-5 m3/s.

66 68 70 72 74 76 78 80

0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 0.0008 T_ho(K)

Gambar 4.5. Grafik hubungan laju aliran air masuk radiator (Q) terhadap penurunan tekanan air melalui radiator (ΔPair).

Pada gambar 4.6., dapat dilihat grafik hubungan antara laju aliran air masuk radiator terhadap efektivitas radiator. Semakin tinggi laju aliran air yang masuk kedalam radiator semakin rendah efektivitasnya, sehingga nilai efektivitas tertinggi terjadi pada kondisi laju aliran air sebesar 6,309.10-5 m3/s.

Gambar 4.6. Grafik hubungan laju aliran air masuk radiator (Q) terhadap efektivitas radiator.

0 50 100 150 200 250

0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 0.0008

ΔP (kPa)

Q (m3_/s)

0 5 10 15 20 25 30

0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 0.0008

ε(%)

4.4. Perhitungan Teoritis

Untuk melakukan perhitungan teoritis, dilakukan dengan menggunakan metode-NTU untuk mendapatkan temperatur keluar kedua fluida. Data yang diketahui adalah temperatur masuk kedua fluida, laju aliran massa kedua fluida, dan bentuk geometris radiator seperti yang tertera pada sub-bab 4.2 .

Gambar 4.7. Distribusi temperatur radiator.

Maka sebagai pendekatan awal dapat diasumsikan temperatur udara keluar (Tco) dan temperatur air keluar (Tho) sebagai berikut;

Tco = 35 0C = 308 K

Tho = 67 0C = 340 K

T_c = Tco+ Tci 2

=

308+ 303

2

=

305,5 K

T_h = T + Tho 2

=

353+ 340

2

=

346,5 K

Dari nilai temperatur rata-rata diatas maka sifat-sifat udara dan air dapat diperoleh melalui tabel seperti yang dilampirkan berikut ini.

Tho

ṁh = 0,061324 kg/s

Tci = 30 0C Tco

Thi = 80 0

C

Tabel 4.16. Sifat udara pada Tc = 305,5 K.

T (K) (N.s/m) Cpc (J/kg.K) k (W/m.K) Pr v (m3/kg)

300 0,00001846 1007 0,0263 0,707 0,86103

305,5 0,00001872 1007,22 0,026707 0,70623 0,87687

350 0,00002082 1009 0,03 0,700 1,00503

Tabel 4.17. Sifat air pada T_h = 346,5 K.

T (K) (N.s/m) Cph (J/kg.K) k (W/m.K) Pr v (m3/kg)

345 0,000389 4191 0,668 2,45 1,024

346,5 0,0003818 4191,2 0,668 2,402 1,0249

350 0,000365 4195 0,668 2,29 1,027

Bilangan Reynolds Sisi udara

mc = v . Afr. ρ = (5 m/s) ( 0,143865 m2) (1,148088 kg/m3) = 0,828242 kg/s

G = ṁ A ,

= 0,828242

0,10701 = 7,73986 kg s. m⁄ Re = D , × G

µ =

0,0054038 × 7,73986 0,00001872 Re = 2234,27051

Sisi air G = ṁ

A ,

= 0,0613239

0,00136 = 45,0911 k g s. m⁄ Re = D , × G

µ =

0,00333 × 45,0911 0,0003818 Re = 393,2774

Bilangan Stanton dan f Sisi udara

Tabel 4.18. karakteristik sirip 14.77

Re StPr2/3 f

14.77

2500 0,00435 0,0133

2234,27051 0,004461606 0,014044043

2000 0,00456 0,0147

Maka bilangan stanton-nya (St)

= 0,004461606

0,793044287= 0,005625923 Bilangan Nusselt

Sisi air

Dari gambar 2.10, dapat diperoleh bilangan nusselt dengan karakteristik pipa : a = 0,002 m ; b = 0,01 m dengan panas masuk konstan.

Setelah diinterpolasi, maka diperoleh bilangan Nusselt air di dalam pipa : Nuh = 5,7059

Koefisien Perpindahan Panas Sisi udara

h = St. G. Cp = 0,005626 × 7,73986 × 1007,22 = 43,85824033 W m⁄ . K Sisi air

h = Nu. k

D =

5,7059 × 0,668

Perpindahan Panas Menyeluruh Sisi udara

Dengan melakukan pendekatan pada gambar (2.12) diperoleh ηf, pada :

m = 2. h k.δ =

2 × 43,8524033

400 × 0,000125= 41,88193 m m. l = 41,88193 × 0,009

2 = 0,188469 Sehingga,

η = 0,98

η , = 1−

A

A ( 1− η ) = 1−

2,5585

3,16846( 1−0,98) = 0,98385 Maka ;

1 U =

1

η , . h

+ 1

( A ⁄A ) h 1

U =

1

0,98385 × 43,8524033+

1

( 0,56304 3,16846⁄ ) 1144,606967 U = 36,00743 W m . K⁄

Sisi air

Karena kondisi radiator masih baru maka dampak fouling masih kecil, sehingga dapat diasumsikan ηo,h =1.

Maka, 1 U = 1 h + 1 ( A ⁄A )η _, .h 1

U =

1

1144,60697+

1

( 3,16846 0,56304⁄ ) 0,98385 × 43,85824 U = 202,628762W m . K⁄

Ntu dan Efektivitas Radiator

C = C × ṁ = 1007,22 × 0,828242 = 834,22222 W K⁄ = Cmax

C = C × ṁ = 4192,2 × 0,0613239 = 257,08193 W K⁄ = Cmin

Sehingga, N = A . U

C =

0,56304 × 202,628762

257,08193 = 0,443781 C

C = C =

257,081933

834,22222 = 0,30817

ε= 1−exp[ ( 1 C⁄ ) ( NTU) , _{{exp[−C ( NTU)} , _{] −1}]}

ε= 1−exp[ ( 1 0,30817⁄ ) ( 0,443781) , _{{exp[−0,30817( 0,443781)} , _{] −1}]}

ε= 0,335949 = 33,5949%

Temperatur keluar (Tho dan Tco)

Dengan mensubstitusikan persamaan (2.17) ke dalam persamaa (2.19) maka diperoleh :

T =

T 1− ε+ ε + εT 1 + ε

T =

353 1−0,335949 + 0,335949 ,

, + 0,335949.303

1 + 0,335949 ,

,

T = 337,7784325K = 64,7784325 C

Dengan menggunakan kesetimbangan energi panas, maka temperatur udara keluar : T = T + C

C ( T −T ) T = 303 + 257,081933

T = 307,6908K = 34,6908 C

Dari perhitungan diatas ternyata temperatur air dan udara keluar berbeda dengan temperatur air dan udara keluar yang dimisalkan pada awal perhitungan ini.

T = 34,6908 C≠35 C ,dan T = 64,7784325 ≠67 C

Maka perhitungan berlanjut dengan metode iterasi yang ditunjukkan pada tabel berikut:

Tabel 4.19. Iterasi untuk memperoleh temperatur fluida keluar pada kondisi laju aliran air 6,309.10-5 m3/s.

Thi Tci Kec. udara Tho sementara Tco sementara Th rata-rata

353 303 5 340 308 346,5

353 303 5 337,778432 307,6908244 345,3892162 353 303 5 337,774708 307,6909194 345,3873539 353 303 5 337,774712 307,6909167 345,3873562 (lanjutan tabel 4.19)

Tc rata-rata ρudara @Tci mc Gc mh

305,5 1,151416 0,828242314 7,739859024 0,061323871 305,3454122 1,151416 0,828242314 7,739859024 0,061323871 305,3454597 1,151416 0,828242314 7,739859024 0,061323871 305,3454584 1,151416 0,828242314 7,739859024 0,061323871

(lanjutan tabel 4.19)

Gh µh Cph kh Prh v air

45,0910817 0,0003818 4192,2 0,668 2,402 1,0249

45,0910817 0,000386587 4191,23353 0,668622746 2,4336529 1,02423353 45,0910817 0,000386598 4191,232412 0,668619766 2,4337311 1,024232412 45,0910817 0,000386598 4191,232414 0,66861977 2,433731 1,024232414

(lanjutan tabel 4.19)

µc Cpc kc Prc v udara Reh

0,00001872 1007,22 0,026707 0,70623 0,87687 393,2774 0,00001871 1007,213816 0,026696 0,70625 0,876424787 388,4077 0,00001871 1007,213818 0,026696 0,70625 0,876424924 388,3961 0,00001871 1007,213818 0,026696 0,70625 0,87642492 388,3961 (lanjutan tabel 4.19)

Rec St.Pr2/3 f St Nuh hc

2234,270508 0,004461606 0,014044043 0,005625923 5,7059 43,85824033 2235,141723 0,00446124 0,014041603 0,005625347 5,7059 43,85347823 2235,141456 0,004461241 0,014041604 0,005625347 5,7059 43,85347969 2235,141463 0,004461241 0,014041604 0,005625347 5,7059 43,85347965

(lanjutan tabel 4.19)

hh Uc Uh Cc Ch NTU

1144,606967 36,00742897 202,628762 834,2222237 257,081933 0,443781 1145,674032 36,01014828 202,644065 834,2171023 257,022665 0,443917 1145,668926 36,01012088 202,643911 834,2171038 257,022596 0,443917 1145,668932 36,01012089 202,643911 834,2171038 257,022597 0,443917 (lanjutan tabel 4.19)

Cr ε teoritis Tho Tco APudara APair

0,30817 0,335949 337,7784325 307,6908 10,921547 20860,38 0,3081 0,336032 337,7747078 307,6909 10,914106 21108,19 0,3081 0,336032 337,7747124 307,6909 10,914108 21108,8 0,3081 0,336032 337,7747124 307,6909 10,914108 21108,79

Dari tabel diatas dapat dilihat perhitungan dihentikan pada pengiterasian keempat, sehingga dapat disimpulkan temperatur air keluar (Tho) dan temperatur

udara keluar (Tco) secara teoritis untuk kondisi laju aliran air masuk ke dalam pipa

radiator 6,309.10-5 m3/s dan kecepatan udara 5 m/s adalah 337,7747124 K dan 307,6909 K atau 64,7747124 0C dan 34,6909 0C.

Dengan mengulang perhitungan diatas, hasil perhitungan perpindahan panas menyeluruh (Uh dan Uc), efisiensi radiator ( ), temperatur air keluar (Tho),temperatur

udara keluar (Tco), dan penurunan tekanan pada kedua fluida kerja (∆P dan

∆P ) pada kondisi debit air yang lain akan ditampilkan pada tabel berikut : Tabel 4.20. Hasil perhitungan teoritis.

Qair (m3/s)

(.10-5)

Tho

(0C)

Tco

(0C)

Uh

(W/m2.K)

Uc

(W/m2.K)

ε (%) ΔPudara (Pa) ΔPair (kPa) 6,309 64,7747 34,6908 202,64391 36,010121 33,6032 10,914 21,108 12,618 71,8497 35,4009 202,49828 35,984241 18,2745 10,922 40,459 18,927 74,4524 35,5687 202,53061 35,989987 12,4857 10,924 59,794 25,236 75,7648 35,7325 202,53865 35,991416 11,8201 10,927 79,124 31,545 76,564 35,8067 202,55582 35,994467 12,0079 10,928 98,446 37,854 76,8274 35,4511 228,37017 40,581714 13,5046 10,942 117,95 44,163 77,2265 35,2937 230,41144 40,944451 13,7071 10,945 137,29 50,448 77,5581 35,5347 231,86462 41,202685 13,8839 10,946 156,6 56,781 77,8016 35,4088 233,16312 41,433429 14,0137 10,948 175,92 63,09 77,9948 35,1856 234,28395 41,632603 14,1178 10,95 195,25 69,399 78,1815 35,5473 235,00127 41,760071 14,216 10,949 214,54

Tabel 4.21. Perbandingan temperatur kedua fluida antara eksperimental dan teoritis. Qair

(m3/s)

(.10-5)

TEORITIS EKSPERIMEN

Tho

(0C)

Tco

(0C)

Tho

(0C)

Tco

(0C) 6,309 64,7747 34,6908 67,83 35,33 12,618 71,8497 35,4009 69,47 35,8 18,927 74,4524 35,5687 70,53 35,93 25,236 75,7648 35,7325 71,5 36,2 31,545 76,564 35,8067 72,3 36,23 37,854 76,8274 36,4511 73,93 36,3 44,163 77,2265 36,2937 74,6 36,3 50,448 77,5581 36,5347 75,2 36,5 56,781 77,8016 36,4088 75,9 36,67 63,09 77,9948 36,1856 76,4 36,8 69,399 78,1815 36,5473 77,93 36,9

Pada gambar 4.7 dan 4.8. dibawah akan ditampilkan grafik perbandingan temperatur keluar kedua fluida antara eksperimental dan teoritis.

Gambar 4.8. Grafik laju aliran air terhadap temperatur air keluar radiator.

Gambar 4.9. Grafik laju aliran air terhadap temperatur udara melalui radiator.

Dari kedua gambar grafik diatas dapat dilihat, baik teori maupun eksperimen, menunjukkan karakteristik yang mendekati sama dengan harga yang tidak jauh

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 0.0008 T_ho(K)

Q (m3_/s)

t eori eksperimen 34.5 35 35.5 36 36.5 37 37.5

0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 0.0008 Tco (0C)

Q (m3_/s)

t eori eksperimen

Pada gambar 4.7 dan 4.8. dibawah akan ditampilkan grafik perbandingan temperatur keluar kedua fluida antara eksperimental dan teoritis.

Gambar 4.8. Grafik laju aliran air terhadap temperatur air keluar radiator.

Gambar 4.9. Grafik laju aliran air terhadap temperatur udara melalui radiator.

Dari kedua gambar grafik diatas dapat dilihat, baik teori maupun eksperimen, menunjukkan karakteristik yang mendekati sama dengan harga yang tidak jauh berbeda. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 0.0008 T_ho(K)

Q (m3_/s)

t eori eksperimen 34.5 35 35.5 36 36.5 37 37.5

0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 0.0008 Tco (0C)

Q (m3_/s)

t eori eksperimen

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Berdasarkan penelitian dan analisa yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan sebagai berikut :

1. Koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi terbesar terjadi pada kondisi laju aliran air masuk radiator 69,399. 10-5 m3/s, yaitu dengan koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi dingin Uc = 41,76237 W/m2.K, dan perpindahan panas

menyeluruh sisi panas Uh = 235,01421 W/m2.K .

2. Penurunan tekanan air yang minimum terjadi pada kondisi laju aliran air 6,309.10-5 m3/s, tetapi koefisien perpindahan panas menyeluruh yang terjadi

sangat rendah, yaitu ΔPair = 20,7566 kPa dan Uh = 202,64808 W/m2.K.

3. Unjuk kerja APK yang optimum adalah yang terjadi pada kondisi laju aliran air 44,163. 10-5 m3/s. Dimana pada daerah inilah koefisien perpindahan panas menyeluruh cukup besar, efektivitas tidak terlalu rendah dan penurunan tekanan yang tidak terlalu besar, yaitu Uh = 230,28928 W/m2K, ε = 13,73 %,

dan ∆P = 139,356 kPa.

4. Pada segala kondisi, temperatur air keluar radiator secara eksperimental lebih rendah ± 5oC dibanding dengan temperatur air keluar radiator secara teoritis, dan temperatur udara melalui radiator secara ekperimental lebih tinggi ± 0,4oC dibanding dengan temperatur udara melalui radiator secara teoritis.

5.2. Saran

Adapun saran untuk kelanjutan penelitian ini adalah:

1. Menggunakan karakteristik sirip radiator yang berbeda sesuai dengan jenis karakteristik sirip pada gambar 2.9.

2. Menggunakan pipa radiator dengan penampang yang berbeda. 3. Memvariasikan kecepatan aliran kedua fluida secara bersamaan.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Maleev N.L, Internal Combustion Engine, Mc Graw-Hill,Book Company, Inc, Singapore, (1982), Halaman 374

[2] Literatur [1] Halaman 385.

[3] Holman, J.P, Perpindahan Kalor, Penerbit Erlangga, Jakarta (2000). Halaman 2.

[4] Yunus A. Cengel, Heat Transfer A Practical Approach, Second Edition, Mc Graw-Hill,Book Company, Inc, Singapore, (2003), Halaman 26

[5] Literatur [4] Halaman 460.

[6] Literatur [3] Halaman 11.

[7] Literatur [4] Halaman 562.

[8] Literatur [3] Halaman 14.

[9] Taborek J., G.F. Hewiit, N. Afgan, Heat Exchangers – theory and practice, Mc Graw-Hill,Book Company, Inc, New York, (1983), Halaman 425.

[10] Literatur [9] Halaman 427.

[11] Literatur [9] Halaman 428.

[12] Literatur [9] Halaman 429.

[14] Kuppan T, Heat Exchanger Design Handbook, Marcel Dekker, Inc. New York (2000), Halaman 161 .

[15] Suprapto Olin. Motor Bakar, Angkasa, Bandung (1999), Halaman 25.

[16] Literatur [14] Halaman 166.

[17] http://www.google.com/encyclopedia/T/AE_radiator.html

[18] http://www.google.com/encyclopedia/T/AE_reliev_valve.html

[19] http://www.google.com/encyclopedia/T/AE_radiator_upper_tank.html

[20] http://www.google.com/encyclopedia/T/AE_radiator_lower_tank.html

[21] Incropera, Frank P., David P. Dewitt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, second edition, John Wiley & Sons Inc., New York (1985). Halaman 97.

[22] Literatur [21] Halaman 312.

[23] Literatur [14] Halaman 182.

[24] Literatur [14] Halaman 179.

[25] Kays W.M, A.L. London, Compact Heat Exchangers, third edition, Mc Graw-Hill,Book Company, Inc, New York, (1984), Halaman 39.

[26] Literatur [25] Halaman 8.

[27] Literatur [14] Halaman 176.

[29] Literatur [25] Halaman 186.

[30] Literatur [25] Halaman 175-177.

[31] Literatur [25] Halaman 192-196.

[32] Literatur [25] Halaman 307.

[33] Literatur [25] Halaman 121.

[34] Literatur [25] Halaman 121.

[35] Literatur [21] Halaman 398.

[36] Literatur [21] Halaman 399.

[37] Literatur [25] Halaman 15.

[38] Literatur [25] Halaman 62.

[39] Literatur [3] Halaman 498-499.

[40] Literatur [25] Halaman 498-499.