Efisiensi dan efektivitas sirip lurus berpenampang segilima fungsi posisi X keadaan tak tunak kasus 1 dimensi.
ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk (a) membuat program untuk mendapatkan
nilai efisiensi dan efektivitas sirip lurus berpenampang segilima yang berubah
terhadap posisi x pada keadaan tak tunak kasus 1 dimensi, (b) mendapatkan
efisiensi sirip berpenampang yang berubah terhadap posisi x pada keadaan tak
tunak kasus 1 dimensi, (c) mendapatkan efektivitas yang berubah terhadap posisi
x pada keadaan tak tunak kasus 1 dimensi, (d) mendapatkan hubungan antara
efisiensi dengan ξ pada keadaan tunak.
Metode yang digunakan dalam menghitung distribusi suhu pada penelitian
dilakukan dengan menggunakan metode komputasi beda hingga cara eksplisit
dengan batasan diasumsikan sifat bahan sirip seragam (massa jenis (ρ), kalor jenis
(c), dan koefisien perpindahan kalor konduksi (k) ) dan tetap (tidak berubah
terhadap waktu), tidak ada pembangkitan energy di dalam sirip, sirip tidak
mengalami perubahan bentuk saat proses, sifat fluida merata dan tetap, arah
perpindahan kalor konduksi hanya dalam satu arah yaitu arah x, dan suhu dasar
sirip tetap dari waktu ke waktu.a)
Hasil penelitian terhadap sirip lurus berpenampang segilima fungsi poisisi
x keadaan tak tunak kasus 1 dimensi adalah a)didapatkan kesimpulan bahwa
semakin kecil sudut kemiringan sirip akan membuat laju aliran kalornya besar,
nilai efisisiensi sudut kemiringan sirip besar maka nilai efisiensi akan bertambah
besar sedangkan efektivitasnya akan semakin kecil. Hal ini dibuktikan pada detik
ke-200 variasi sudut kemiringan sirip 3,5o ; 3,75o; 4o; 4,25o; dan 4,5omenghasilkan
nilai laju aliran kalor berturut-turut sebesar 53,205 W, 52,795 W, 52,398 W,
51,984 W, 51,582 dan nilai efisiensi sebesar 79,264 %, 79,284 %, 79,302 %,
79,317 %, 79,330 %, serta nilai efektivitas nya sebesar 11, 047; 10,96; 10,878;
10,794; dan 10,711. b) disimpulkan bahwa semakin besar koefisien perpindahan
kalor konveksinya maka laju aliran kalonya akan semakin besar, namun berbeda
dengan efisiensi serta efektivitasnya justru akan menurun. Hal ini dibuktikan
bahwa pada detik ke-200 variasi koefisien perpindahan kalor konveksi (h) yang
ditetapkan sebesar 50 W/m2 C, 100 W/m2 C, 250 W/m2 C, 500 W/m2 C,
dan 950 W/m2 C menghasilkan laju aliran kalor berturut-turut sebesar 30,062
W, 54,132 W, 106,46 W, 163,724 W, 233,086W dan efisiensinya sebesar 88,150
%, 79,366 %, 62,435 %, 48,009 %, 35,973 % serta nilai efektivitasnya sebesar
12,484; 11,240; 8,842; 6,799;dan 5,095.c) semakin besar difusivitas termal suatu
behan material sirip maka laju aliran kalor yang didapatkan sirip semakin besar.
Selain nilai laju aliran kalor yang semakin besar, semakin besar difusivitas termal
suatu bahan dasar sirip akan menghasilkan nilai efisiensi serta efektivitas yang
semakin besar.
Kata kunci : sirip segilima, efisiensi, efektivitas, perpindahan kalor, distribusi
suhu
i
ABSTRACT
This research was conducted to: (a) make a program to get value of
efficiency and effectiveness of straight fin function with pentagon profile which
was affected by x position 1 dimension case of unsteady state condition, (b) get
efficiency of straight fin function with pentagon profile which was affected by x
position 1 dimension case of unsteady state condition, (c) get effectiveness of
straight fin function with pentagon profile which was affected by x position 1
dimension case of unsteady state condition, and (d) get a comparison between the
efficiency and ξin unsteady state condition.
The method which was used in calculating heat distribution in this research
was computational method and numerical simulation, with finite-difference
method assumed that the materials of the fin are the same (material density (ρ),
specific heat (c), coefficient of thermal conductivity transfer (k) ) and steady from
time to time, no energy generation in the fin, the fin does not encounter any
changes during the process, the fluid disposition is well distributed and steady, the
thermal conductivity flows only in one direction which is x, and the basic thermal
is steady from time to time.
The result of the research with the object of straight fin function of x
position with pentagon profile 1 dimension case of unsteady state condition are:
(a) the smaller the oblique angle of the fin, the higher the heat transfer and vice
versa. It is proven in second 200, variation with the oblique angle of the fin which
are 3,5o ; 3,75o ; 4o ; 4,25o, and 4,5o produced the value of heat transfer which are
stated continously 53,205 W, 52,795 W, 52,398 W, 51,984 W, 51,582 and the
value of efficiency which are statedcontinously 79,264 %, 79,284 %, 79,302 %,
79,317 %, 79,330 % and the value of effectiveness which are stated continously
11, 047; 10,96; 10,878; 10,794; dan 10,711. (b) the higher the heat transfer
convection (h) coefficient, the rate of the thermal’s flow will be higher, however
the efficiency and effectiveness will get lower. It is proven in second 200, the
variation of heat transfer convection (h) that are defined as 50 W/m2 C, 100
W/m2 C, 250 W/m2 C, 500 W/m2 C, and 950 W/m2 C produced the rate of
the thermal’s flow which are stated continously 30,062 W, 54,132 W, 106,46 W,
163,724 W, 233,086W, the value of efficiency which are statedcontinously 88,150
%, 79,366 %, 62,435 %, 48,009 %, 35,973 %, and the value of effectiveness
which are statedcontinously 12,484; 11,240; 8,842; 6,799; and 5,095 (c) if the
diffusion thermal of a fin material is higher, the rate of heat flow that will be
higher too. The high rate of heat flow will also affect the thermal diffusion of a
fine base material to be higher and resulting the high value of efficiency and
effectiveness.
Keywords: pentagon fin, efficiency, effectiveness, heat transfer, thermal
distribution
ii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
EFESIENSI DAN EFEKTIVITAS SIRIP LURUS
BERPENAMPANG SEGI LIMA FUNGSI POSISI X
KEADAAN TAK TUNAK KASUS 1 DIMENSI
SKRIPSI
Untuk memenuhi sebagian persyaratan
mencapai derajat sarjana S-1 Teknik Mesin
Diajukan oleh
ANDREAS NUGROHO PRAMUDITO
NIM : 125214004
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2016
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
EFESIENSI DAN EFEKTIVITAS SIRIP LURUS
BERPENAMPANG SEGI LIMA FUNGSI POSISI X
KEADAAN TAK TUNAK KASUS 1 DIMENSI
SKRIPSI
Untuk memenuhi sebagian persyaratan
mencapai derajat sarjana S-1 Teknik Mesin
Diajukan oleh
ANDREAS NUGROHO PRAMUDITO
NIM : 125214004
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2016
i
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
EFFICIENCY AND EFFECTIVINESS OF STRAIGHT FIN
FUNCTION OF X POSITION WITH PENTAGONS PROFILE 1
DIMENSION CASE OF UNSTEADY STATE CODITION
FINAL PROJECT
As Partial fulfillment of the requirement
to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering
by :
ANDREAS NUGROHO PRAMUDITO
Student Number : 125214004
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2016
ii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk (a) membuat program untuk mendapatkan
nilai efisiensi dan efektivitas sirip lurus berpenampang segilima yang berubah
terhadap posisi x pada keadaan tak tunak kasus 1 dimensi, (b) mendapatkan
efisiensi sirip berpenampang yang berubah terhadap posisi x pada keadaan tak
tunak kasus 1 dimensi, (c) mendapatkan efektivitas yang berubah terhadap posisi
x pada keadaan tak tunak kasus 1 dimensi, (d) mendapatkan hubungan antara
efisiensi dengan ξ pada keadaan tunak.
Metode yang digunakan dalam menghitung distribusi suhu pada penelitian
dilakukan dengan menggunakan metode komputasi beda hingga cara eksplisit
dengan batasan diasumsikan sifat bahan sirip seragam (massa jenis (ρ), kalor jenis
(c), dan koefisien perpindahan kalor konduksi (k) ) dan tetap (tidak berubah
terhadap waktu), tidak ada pembangkitan energy di dalam sirip, sirip tidak
mengalami perubahan bentuk saat proses, sifat fluida merata dan tetap, arah
perpindahan kalor konduksi hanya dalam satu arah yaitu arah x, dan suhu dasar
sirip tetap dari waktu ke waktu.a)
Hasil penelitian terhadap sirip lurus berpenampang segilima fungsi poisisi
x keadaan tak tunak kasus 1 dimensi adalah a) didapatkan kesimpulan bahwa
semakin kecil sudut kemiringan sirip akan membuat laju aliran kalornya besar,
nilai efisisiensi sudut kemiringan sirip besar maka nilai efisiensi akan bertambah
besar sedangkan efektivitasnya akan semakin kecil. Hal ini dibuktikan pada detik
ke-200 variasi sudut kemiringan sirip 3,5o ; 3,75o; 4o; 4,25o; dan 4,5o
menghasilkan nilai laju aliran kalor berturut-turut sebesar 53,205 W, 52,795 W,
52,398 W, 51,984 W, 51,582 dan nilai efisiensi sebesar 79,264 %, 79,284 %,
79,302 %, 79,317 %, 79,330 %, serta nilai efektivitas nya sebesar 11, 047; 10,96;
10,878; 10,794; dan 10,711. b) disimpulkan bahwa semakin besar koefisien
perpindahan kalor konveksinya maka laju aliran kalonya akan semakin besar,
namun berbeda dengan efisiensi serta efektivitasnya justru akan menurun. Hal ini
dibuktikan bahwa pada detik ke-200 variasi koefisien perpindahan kalor konveksi
(h) yang ditetapkan sebesar 50 W/m2 C, 100 W/m2 C, 250 W/m2 C, 500 W/m2 C,
dan 950 W/m2 C menghasilkan laju aliran kalor berturut-turut sebesar 30,062 W,
54,132 W, 106,46 W, 163,724 W, 233,086W dan efisiensinya sebesar 88,150 %,
79,366 %, 62,435 %, 48,009 %, 35,973 % serta nilai efektivitasnya sebesar
12,484; 11,240; 8,842; 6,799;dan 5,095.c) semakin besar difusivitas termal suatu
behan material sirip maka laju aliran kalor yang didapatkan sirip semakin besar.
Selain nilai laju aliran kalor yang semakin besar, semakin besar difusivitas termal
suatu bahan dasar sirip akan menghasilkan nilai efisiensi serta efektivitas yang
semakin besar.
Kata kunci : sirip segilima, efisiensi, efektivitas, perpindahan kalor, distribusi
suhu
vii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
ABSTRACT
This research was conducted to: (a) make a program to get value of
efficiency and effectiveness of straight fin function with pentagon profile which
was affected by x position 1 dimension case of unsteady state condition, (b) get
efficiency of straight fin function with pentagon profile which was affected by x
position 1 dimension case of unsteady state condition, (c) get effectiveness of
straight fin function with pentagon profile which was affected by x position 1
dimension case of unsteady state condition, and (d) get a comparison between the
efficiency and ξ in unsteady state condition.
The method which was used in calculating heat distribution in this research
was computational method and numerical simulation, with finite-difference
method assumed that the materials of the fin are the same (material density (ρ),
specific heat (c), coefficient of thermal conductivity transfer (k) ) and steady from
time to time, no energy generation in the fin, the fin does not encounter any
changes during the process, the fluid disposition is well distributed and steady, the
thermal conductivity flows only in one direction which is x, and the basic thermal
is steady from time to time.
The result of the research with the object of straight fin function of x
position with pentagon profile 1 dimension case of unsteady state condition are:
(a) the smaller the oblique angle of the fin, the higher the heat transfer and vice
versa. It is proven in second 200, variation with the oblique angle of the fin which
are 3,5o ; 3,75o ; 4o ; 4,25o, and 4,5o produced the value of heat transfer which are
stated continously 53,205 W, 52,795 W, 52,398 W, 51,984 W, 51,582 and the
value of efficiency which are stated continously 79,264 %, 79,284 %, 79,302 %,
79,317 %, 79,330 % and the value of effectiveness which are stated continously
11, 047; 10,96; 10,878; 10,794; dan 10,711. (b) the higher the heat transfer
convection (h) coefficient, the rate of the thermal’s flow will be higher, however
the efficiency and effectiveness will get lower. It is proven in second 200, the
variation of heat transfer convection (h) that are defined as 50 W/m2 C, 100 W/m2
C, 250 W/m2 C, 500 W/m2 C, and 950 W/m2 C produced the rate of the thermal’s
flow which are stated continously 30,062 W, 54,132 W, 106,46 W, 163,724 W,
233,086W, the value of efficiency which are stated continously 88,150 %, 79,366
%, 62,435 %, 48,009 %, 35,973 %, and the value of effectiveness which are stated
continously 12,484; 11,240; 8,842; 6,799; and 5,095 (c) if the diffusion thermal of
a fin material is higher, the rate of heat flow that will be higher too. The high rate
of heat flow will also affect the thermal diffusion of a fine base material to be
higher and resulting the high value of efficiency and effectiveness.
Keywords: pentagon fin, efficiency, effectiveness, heat transfer, thermal
distribution
viii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat
dan rahmat-Nya sehingga penyusunan Skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik
dan lancar.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana
S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata
Dharma Yogyakarta.
Penulis menyadari bahwa dalam penyelesaian penelitian dan penyusunan
skripsi ini melibatkan banyak pihak. Dalam kesempatan ini, penulis mengucapkan
terima kasih kepada :
1. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin
Universitas Sanata Dharma Yogyakarta sekaligus sebagai Dosen pembimbing
skripsi.
2. A. Prasetyadi S.Si, MSi. , selaku Dosen Pembimbing Akademik
3. Seluruh staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi
Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah mendidik dan memberikan
berbagai ilmu pengetahuan yang sangat membantu dalam penyusunan skripsi
ini.
4.
Orang tua, Istiyarno, S.P. dan Istanti Budiarti, S.P. yang telah memberi
motivasi dan dukungan kepada penulis, baik secara materi maupun spiritual.
5.
Kakak, Rinata Henti Kristiana dan Kristina Kusumaning Dyah yang telah
memberi semangat dan motivasi kepada penulis.
ix
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
6.
Rekan-rekan mahasiswa Jurusan Teknik Mesin dan semua pihak yang tidak
dapat sebutkan satu persatu yang telah memberikan dorongan dan bantuan
dalam wujud apapun selama penyusunan skripsi ini.
Penulis menyadari bahwa dalam penyelesaian dan penyusunan skripsi ini
masih banyak kekurangan yang perlu diperbaiki, untuk itu penulis mengharapkan
masukan, kritik, dan saran dari berbagai pihak untuk dapat menyempurnakannya.
Semoga skripsi ini dapat bermanfaat, baik bagi penulis maupun pembaca. Terima
kasih.
Yogyakarta, 28 Juli 2016
Penulis
Andreas Nugroho Pramudito
x
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL………………………………………………………..
i
TITLE PAGE……………………………………………………………….
ii
HALAMAN PERSETUJUAN…………………………………………......
iii
HALAMAN PENGESAHAN………………………………………………
iv
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA……………………… v
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA
UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS.......................................................
vi
ABSTRAK……………….………………………………………………...
vii
ABSTRACT………………………………………………………………… viii
KATA PENGANTAR………………………………………………………
ix
DAFTAR ISI………………………………………………………………..
xi
DAFTAR GAMBAR………………………………………………………..
xv
DAFTAR TABEL ………………………………………………………….. xviii
BAB I PENDAHULUAN…………………………………………………..
1
1.1
Latar Belakang……………………………………………….….
1
1.2
Rumusan Masalah………………………………………….……
3
1.3
Tujuan Penelitian…………………………………………….....
3
1.4
Batasan Masalah……………………………………………..….
4
1.5
Manfaat Penelitian……………………………………….……...
4
BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA...............................
6
2.1
Perpindahan Kalor..............…………………………….............
6
2.2
Perpindahan Kalor Konduksi.......................................................
7
2.3
Konduktivitas Termal Material....................................................
9
2.4
Perpimdahan Panas Konveksi......................................................
10
2.4.1 Konveksi Bebas...................................................................
12
2.4.1.1 Bilangan Rayleigh (Ra)........................................
12
2.4.1.2 Bilangan Nusselt (Nu)..........................................
14
2.4.2 Konveksi Paksa...................................................................
14
xi
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
2.4.2.1 Aliran Laminer.....................................................
15
2.4.2.2 Aliran Turbulen.................................................... 15
2.4.2.3 Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Paksa....
16
2.5
Perpindahan Panas Radiasi..........................................................
17
2.6
Sirip..............................................................................................
18
2.7
Laju Perpindahan Kalor................................................................
19
2.8
Penurunan-penurunan Persamaan.................................................
20
2.8.1 Kesetimbangan Energi.........................................................
20
2.8.2 Pembagian Volume Kontrol Pada Sirip...............................
22
2.8.3 Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol Pangkal Sirip..
23
2.8.4 Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol Posisi Tengah
Sirip...................................................................................
24
2.8.5 Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol Posisi Ujung
Sirip......................................................................................
30
2.9
Efisiensi Sirip...............................................................................
35
2.10
Efektivitas Sirip............................................................................
36
2.11
Difusivitas Termal........................................................................
36
2.12
Bilangan Biot................................................................................
37
2.13
Penerapan Rumus Pada Persoalan ………………………………
37
2.13.1 Luas Penampang Volume Kontrol Sirip Segilima.............
38
2.13.2 Luas Selimut Volume Kontrol Sirip Segilima..................
40
2.13.3 Besar Volume dari Volume Kontrol Sirip Segilima.........
43
Tinjauan Pustaka..........................................................................
45
2.14
BAB III METODOLOGI PENELITIAN.....…………………………….....
47
3.1
Obyek Penelitian ……………………………………….............
47
3.2
Alur Penelitian.............................................................................
49
3.3
Langkah Penelitian......................................................................
50
3.4
Alat Bantu Penelitian..................................................................
50
3.5
Variasi Penelitian.........................................................................
51
3.6
Cara Pengambilan Data................................................................
51
xii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
3.7
Cara Pengolahan Data...................................................................
51
3.8
Cara Menyimpulkan.....................................................................
52
BAB IV HASIL PENELITIAN, PERHITUNGAN, DAN PEMBAHASAN
4.1
Data Penelitian dan Pengolahan Data....……………………...…
53
53
4.1.1 Hasil Perhitungan Untuk Variasi Sudut Kemitingan Sirip
dari Waktu ke Waktu saat Keadaan Tunak..........................
53
4.1.1.1 Distribusi Suhu untuk Variasi Sudut Kemiringan
Sirip dari Waktu ke Waktu....................................
4.1.1.2
Laju
Aloran
Kalor
untuk
Variasi
54
Sudut
Kemiringan Sirip dari Waktu ke Waktu................
56
4.1.1.3 Efisiensi untuk Variasi Sudut Kemiringan Sirip
dari Waktu ke Waktu.............................................
57
4.1.1.4 Efektivitas untuk Variasi Sudut Kemiringan Sirip
dari Waktu ke Waktu.............................................
57
4.1.2 Hasil Perhitungan untuk Variasi Koefisien Perpindahan
Kalor Konveksi (h) Sirip dari Waktu ke Waktu saat
Keadaan Tunak.....................................................................
4.1.2.1
Distribusi
Suhu
untuk
Variasi
58
Koefisien
Perpindahan Kalor Konveksi (h) Sirip dari Waktu
ke Waktu................................................................
58
4.1.2.2 Laju Aliran Kalor untuk Variasi Koefisien
Perpindahan Kalor Konveksi (h) Sirip dari Waktu
ke Waktu................................................................
4.1.2.3 Efisiensi
61
untuk Variasi Koefisien Perpindahan
Kalor Konveksi (h) Sirip dari Waktu ke
Waktu.....................................................................
62
4.1.2.4 Efektivitas untuk Variasi Koefisien Perpindahan
Kalor Konveksi (h) Sirip dari Waktu ke
Waktu.....................................................................
4.1.3 Hasil Perhitungan untuk Variasi Bahan Dasar Sirip dari
xiii
62
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Waktu ke Waktu Hingga Keadaan Tunak.........................
63
4.1.3.1 Distribusi Suhu untuk Variasi Bahan Dasar Sirip
dari Waktu ke Waktu.............................................
64
4.1.3.2 Laju Aliran Kalor untuk Variasi Bahan Dasar
Sirip dari Waktu ke waktu....................................
66
4.1.3.3 Efisiensi untuk Variasi Bahan Dasar Sirip dari
Waktu ke waktu.....................................................
67
4.1.3.4 Efektivitas untuk Variasi Bahan Dasar Sirip dari
4.2
Waktu ke waktu.....................................................
67
Pembahasan....................................................................................
68
4.2.1 Pembahasan untuk Variasi Kemiringan Sudut Sirip.............
68
4.2.2 Pembahasan untuk Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi
(h).........................................................................................
72
4.2.3 Pembahasan untuk Variasi Bahan Dasar Sirip......................
77
4.2.4 Pembahasan Perbandingan Grafik Hubungan Efiesiensi dan
ξ pada Literatur dan Hasil Penelitian................................
83
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan .....……………………………………………........
88
5.2 Saran.....................……………………….................................
90
DAFTAR PUSTAKA.....................................................................................
xiv
91
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1
Berbagai Jenis Bentuk Sirip.............................................
Gambar 1.2
Benda Uji, Sirip Lurus, Berpenampang Segilima Fungsi
Posisi x ............................................................................ 3
Gambar 2.1
Perpindahan Panas Konduksi...........................................
7
Gambar 2.2
Perpindahan Kalor Konveksi............................................
11
Gambar 2.3
Lapisan Batas Atas diatas Plat Trata Vertikal..................
13
Gambar 2.4
Berbagai Bentuk Permukaan Sirip...................................
19
Gambar 2.5
Kesetimbangan Energi pada Volume Kontrol..................
21
Gambar 2.6
Pembagian Volume Kontrol pada Sirip............................
23
Gambar 2.7
Kesetimbangan Energi pada Volume Kontrol Pangkal
Sirip................................................................................... 24
Gambar 2.8
Kesetimbangan Energi pada Node yang Treletak di
dalam Sirip........................................................................ 26
Gambar 2.9
Kesetimbangan Eenergi pada Node Ujung Sirip..............
Gambar 2.10
Volume Kontrol di Dalam Sirip........................................ 38
Gambar 2.11
Permukaan Segilima.........................................................
Gambar 2.12
Luas Selimut Volume Kontrol yang Berubah Terhadap
Posisi x ............................................................................. 41
Gambar 3.1
Benda Uji Sirip Berpenampang Segilima Berubah
Terhadap Posisi x.............................................................. 47
Gambar 3.2
Pembagian Volume Kontrol pada Sirip............................
48
Gambar 3.3
Skematik Diagram Alur Penelitian...................................
49
Gamabar 4.1
Grafik laju Aliran Kalor Sirip Berpenampang Segilima
xv
2
30
39
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Variasi Kemiringan Sudut, dari Waktu ke Waktu
Keadaan Tak Tunak Hingga Tunak..................................
69
Gambar 4.2
Grafik
Hasil
Perhitungan
Effiesiensi
Sirip
Berpenampang Segilima Variasi Kemiringan Sudut, dari
Waktu ke Waktu Keadaan Tak Tunak Hingga
Tunak................................................................................ 69
Gambar 4.3
Grafik
Hasil
Perhitungan
Efektivitas
Sirip
Berpenampang Segilima Variasi Kemiringan Sudut, dari
Waktu ke Waktu Keadaan Tak Tunak Hingga
Tunak................................................................................ 70
Gambar 4.4
Grafik Hasil Perhitungan Laju aliran Kalor Sirip
Penamang Segilima Variasi Koefisien Perpindahan
Kalor Konveksi (h), Waktu ke Waktu Keadaan Tak
Tunak Hingga Tunak........................................................ 73
Gambar 4.5
Grafik Hasil Perhitungan Efisiensi Sirip Penamang
Segilima Variasi Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi
(h), Waktu ke Waktu Keadaan Tak Tunak Hingga
Tunak............................................................................... 73
Gambar 4.6
Grafik Hasil Perhitungan Efektivitas Sirip Penamang
Segilima Variasi Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi
(h), Waktu ke Waktu Keadaan Tak Tunak Hingga
Tunak................................................................................ 74
Gambar 4.7
Grafik Hasil Perhitungan Laju Aliran Kalor Sirip
Penampang Segilima Variasi Bahan Dasar Sirip Waktu
ke Waktu Keadaan Tak Tunak Hingga Tunak................ 77
Gambar 4.8
Grafik Hasil Perhitungan Efisiensi Sirip Penampang
Segilima Variasi Bahan Dasar Sirip Waktu ke Waktu
Keadaan Tak Tunak Hingga Tunak.................................. 78
Gambar 4.9
Grafik Hasil Perhitungan Efektivitas Sirip Penampang
Segilima Variasi Bahan Dasar Sirip Waktu ke Waktu
Keadaan Tak Tunak Hingga Tunak.................................. 78
Gambar 4.10
Grafik
Hubungan
Efisiensi
xvi
dan
ξ
pada
Sirip
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Berpenampang Segilima yang Luasnya Berubah 85
Terhadap Posisi x, Data Hasil Penelitian.........................
Gambar 4.11
Perbandingan Grafik Hubungan Efisiensi dan ξ pada
Sirip Berpenampang Segilima yang Luasnya berubah
Terhadap Posisi x yang Ditinjau dalam Penelitian
dengan Sirip Silinder yang Terdapat pada Literatur
(Cangel, 1998).................................................................. 87
xvii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1
Nilai Konduktivitas Termal Berbagai Bahan.......................
9
Tabel 2.2
Nilai C dan n untuk Persamaan 2.6......................................
16
Tabel 2.3
Nilai C dan n untuk Bentuk Penampang Tidak Bulat...........
17
Tabel 4.1
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Dari waktu ke Waktu,
54
Variasi Kemiringan Sudut (θ) = 3,5o, Bahan Alumunium....
Tabel 4.2
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Dari waktu ke Waktu,
Variasi
Kemiringan
Sudut
(θ)
=
3,75o,
Bahan
Alumunium...........................................................................
Tabel 4.3
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Dari waktu ke Waktu,
Variasi
Kemiringan
Sudut
(θ)
=
4o,
Bahan
Alumunium...........................................................................
Tabel 4.4
Kemiringan
Sudut
(θ)
=
4,25o,
Bahan
Alumunium...........................................................................
Kemiringan
Sudut
(θ)
=
4,5o,
Bahan
Alumunium...........................................................................
Hasil Perhitungan Efektivitas
57
dari Waktu ke Waktu,
variasi Kemiringan Sudut, Bahan Alumunium.....................
Tabel 4.9
56
Hasil Perhitungan Efisiensi Kalor dari Waktu ke Waktu,
variasi Kemiringan Sudut, Bahan Alumunium.....................
Tabel 4.8
56
Hasil Perhitungan Laju Aliran Kalor dari Waktu ke Waktu,
variasi Kemiringan Sudut, Bahan Alumunium.....................
Tabel 4.7
55
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Dari waktu ke Waktu,
Variasi
Tabel 4.6
55
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Dari waktu ke Waktu,
Variasi
Tabel 4.5
54
57
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Untuk Variasi Koefisien
perpindahan kalor Konveksi (h) = 50 W/m2 oC , Bahan
Alumunium......................................................................
Tabel 4.10
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Untuk Variasi Koefisien
perpindahan kalor Konveksi (h) = 100 W/m2 oC , Bahan
xviii
59
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Alumunium..................................................................
Table 4.11
59
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Untuk Variasi Koefisien
perpindahan kalor Konveksi (h) = 250 W/m2 oC , Bahan
Alumunium..................................................................
Tabel 4.12
60
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Untuk Variasi Koefisien
perpindahan kalor Konveksi (h) = 500 W/m2 oC , Bahan
Alumunium..................................................................
Tabel 4.13
60
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Untuk Variasi Koefisien
perpindahan kalor Konveksi (h) = 950 W/m2 oC , Bahan
Alumunium..................................................................
Tabel 4.14
61
Hasil Perhitungan Laju Aliran Kalor untuk Variasi
Koefisien Pernpindahan Kalor Konveksi (h), Bahan
Alumunium ....................................................................
Tabel 4.15
Hasil Perhitungan Efisiensi untuk Variasi Koefisien
Pernpindahan Kalor Konveksi (h), Bahan Alumunium........
Tabel 4.16
62
Hasil Perhitungan Efektivitas untuk Variasi Koefisien
Pernpindahan Kalor Konveksi (h), Bahan Alumunium........
Tabel 4.17
61
63
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu untuk variasi Bahan
Sirip Besi Murni, Sudut Kemiringan θ = 3o dengan
Koefisian Perpindahan Kalor Konveksi = 100 W/m2
64
o
C.................................................................................
Tabel 4.18
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu untuk variasi Bahan
Sirip Seng Murni, Sudut Kemiringan θ = 3o dengan
Koefisian Perpindahan Kalor Konveksi = 100 W/m2
o
C.................................................................................
Tabel 4.19
65
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu untuk variasi Bahan
Sirip Alumunium Murni, Sudut Kemiringan θ = 3o dengan
Koefisian Perpindahan Kalor Konveksi = 100 W/m2
o
C.................................................................................
Tabel 4.20
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu untuk variasi Bahan
xix
65
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Sirip Nikel Murni, Sudut Kemiringan θ = 3o dengan
Koefisian Perpindahan Kalor Konveksi = 100 W/m2
o
C.................................................................................
Tabel 4.21
66
Hasil Perhitungan Laju Aliran Kalor untuk Variasi bahan
Dasar Sirip Sudut Kemiringan Sirip (θ) 3o dengan h = 100
W/m2 oC ........................................................................
Tabel 4.22
66
Hasil Perhitungan Efisiensi untuk Variasi bahan Dasar
Sirip Sudut Kemiringan Sirip (θ) 3o dengan h = 100 W/m2
o
C ..................................................................................
Tabel 4.23
67
Hasil Perhitungan Efektivitas untuk Variasi bahan Dasar
Sirip Sudut Kemiringan Sirip (θ) 3o dengan h = 100 W/m2
o
C .................................................................................
Tabel 4.24
68
Nilai Konduktivitas Termal, Masa Jenis, Kalor Jenis, dan
Difusivitas Termal Masing-masing Bahan Sirip pada
Penelitian........................................................................
Tabel 4.25
79
Hasil Perbandingan Efisiensi pada Sirip yang Ditinjau
dalam Penelitian dengan Sirip Silinder yang Terdapat pada
Literatur (Cengel, 1998)...................................................
xx
86
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Seperti diketahui pada jaman sekarang ini masyarakat mengalami pola
perubahan kehidupan. Perubahan ini disebabkan oleh kemajuan teknologi yang
semakin lama semakin canggih dalam era modernisasi ini. Pada bidang industri
banyak sekali dijumpai pemakaian sirip yang dipergunakan untuk memperluas
permukaan benda. Kendaraan bermotor menggunakan sirip seperti terletak pada
radiator dan pada sepeda motor yang terdapat di kepala silinder. Kompresor juga
menggunakan sirip, serta banyak barang-barang elektronik seperti pada mind bord
komputer, televisi, laptop dan sebagainya yang menggunakan sirip. Sebagai
contoh sebuah mind board komputer jika terlalu tinggi suhu yang dihasilkan
akibat kerja yang dilakukan maka sebuah mind board komputer dapat tidak
bekerja optimal sehingga mind bord yang merupakan komponen utama pada
sebuah komputer dapat mengalami gagal beroperasi yang sering disebut hang. Hal
ini tentu sangatlah merugikan bahkan menghambat sebuah pekerjaan.
Sirip merupakan piranti yang berfungsi sebagai sistem pendingin pada
suatu mesin. Prinsip penggunaan sirip ini adalah memperluas permukaan. Adanya
celah-celah pada suatu mesin membuat luas permukaan semakin besar sehingga
proses penarikan kalor yang dihasilkan kerja suatu semakin cepat mengalir dan
terbuang ke lingkungan. Hasilnya mesin menjadi lebih dingin. Memperluas
bidang permukaan suatu mesin dapat mempercepat proses perpindahan kalor.
1
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
2
Banyak faktor yang membuat penelitian tentang sirip sulit dilakukan,
antara lain keterbatasan dalam menghitung perubahan suhu yang terjadi pada sirip
dengan akurat. Karena waktu yang sangat cepat, maka hanya sedikit pula
pengetahuan tentang distribusi suhu, laju perpindahan kalor, efisiensi dan
efektifitas pada sirip. Hanya sirip-sirip bentuk sederhana saja yang sudah
ditentukan efisiensinya, itu pun tidak disertai dengan perincian yang jelas dari
mana mendapatkannya dan hanya terbatas pada bentuk-bentuk yang sederhana.
Berbagai jenis permukaan bersirip dengan berbagai variasi bentuk dapat dilihat
pada Gambar 1.1.
Gambar 1.1 Berbagai jenis bentuk sirip
(Sumber : Holman, J.P., Perpindahan Kalor, hal 44 )
Berangkat dari permasalahn tersebut, maka penulis terpancing untuk
melakukan penelitian efisiensi dan efektifitas sirip berpenampang tertentu yang
berubah terhadap posisi x pada keadaan tak tunak dengan menggunakan metode
komputasi.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
3
1.2
Rumusan Masalah
Perhitungan efisiensi dan efektifitas sirip untuk penampang sirip yang
tidak tetap terhadap posisi, merupakan persoalan yang tidak mudah untuk
diselesaikan. Pada buku-buku referensi yang ada, perhitungan sirip hanya
diberikan untuk kasus-kasus dengan bentuk-bentuk tertentu dan dalam keadaan
tunak. Bagaimanakah cara mendapatkan nilai efisiensi dan efektifitas sirip dengan
bentuk sirip lurus berpenampang segilima fungsi posisi x pada keadaan tak tunak
(lihat Gambar 1.2) ?
Gambar 1.2 Benda Uji Sirip Lurus Berpenampang Segilima Fungsi Posisi x
1.3
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
a. Membuat program untuk mendapatkan nilai efisiensi dan efektifitas sirip lurus
berpenampang segi lima yang berubah terhadap posisi x, pada keadaan tak
tunak kasus 1 dimensi.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
4
b. Mendapatkan efisiensi sirip dengan penampang segi lima yang berubah
terhadap posisi x, pada keadaan tak tunak kasus 1 dimensi.
c. Mendapatkan efektifitas sirip dengan penampang segi lima yang berubah
terhadap posisi x, pada keadaan tak tunak kasus 1 dimensi.
d. Mendapatkan hubungan antara efisiensi dengan ξ pada keadaan tunak
1.4
Batasan-batasan di Dalam Penelitian
Batasan masalah yang diambil pada penelitian ini :
a. Sifat bahan sirip seragam (massa jenis (ρ), kalor jenis (c), dan koefisien
perpindahan kalor konduksi (k) ) dan tetap (tidak berubah terhadap waktu).
b. Tidak ada pembangkitan energi di dalam sirip.
c. Selama proses, sirip tidak mengalami perubahan bentuk dan sifat.
d. Sifat-sifat fluida di sekitar sirip merata dan tetap (suhu fluida dan nilai
koefisien perpindahan kalor konveksi h).
e. Arah perpindahan kalor konduksi hanya dalam satu arah yaitu arah x.
f. Suhu dasar sirip tetap dari waktu ke waktu.
1.5
Manfaat Penelitian
Penelitian yang dilakukan diharapkan dapat memeberikan manfaat sebagai
berikut :
a. Hasil penelitian dapat dipergunakan sebagai bahan referensi bagi para peneliti
yang terkait dengan efisiensi dan efektifitas sirip.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
5
b. Hasil penelitian dapat disimpan di perpustakaan untuk menambah wawasan
ilmu pengetahuan tentang perhitungan efisiensi dan efektifitas sirip, dengan
metode komputasi
c. Memberikan alternatif pencarian efisiensi, dan efektifitas pada sirip keadaan
tak tunak dengan menggunakan metode komputasi.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
BAB II
DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Perpindahan Kalor
Kalor telah diketahui dapat berpindah dari tempat dengan temperature
tinggi ke tempat dengan temperature yang lebih rendah. Hukum pencampuran
kalor juga terjadi karena kalor itu berpindah dalam bentuk pertukaran panas
dengan luar sistem. Oleh karena itu perpindahan panas adalah suatu ilmu untuk
meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu
diantara benda atau material. Ilmu perpindahan kalor tidak hanya mencoba
menjelaskan bagaimana energi kalor itu berpindah dari satu benda ke benda lain,
tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan yang terjadi pada kondisi-kondisi
tertentu.. Termodinamika membahas sistem dalam kesetimbangan, ilmu ini dapat
digunakan untuk meramalkan energi yang diperlukan untuk mengubah sistem dari
suatu keadaan seimbang ke keadaan seimbang lain, tetapi tidak dapat meramalkan
keepatan perpindahan itu. Halitu disebabkan karena pada waktu proses
perpindahan itu berlangsung, sistem berada dalam keadaan tidak seimbang. Ilmu
perpindahan kalor melengkapi hukum pertama dan kedua termodinamika yaitu
dengan memberikan beberapa kaidah percobaan yang dapat dimanfaatkan untuk
menentukan perpindahan energi.Jenis-jenis perpindahan panas antara lain adalah
perpindahan panas secara konduksi,perpindahan panas secara konveksi,dan
perpindahan panas secara radiasi.
6
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
7
2.2 Perpindahan Kalor Konduksi
Konduksi adalah proses perpindahan kalor melalui benda padat dari satu
bagian ke bagian yang lain dengan perubahan temperatur sebagai parameter tanpa
diikuti oleh perpindahan partikelnya dan disertai perpindahan energi kinetik dari
setiap molekulnya. Perpindahan panas konduksi ini dapat terjadi apabila ada
media rambat yang bersifat diam.
Δx
A
k
qx
T1
T2
Gambar 2.1 Perpindahan Panas Konduksi
Persamaan perpindahan panas secara konduksi menurut Fourier dinyatakan
dengan Persamaan (2.1) :
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
8
Pada Persamaan (2.1) :
: gradient suhu ke arah perpindahan kalor,
qx
: laju perpindahan kalor konduksi, W
k
: konduktivitas termal bahan, W/m°C
A
: luas penampang tegak lurus terhadap arah rambatan kalor, m2
: perbedaan temperature antara titik perpindahan kalor, °C
: jarak antar titik perpindahan kalor, m
T1
: suhu pada titik ke 1, °C
T2
: suhu pada titik ke 2, °C
Tanda minus pada persamaan perpindahan kalor secara konduksi tersebut
dimaksudkan
agar
persamaan
diatas
memenuhi
hukum
kedua
termodinamika,yaitu panas akan mengalir dari suhu yang tinggi ke suhu yang
rendah.
Jika dilihat secara seksama, persamaan perpindahan kalor secara konduksi
Fourier ini mirip dengan persamaan konduksi elektrik milik Ohm dimana jika
pada persamaan Fourier terdapat nilai k yang merupakan konduktivitas termal
sedangkan pada persamaan milik Ohm terdapat ρ yang merupakan resistensi
elektrik. Dikarenakan kesamaan bentuk persamaan,maka dapat dianalogikan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
9
bahwa konduktivitas termal panas memiliki kemiripan dengan model elektrik
milik Ohm.
2.3 Konduktivitas Termal Material
Konduktivitas termal bahan k bukanlah sebuah konstanta yang selalu
bernilai konstan,tetapi nilai konduktivitas termal bahan ini dapat berubah sesuai
fungsi
temperatur.Walaupun
berubah
sesuai
fungsi
temperatur,
dalam
kenyataannya perubahannya sangat kecil sehingga diabaikan.Selain itu, nilai
konduktivitas termal menunjukkan berapa cepat kalor mengalir dalam bahan
tertentu. Bahan yang memiliki nilai konduktivitas tinggi dinamakan konduktor
dan bahan yang memiliki nilai konduktivitas rendah dinamakan isolator sehingga
dapat dikatakan bahwa konduktivitas termal bahan merupakan suatu besaran
intensif material, yang menunjukkan kemampuan material menghantarkan panas.
Nilai konduktivitas termal beberapa bahan dapat dilihat pada Tabel 2.1
Tabel 2.1 Nilai Konduktivitas Termal Berbagai Bahan
Bahan
Logam
Perak (murni)
Tembaga (murni)
Alumunium (murni)
Nikel (murni)
Besi (murni)
Baja Karbon, 1% C
Timbal (murni)
Baja Krom-Nikel (18%Cr, 8% Ni)
Bukan Logam
Kuarsa (sejajar sumbu)
Magnesit
Marmar
Batu Pasir
Konduktivitas Termal k
W/m°C
BTU hr ft
410
385
202
93
73
43
35
16,3
237
223
117
54
42
25
20,3
9,4
41,6
4,15
2,08-2,94
1,83
24
2,4
1,2-1,7
1,06
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
10
Kaca, jendela
Kayu maple atau ek
Serbuk gergaji
Wol kaca
Bahan
Zat Cair
Air raksa
Air
Amonia
Minyak lumas, SAE 50
Freon 12, CCl2F2
Gas
Hidrogen
Helium
Udara
Uap air (jenuh)
Karbondioksida
0,78
0,45
0,17
0,096
0,059
0,034
0,038
0,022
Konduktivitas Termal k
W/m°C
BTU hr ft
8,21
0,556
0,540
0,147
0,073
4,74
0,327
0,312
0,085
0,04
0,175
0,141
0,024
0,0206
0,0146
0,101
0,081
0,0139
0,0119
0,00844
Modus lainnya adalah energi dapat berpindah sebagai energi getaran
dalam struktur kisi-kisi bahan. Namun pada umumnya perpindahan energi melalui
getaran ini tidaklah sebanyak dengan cara angkutan elektron. Karena itu,
penghantar listrik yang baik selalu merupakan penghantar kalor yang baik pula,
seperti tembaga, alumunium, dan perak.
2.4 Perpindahan Panas Konveksi
Konveksi adalah adalah proses perpindahan kalor dengan kerja gabungan
dari konduksi panas. Penyimpanan energi,gerakan mencampur oleh fluida cair
atau gas.Gerakan fluida merupakan hasil dari perbedaan massa jenis dikarenakan
perbedaan temperatur.Awalnya perpindahan panas konveksi diawali dengan
mengalirnya panas secara konduksi dari permukaan benda padat ke partikelpartikel fluida yang berbatasan dengan permukaan benda padat tersebut yang
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
11
diikuti dengan perpindahan partikelnya ke arah partikel yang memiliki energi dan
temperatur yang lebih rendah dan hasilnya,partikel-partikel fluida tersebut akan
bercampur
qkonv
Tw
U∞
As
T∞
∞∞
∞
Gambar 2.2 Perpindahan Kalor Konveksi
Persamaan perpindahan kalor secara konveksi dinyatakan dengan Persamaan
(2.2):
qkonv = h As (Tw-T∞)
Pada Persamaan (2.2) :
qkonv
: laju perpindahan panas konveksi, W
h
: koefisien perpindahan kalor konveksi material, W/m2°C
As
: luas permukaan yang bersentuhan dengan fluida , m2
Tw
: temperatur pada permukaan dinding , °C
: temperatur fluida di sekitar sirip, °C
...(2.2)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
12
2.4.1 Konveksi Bebas
Konveksi bebas terjadi dikarenakan fluida yang dikarenakan proses
pemanasan berubah densitasnya (kerapatannya) dan bergerak naik. Perbedaan
rapat massa ini akan menimbulkan arus konveksi. Fluida dengan rapat massa yang
lebih kecil akan mengalir ke atas dengan fluida dengan rapat massa yang lebih
besar dan turun ke bawah. Jika gerakan fluida ini terjadi hanya disebabkan adanya
perbedaan rapat massa akibat adanya perbedaan suhu, maka mekanisme
perpindahan kalor seperti inilah yang di sebut konveksi bebas.
Dalam penghitungan besaran perpindahan konveksi bebas, perlu diketahui
nilai koefisien perpindahan kalor konveksi h terlebih dahulu. Untuk mencari nilai
koefisien tersebut, perlu terlebih dahulu mencari Bilangan Nusselt (Nu) karena
Bilangan Nusselt merupakan fungsi dari Bilangan Rayleigh (Ra)
2.4.1.1 Bilangan Rayleigh (Ra)
Penghitungan bilangan Rayleigh (Ra) dapat diperoleh dengan Persamaan
(2.3):
Pada Persamaan (2.3)
dan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
13
Pada Persamaan (2.3) :
Pr
= bilangan Prandtl
Gr
= bilangan Grashof
g
= percepatan gravitasi, m/s2
= panjang karakteristik, untuk dinding vertikal = L, m
Ts
= suhu dinding, K
T∞
= suhu fluida, K
Tf
= suhu film, K
v
= viskositas kinematik, m2/detik
Turbulen
x
y
Tw
Laminer
Gambar 2.3 Lapisan Batas Di Atas Plat Rata Vertikal
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
14
2.4.1.2 Bilangan Nusselt (Nu)
Bilangan Nusselt (Nu) untuk konveksi bebas dapat diperoleh dengan
menggunakan Persamaan (2.4).
Untuk Ra
1012, berlaku Persamaan (2.4)
⁄
⁄
Dari bilangan Nusselt (Nu), dapat diperoleh nilai koefisien perpindahan
kalor konveksi.
atau
Pada Persamaan (2.5) :
Nu
= bilangan Nusselt
kf
= konduktivitas termal fluida,
h
= koefisien perpindahan kalor konveksi fluida, W/m2 C
m
2.4.2 Konveksi Paksa
Konveksi paksa merupakan proses perpindahan kalor konveksi yang
ditandai dengan adanya fluida yang bergerak yang disebabkan oleh alat bantu
seperti kipas dan pompa. Akibat dari perbedaan suhu antara benda dan fluida
mengakibatkan panas mengalir dari antara benda dan fluida mengakibatkan kalor
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
15
mengalir antara benda dan fluida yang mengakibatkan perubahan densitas lapisan
permukaan fluida yang ada di dekat permukaan.
Untuk menghitung laju perpindahan kalor konveksi harus diketahui nilai
koefisien perpindahan kalor konveksi h. Sedangkan untuk mencari nilai koefisien
tersebut dapat dicari terlebih dahulu dengan bilangan Nusselt. Bilangan Nusselt
dapat dicari dengan menggunakan Bilangan Reynold. Karena pada konveksi
paksa bilangan Nusselt merupakan fungsi dari bilangan Reynold, Nu = f (Re.Pr).
Bilangan Nusselt yang dipilih harus sesuai dengan aliran fluidanya, karena
bilangan Nusselt untuk setiap aliran fluida berbeda-beda.
2.4.2.1 Aliran Laminer
Syarat aliran laminer adalah Rex< 5 x 105 dan Bilangan Reynold dapat dicari
dengan menggunakan Persamaan (2.6).
Untuk persamaan Nusselt dengan x = 0 sampai dengan x = L :
⁄
⁄
2.4.2.2 Aliran Turbulen
Syarat aliran turbulen adalah 5 x 105< Rex
Penelitian ini bertujuan untuk (a) membuat program untuk mendapatkan
nilai efisiensi dan efektivitas sirip lurus berpenampang segilima yang berubah
terhadap posisi x pada keadaan tak tunak kasus 1 dimensi, (b) mendapatkan
efisiensi sirip berpenampang yang berubah terhadap posisi x pada keadaan tak
tunak kasus 1 dimensi, (c) mendapatkan efektivitas yang berubah terhadap posisi
x pada keadaan tak tunak kasus 1 dimensi, (d) mendapatkan hubungan antara
efisiensi dengan ξ pada keadaan tunak.
Metode yang digunakan dalam menghitung distribusi suhu pada penelitian
dilakukan dengan menggunakan metode komputasi beda hingga cara eksplisit
dengan batasan diasumsikan sifat bahan sirip seragam (massa jenis (ρ), kalor jenis
(c), dan koefisien perpindahan kalor konduksi (k) ) dan tetap (tidak berubah
terhadap waktu), tidak ada pembangkitan energy di dalam sirip, sirip tidak
mengalami perubahan bentuk saat proses, sifat fluida merata dan tetap, arah
perpindahan kalor konduksi hanya dalam satu arah yaitu arah x, dan suhu dasar
sirip tetap dari waktu ke waktu.a)
Hasil penelitian terhadap sirip lurus berpenampang segilima fungsi poisisi
x keadaan tak tunak kasus 1 dimensi adalah a)didapatkan kesimpulan bahwa
semakin kecil sudut kemiringan sirip akan membuat laju aliran kalornya besar,
nilai efisisiensi sudut kemiringan sirip besar maka nilai efisiensi akan bertambah
besar sedangkan efektivitasnya akan semakin kecil. Hal ini dibuktikan pada detik
ke-200 variasi sudut kemiringan sirip 3,5o ; 3,75o; 4o; 4,25o; dan 4,5omenghasilkan
nilai laju aliran kalor berturut-turut sebesar 53,205 W, 52,795 W, 52,398 W,
51,984 W, 51,582 dan nilai efisiensi sebesar 79,264 %, 79,284 %, 79,302 %,
79,317 %, 79,330 %, serta nilai efektivitas nya sebesar 11, 047; 10,96; 10,878;
10,794; dan 10,711. b) disimpulkan bahwa semakin besar koefisien perpindahan
kalor konveksinya maka laju aliran kalonya akan semakin besar, namun berbeda
dengan efisiensi serta efektivitasnya justru akan menurun. Hal ini dibuktikan
bahwa pada detik ke-200 variasi koefisien perpindahan kalor konveksi (h) yang
ditetapkan sebesar 50 W/m2 C, 100 W/m2 C, 250 W/m2 C, 500 W/m2 C,
dan 950 W/m2 C menghasilkan laju aliran kalor berturut-turut sebesar 30,062
W, 54,132 W, 106,46 W, 163,724 W, 233,086W dan efisiensinya sebesar 88,150
%, 79,366 %, 62,435 %, 48,009 %, 35,973 % serta nilai efektivitasnya sebesar
12,484; 11,240; 8,842; 6,799;dan 5,095.c) semakin besar difusivitas termal suatu
behan material sirip maka laju aliran kalor yang didapatkan sirip semakin besar.
Selain nilai laju aliran kalor yang semakin besar, semakin besar difusivitas termal
suatu bahan dasar sirip akan menghasilkan nilai efisiensi serta efektivitas yang
semakin besar.
Kata kunci : sirip segilima, efisiensi, efektivitas, perpindahan kalor, distribusi
suhu
i
ABSTRACT
This research was conducted to: (a) make a program to get value of
efficiency and effectiveness of straight fin function with pentagon profile which
was affected by x position 1 dimension case of unsteady state condition, (b) get
efficiency of straight fin function with pentagon profile which was affected by x
position 1 dimension case of unsteady state condition, (c) get effectiveness of
straight fin function with pentagon profile which was affected by x position 1
dimension case of unsteady state condition, and (d) get a comparison between the
efficiency and ξin unsteady state condition.
The method which was used in calculating heat distribution in this research
was computational method and numerical simulation, with finite-difference
method assumed that the materials of the fin are the same (material density (ρ),
specific heat (c), coefficient of thermal conductivity transfer (k) ) and steady from
time to time, no energy generation in the fin, the fin does not encounter any
changes during the process, the fluid disposition is well distributed and steady, the
thermal conductivity flows only in one direction which is x, and the basic thermal
is steady from time to time.
The result of the research with the object of straight fin function of x
position with pentagon profile 1 dimension case of unsteady state condition are:
(a) the smaller the oblique angle of the fin, the higher the heat transfer and vice
versa. It is proven in second 200, variation with the oblique angle of the fin which
are 3,5o ; 3,75o ; 4o ; 4,25o, and 4,5o produced the value of heat transfer which are
stated continously 53,205 W, 52,795 W, 52,398 W, 51,984 W, 51,582 and the
value of efficiency which are statedcontinously 79,264 %, 79,284 %, 79,302 %,
79,317 %, 79,330 % and the value of effectiveness which are stated continously
11, 047; 10,96; 10,878; 10,794; dan 10,711. (b) the higher the heat transfer
convection (h) coefficient, the rate of the thermal’s flow will be higher, however
the efficiency and effectiveness will get lower. It is proven in second 200, the
variation of heat transfer convection (h) that are defined as 50 W/m2 C, 100
W/m2 C, 250 W/m2 C, 500 W/m2 C, and 950 W/m2 C produced the rate of
the thermal’s flow which are stated continously 30,062 W, 54,132 W, 106,46 W,
163,724 W, 233,086W, the value of efficiency which are statedcontinously 88,150
%, 79,366 %, 62,435 %, 48,009 %, 35,973 %, and the value of effectiveness
which are statedcontinously 12,484; 11,240; 8,842; 6,799; and 5,095 (c) if the
diffusion thermal of a fin material is higher, the rate of heat flow that will be
higher too. The high rate of heat flow will also affect the thermal diffusion of a
fine base material to be higher and resulting the high value of efficiency and
effectiveness.
Keywords: pentagon fin, efficiency, effectiveness, heat transfer, thermal
distribution
ii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
EFESIENSI DAN EFEKTIVITAS SIRIP LURUS
BERPENAMPANG SEGI LIMA FUNGSI POSISI X
KEADAAN TAK TUNAK KASUS 1 DIMENSI
SKRIPSI
Untuk memenuhi sebagian persyaratan
mencapai derajat sarjana S-1 Teknik Mesin
Diajukan oleh
ANDREAS NUGROHO PRAMUDITO
NIM : 125214004
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2016
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
EFESIENSI DAN EFEKTIVITAS SIRIP LURUS
BERPENAMPANG SEGI LIMA FUNGSI POSISI X
KEADAAN TAK TUNAK KASUS 1 DIMENSI
SKRIPSI
Untuk memenuhi sebagian persyaratan
mencapai derajat sarjana S-1 Teknik Mesin
Diajukan oleh
ANDREAS NUGROHO PRAMUDITO
NIM : 125214004
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2016
i
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
EFFICIENCY AND EFFECTIVINESS OF STRAIGHT FIN
FUNCTION OF X POSITION WITH PENTAGONS PROFILE 1
DIMENSION CASE OF UNSTEADY STATE CODITION
FINAL PROJECT
As Partial fulfillment of the requirement
to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering
by :
ANDREAS NUGROHO PRAMUDITO
Student Number : 125214004
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2016
ii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk (a) membuat program untuk mendapatkan
nilai efisiensi dan efektivitas sirip lurus berpenampang segilima yang berubah
terhadap posisi x pada keadaan tak tunak kasus 1 dimensi, (b) mendapatkan
efisiensi sirip berpenampang yang berubah terhadap posisi x pada keadaan tak
tunak kasus 1 dimensi, (c) mendapatkan efektivitas yang berubah terhadap posisi
x pada keadaan tak tunak kasus 1 dimensi, (d) mendapatkan hubungan antara
efisiensi dengan ξ pada keadaan tunak.
Metode yang digunakan dalam menghitung distribusi suhu pada penelitian
dilakukan dengan menggunakan metode komputasi beda hingga cara eksplisit
dengan batasan diasumsikan sifat bahan sirip seragam (massa jenis (ρ), kalor jenis
(c), dan koefisien perpindahan kalor konduksi (k) ) dan tetap (tidak berubah
terhadap waktu), tidak ada pembangkitan energy di dalam sirip, sirip tidak
mengalami perubahan bentuk saat proses, sifat fluida merata dan tetap, arah
perpindahan kalor konduksi hanya dalam satu arah yaitu arah x, dan suhu dasar
sirip tetap dari waktu ke waktu.a)
Hasil penelitian terhadap sirip lurus berpenampang segilima fungsi poisisi
x keadaan tak tunak kasus 1 dimensi adalah a) didapatkan kesimpulan bahwa
semakin kecil sudut kemiringan sirip akan membuat laju aliran kalornya besar,
nilai efisisiensi sudut kemiringan sirip besar maka nilai efisiensi akan bertambah
besar sedangkan efektivitasnya akan semakin kecil. Hal ini dibuktikan pada detik
ke-200 variasi sudut kemiringan sirip 3,5o ; 3,75o; 4o; 4,25o; dan 4,5o
menghasilkan nilai laju aliran kalor berturut-turut sebesar 53,205 W, 52,795 W,
52,398 W, 51,984 W, 51,582 dan nilai efisiensi sebesar 79,264 %, 79,284 %,
79,302 %, 79,317 %, 79,330 %, serta nilai efektivitas nya sebesar 11, 047; 10,96;
10,878; 10,794; dan 10,711. b) disimpulkan bahwa semakin besar koefisien
perpindahan kalor konveksinya maka laju aliran kalonya akan semakin besar,
namun berbeda dengan efisiensi serta efektivitasnya justru akan menurun. Hal ini
dibuktikan bahwa pada detik ke-200 variasi koefisien perpindahan kalor konveksi
(h) yang ditetapkan sebesar 50 W/m2 C, 100 W/m2 C, 250 W/m2 C, 500 W/m2 C,
dan 950 W/m2 C menghasilkan laju aliran kalor berturut-turut sebesar 30,062 W,
54,132 W, 106,46 W, 163,724 W, 233,086W dan efisiensinya sebesar 88,150 %,
79,366 %, 62,435 %, 48,009 %, 35,973 % serta nilai efektivitasnya sebesar
12,484; 11,240; 8,842; 6,799;dan 5,095.c) semakin besar difusivitas termal suatu
behan material sirip maka laju aliran kalor yang didapatkan sirip semakin besar.
Selain nilai laju aliran kalor yang semakin besar, semakin besar difusivitas termal
suatu bahan dasar sirip akan menghasilkan nilai efisiensi serta efektivitas yang
semakin besar.
Kata kunci : sirip segilima, efisiensi, efektivitas, perpindahan kalor, distribusi
suhu
vii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
ABSTRACT
This research was conducted to: (a) make a program to get value of
efficiency and effectiveness of straight fin function with pentagon profile which
was affected by x position 1 dimension case of unsteady state condition, (b) get
efficiency of straight fin function with pentagon profile which was affected by x
position 1 dimension case of unsteady state condition, (c) get effectiveness of
straight fin function with pentagon profile which was affected by x position 1
dimension case of unsteady state condition, and (d) get a comparison between the
efficiency and ξ in unsteady state condition.
The method which was used in calculating heat distribution in this research
was computational method and numerical simulation, with finite-difference
method assumed that the materials of the fin are the same (material density (ρ),
specific heat (c), coefficient of thermal conductivity transfer (k) ) and steady from
time to time, no energy generation in the fin, the fin does not encounter any
changes during the process, the fluid disposition is well distributed and steady, the
thermal conductivity flows only in one direction which is x, and the basic thermal
is steady from time to time.
The result of the research with the object of straight fin function of x
position with pentagon profile 1 dimension case of unsteady state condition are:
(a) the smaller the oblique angle of the fin, the higher the heat transfer and vice
versa. It is proven in second 200, variation with the oblique angle of the fin which
are 3,5o ; 3,75o ; 4o ; 4,25o, and 4,5o produced the value of heat transfer which are
stated continously 53,205 W, 52,795 W, 52,398 W, 51,984 W, 51,582 and the
value of efficiency which are stated continously 79,264 %, 79,284 %, 79,302 %,
79,317 %, 79,330 % and the value of effectiveness which are stated continously
11, 047; 10,96; 10,878; 10,794; dan 10,711. (b) the higher the heat transfer
convection (h) coefficient, the rate of the thermal’s flow will be higher, however
the efficiency and effectiveness will get lower. It is proven in second 200, the
variation of heat transfer convection (h) that are defined as 50 W/m2 C, 100 W/m2
C, 250 W/m2 C, 500 W/m2 C, and 950 W/m2 C produced the rate of the thermal’s
flow which are stated continously 30,062 W, 54,132 W, 106,46 W, 163,724 W,
233,086W, the value of efficiency which are stated continously 88,150 %, 79,366
%, 62,435 %, 48,009 %, 35,973 %, and the value of effectiveness which are stated
continously 12,484; 11,240; 8,842; 6,799; and 5,095 (c) if the diffusion thermal of
a fin material is higher, the rate of heat flow that will be higher too. The high rate
of heat flow will also affect the thermal diffusion of a fine base material to be
higher and resulting the high value of efficiency and effectiveness.
Keywords: pentagon fin, efficiency, effectiveness, heat transfer, thermal
distribution
viii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat
dan rahmat-Nya sehingga penyusunan Skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik
dan lancar.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana
S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata
Dharma Yogyakarta.
Penulis menyadari bahwa dalam penyelesaian penelitian dan penyusunan
skripsi ini melibatkan banyak pihak. Dalam kesempatan ini, penulis mengucapkan
terima kasih kepada :
1. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin
Universitas Sanata Dharma Yogyakarta sekaligus sebagai Dosen pembimbing
skripsi.
2. A. Prasetyadi S.Si, MSi. , selaku Dosen Pembimbing Akademik
3. Seluruh staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi
Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah mendidik dan memberikan
berbagai ilmu pengetahuan yang sangat membantu dalam penyusunan skripsi
ini.
4.
Orang tua, Istiyarno, S.P. dan Istanti Budiarti, S.P. yang telah memberi
motivasi dan dukungan kepada penulis, baik secara materi maupun spiritual.
5.
Kakak, Rinata Henti Kristiana dan Kristina Kusumaning Dyah yang telah
memberi semangat dan motivasi kepada penulis.
ix
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
6.
Rekan-rekan mahasiswa Jurusan Teknik Mesin dan semua pihak yang tidak
dapat sebutkan satu persatu yang telah memberikan dorongan dan bantuan
dalam wujud apapun selama penyusunan skripsi ini.
Penulis menyadari bahwa dalam penyelesaian dan penyusunan skripsi ini
masih banyak kekurangan yang perlu diperbaiki, untuk itu penulis mengharapkan
masukan, kritik, dan saran dari berbagai pihak untuk dapat menyempurnakannya.
Semoga skripsi ini dapat bermanfaat, baik bagi penulis maupun pembaca. Terima
kasih.
Yogyakarta, 28 Juli 2016
Penulis
Andreas Nugroho Pramudito
x
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL………………………………………………………..
i
TITLE PAGE……………………………………………………………….
ii
HALAMAN PERSETUJUAN…………………………………………......
iii
HALAMAN PENGESAHAN………………………………………………
iv
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA……………………… v
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA
UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS.......................................................
vi
ABSTRAK……………….………………………………………………...
vii
ABSTRACT………………………………………………………………… viii
KATA PENGANTAR………………………………………………………
ix
DAFTAR ISI………………………………………………………………..
xi
DAFTAR GAMBAR………………………………………………………..
xv
DAFTAR TABEL ………………………………………………………….. xviii
BAB I PENDAHULUAN…………………………………………………..
1
1.1
Latar Belakang……………………………………………….….
1
1.2
Rumusan Masalah………………………………………….……
3
1.3
Tujuan Penelitian…………………………………………….....
3
1.4
Batasan Masalah……………………………………………..….
4
1.5
Manfaat Penelitian……………………………………….……...
4
BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA...............................
6
2.1
Perpindahan Kalor..............…………………………….............
6
2.2
Perpindahan Kalor Konduksi.......................................................
7
2.3
Konduktivitas Termal Material....................................................
9
2.4
Perpimdahan Panas Konveksi......................................................
10
2.4.1 Konveksi Bebas...................................................................
12
2.4.1.1 Bilangan Rayleigh (Ra)........................................
12
2.4.1.2 Bilangan Nusselt (Nu)..........................................
14
2.4.2 Konveksi Paksa...................................................................
14
xi
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
2.4.2.1 Aliran Laminer.....................................................
15
2.4.2.2 Aliran Turbulen.................................................... 15
2.4.2.3 Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Paksa....
16
2.5
Perpindahan Panas Radiasi..........................................................
17
2.6
Sirip..............................................................................................
18
2.7
Laju Perpindahan Kalor................................................................
19
2.8
Penurunan-penurunan Persamaan.................................................
20
2.8.1 Kesetimbangan Energi.........................................................
20
2.8.2 Pembagian Volume Kontrol Pada Sirip...............................
22
2.8.3 Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol Pangkal Sirip..
23
2.8.4 Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol Posisi Tengah
Sirip...................................................................................
24
2.8.5 Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol Posisi Ujung
Sirip......................................................................................
30
2.9
Efisiensi Sirip...............................................................................
35
2.10
Efektivitas Sirip............................................................................
36
2.11
Difusivitas Termal........................................................................
36
2.12
Bilangan Biot................................................................................
37
2.13
Penerapan Rumus Pada Persoalan ………………………………
37
2.13.1 Luas Penampang Volume Kontrol Sirip Segilima.............
38
2.13.2 Luas Selimut Volume Kontrol Sirip Segilima..................
40
2.13.3 Besar Volume dari Volume Kontrol Sirip Segilima.........
43
Tinjauan Pustaka..........................................................................
45
2.14
BAB III METODOLOGI PENELITIAN.....…………………………….....
47
3.1
Obyek Penelitian ……………………………………….............
47
3.2
Alur Penelitian.............................................................................
49
3.3
Langkah Penelitian......................................................................
50
3.4
Alat Bantu Penelitian..................................................................
50
3.5
Variasi Penelitian.........................................................................
51
3.6
Cara Pengambilan Data................................................................
51
xii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
3.7
Cara Pengolahan Data...................................................................
51
3.8
Cara Menyimpulkan.....................................................................
52
BAB IV HASIL PENELITIAN, PERHITUNGAN, DAN PEMBAHASAN
4.1
Data Penelitian dan Pengolahan Data....……………………...…
53
53
4.1.1 Hasil Perhitungan Untuk Variasi Sudut Kemitingan Sirip
dari Waktu ke Waktu saat Keadaan Tunak..........................
53
4.1.1.1 Distribusi Suhu untuk Variasi Sudut Kemiringan
Sirip dari Waktu ke Waktu....................................
4.1.1.2
Laju
Aloran
Kalor
untuk
Variasi
54
Sudut
Kemiringan Sirip dari Waktu ke Waktu................
56
4.1.1.3 Efisiensi untuk Variasi Sudut Kemiringan Sirip
dari Waktu ke Waktu.............................................
57
4.1.1.4 Efektivitas untuk Variasi Sudut Kemiringan Sirip
dari Waktu ke Waktu.............................................
57
4.1.2 Hasil Perhitungan untuk Variasi Koefisien Perpindahan
Kalor Konveksi (h) Sirip dari Waktu ke Waktu saat
Keadaan Tunak.....................................................................
4.1.2.1
Distribusi
Suhu
untuk
Variasi
58
Koefisien
Perpindahan Kalor Konveksi (h) Sirip dari Waktu
ke Waktu................................................................
58
4.1.2.2 Laju Aliran Kalor untuk Variasi Koefisien
Perpindahan Kalor Konveksi (h) Sirip dari Waktu
ke Waktu................................................................
4.1.2.3 Efisiensi
61
untuk Variasi Koefisien Perpindahan
Kalor Konveksi (h) Sirip dari Waktu ke
Waktu.....................................................................
62
4.1.2.4 Efektivitas untuk Variasi Koefisien Perpindahan
Kalor Konveksi (h) Sirip dari Waktu ke
Waktu.....................................................................
4.1.3 Hasil Perhitungan untuk Variasi Bahan Dasar Sirip dari
xiii
62
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Waktu ke Waktu Hingga Keadaan Tunak.........................
63
4.1.3.1 Distribusi Suhu untuk Variasi Bahan Dasar Sirip
dari Waktu ke Waktu.............................................
64
4.1.3.2 Laju Aliran Kalor untuk Variasi Bahan Dasar
Sirip dari Waktu ke waktu....................................
66
4.1.3.3 Efisiensi untuk Variasi Bahan Dasar Sirip dari
Waktu ke waktu.....................................................
67
4.1.3.4 Efektivitas untuk Variasi Bahan Dasar Sirip dari
4.2
Waktu ke waktu.....................................................
67
Pembahasan....................................................................................
68
4.2.1 Pembahasan untuk Variasi Kemiringan Sudut Sirip.............
68
4.2.2 Pembahasan untuk Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi
(h).........................................................................................
72
4.2.3 Pembahasan untuk Variasi Bahan Dasar Sirip......................
77
4.2.4 Pembahasan Perbandingan Grafik Hubungan Efiesiensi dan
ξ pada Literatur dan Hasil Penelitian................................
83
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan .....……………………………………………........
88
5.2 Saran.....................……………………….................................
90
DAFTAR PUSTAKA.....................................................................................
xiv
91
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1
Berbagai Jenis Bentuk Sirip.............................................
Gambar 1.2
Benda Uji, Sirip Lurus, Berpenampang Segilima Fungsi
Posisi x ............................................................................ 3
Gambar 2.1
Perpindahan Panas Konduksi...........................................
7
Gambar 2.2
Perpindahan Kalor Konveksi............................................
11
Gambar 2.3
Lapisan Batas Atas diatas Plat Trata Vertikal..................
13
Gambar 2.4
Berbagai Bentuk Permukaan Sirip...................................
19
Gambar 2.5
Kesetimbangan Energi pada Volume Kontrol..................
21
Gambar 2.6
Pembagian Volume Kontrol pada Sirip............................
23
Gambar 2.7
Kesetimbangan Energi pada Volume Kontrol Pangkal
Sirip................................................................................... 24
Gambar 2.8
Kesetimbangan Energi pada Node yang Treletak di
dalam Sirip........................................................................ 26
Gambar 2.9
Kesetimbangan Eenergi pada Node Ujung Sirip..............
Gambar 2.10
Volume Kontrol di Dalam Sirip........................................ 38
Gambar 2.11
Permukaan Segilima.........................................................
Gambar 2.12
Luas Selimut Volume Kontrol yang Berubah Terhadap
Posisi x ............................................................................. 41
Gambar 3.1
Benda Uji Sirip Berpenampang Segilima Berubah
Terhadap Posisi x.............................................................. 47
Gambar 3.2
Pembagian Volume Kontrol pada Sirip............................
48
Gambar 3.3
Skematik Diagram Alur Penelitian...................................
49
Gamabar 4.1
Grafik laju Aliran Kalor Sirip Berpenampang Segilima
xv
2
30
39
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Variasi Kemiringan Sudut, dari Waktu ke Waktu
Keadaan Tak Tunak Hingga Tunak..................................
69
Gambar 4.2
Grafik
Hasil
Perhitungan
Effiesiensi
Sirip
Berpenampang Segilima Variasi Kemiringan Sudut, dari
Waktu ke Waktu Keadaan Tak Tunak Hingga
Tunak................................................................................ 69
Gambar 4.3
Grafik
Hasil
Perhitungan
Efektivitas
Sirip
Berpenampang Segilima Variasi Kemiringan Sudut, dari
Waktu ke Waktu Keadaan Tak Tunak Hingga
Tunak................................................................................ 70
Gambar 4.4
Grafik Hasil Perhitungan Laju aliran Kalor Sirip
Penamang Segilima Variasi Koefisien Perpindahan
Kalor Konveksi (h), Waktu ke Waktu Keadaan Tak
Tunak Hingga Tunak........................................................ 73
Gambar 4.5
Grafik Hasil Perhitungan Efisiensi Sirip Penamang
Segilima Variasi Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi
(h), Waktu ke Waktu Keadaan Tak Tunak Hingga
Tunak............................................................................... 73
Gambar 4.6
Grafik Hasil Perhitungan Efektivitas Sirip Penamang
Segilima Variasi Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi
(h), Waktu ke Waktu Keadaan Tak Tunak Hingga
Tunak................................................................................ 74
Gambar 4.7
Grafik Hasil Perhitungan Laju Aliran Kalor Sirip
Penampang Segilima Variasi Bahan Dasar Sirip Waktu
ke Waktu Keadaan Tak Tunak Hingga Tunak................ 77
Gambar 4.8
Grafik Hasil Perhitungan Efisiensi Sirip Penampang
Segilima Variasi Bahan Dasar Sirip Waktu ke Waktu
Keadaan Tak Tunak Hingga Tunak.................................. 78
Gambar 4.9
Grafik Hasil Perhitungan Efektivitas Sirip Penampang
Segilima Variasi Bahan Dasar Sirip Waktu ke Waktu
Keadaan Tak Tunak Hingga Tunak.................................. 78
Gambar 4.10
Grafik
Hubungan
Efisiensi
xvi
dan
ξ
pada
Sirip
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Berpenampang Segilima yang Luasnya Berubah 85
Terhadap Posisi x, Data Hasil Penelitian.........................
Gambar 4.11
Perbandingan Grafik Hubungan Efisiensi dan ξ pada
Sirip Berpenampang Segilima yang Luasnya berubah
Terhadap Posisi x yang Ditinjau dalam Penelitian
dengan Sirip Silinder yang Terdapat pada Literatur
(Cangel, 1998).................................................................. 87
xvii
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1
Nilai Konduktivitas Termal Berbagai Bahan.......................
9
Tabel 2.2
Nilai C dan n untuk Persamaan 2.6......................................
16
Tabel 2.3
Nilai C dan n untuk Bentuk Penampang Tidak Bulat...........
17
Tabel 4.1
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Dari waktu ke Waktu,
54
Variasi Kemiringan Sudut (θ) = 3,5o, Bahan Alumunium....
Tabel 4.2
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Dari waktu ke Waktu,
Variasi
Kemiringan
Sudut
(θ)
=
3,75o,
Bahan
Alumunium...........................................................................
Tabel 4.3
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Dari waktu ke Waktu,
Variasi
Kemiringan
Sudut
(θ)
=
4o,
Bahan
Alumunium...........................................................................
Tabel 4.4
Kemiringan
Sudut
(θ)
=
4,25o,
Bahan
Alumunium...........................................................................
Kemiringan
Sudut
(θ)
=
4,5o,
Bahan
Alumunium...........................................................................
Hasil Perhitungan Efektivitas
57
dari Waktu ke Waktu,
variasi Kemiringan Sudut, Bahan Alumunium.....................
Tabel 4.9
56
Hasil Perhitungan Efisiensi Kalor dari Waktu ke Waktu,
variasi Kemiringan Sudut, Bahan Alumunium.....................
Tabel 4.8
56
Hasil Perhitungan Laju Aliran Kalor dari Waktu ke Waktu,
variasi Kemiringan Sudut, Bahan Alumunium.....................
Tabel 4.7
55
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Dari waktu ke Waktu,
Variasi
Tabel 4.6
55
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Dari waktu ke Waktu,
Variasi
Tabel 4.5
54
57
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Untuk Variasi Koefisien
perpindahan kalor Konveksi (h) = 50 W/m2 oC , Bahan
Alumunium......................................................................
Tabel 4.10
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Untuk Variasi Koefisien
perpindahan kalor Konveksi (h) = 100 W/m2 oC , Bahan
xviii
59
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Alumunium..................................................................
Table 4.11
59
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Untuk Variasi Koefisien
perpindahan kalor Konveksi (h) = 250 W/m2 oC , Bahan
Alumunium..................................................................
Tabel 4.12
60
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Untuk Variasi Koefisien
perpindahan kalor Konveksi (h) = 500 W/m2 oC , Bahan
Alumunium..................................................................
Tabel 4.13
60
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu Untuk Variasi Koefisien
perpindahan kalor Konveksi (h) = 950 W/m2 oC , Bahan
Alumunium..................................................................
Tabel 4.14
61
Hasil Perhitungan Laju Aliran Kalor untuk Variasi
Koefisien Pernpindahan Kalor Konveksi (h), Bahan
Alumunium ....................................................................
Tabel 4.15
Hasil Perhitungan Efisiensi untuk Variasi Koefisien
Pernpindahan Kalor Konveksi (h), Bahan Alumunium........
Tabel 4.16
62
Hasil Perhitungan Efektivitas untuk Variasi Koefisien
Pernpindahan Kalor Konveksi (h), Bahan Alumunium........
Tabel 4.17
61
63
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu untuk variasi Bahan
Sirip Besi Murni, Sudut Kemiringan θ = 3o dengan
Koefisian Perpindahan Kalor Konveksi = 100 W/m2
64
o
C.................................................................................
Tabel 4.18
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu untuk variasi Bahan
Sirip Seng Murni, Sudut Kemiringan θ = 3o dengan
Koefisian Perpindahan Kalor Konveksi = 100 W/m2
o
C.................................................................................
Tabel 4.19
65
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu untuk variasi Bahan
Sirip Alumunium Murni, Sudut Kemiringan θ = 3o dengan
Koefisian Perpindahan Kalor Konveksi = 100 W/m2
o
C.................................................................................
Tabel 4.20
Hasil Perhitungan Distribusi Suhu untuk variasi Bahan
xix
65
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Sirip Nikel Murni, Sudut Kemiringan θ = 3o dengan
Koefisian Perpindahan Kalor Konveksi = 100 W/m2
o
C.................................................................................
Tabel 4.21
66
Hasil Perhitungan Laju Aliran Kalor untuk Variasi bahan
Dasar Sirip Sudut Kemiringan Sirip (θ) 3o dengan h = 100
W/m2 oC ........................................................................
Tabel 4.22
66
Hasil Perhitungan Efisiensi untuk Variasi bahan Dasar
Sirip Sudut Kemiringan Sirip (θ) 3o dengan h = 100 W/m2
o
C ..................................................................................
Tabel 4.23
67
Hasil Perhitungan Efektivitas untuk Variasi bahan Dasar
Sirip Sudut Kemiringan Sirip (θ) 3o dengan h = 100 W/m2
o
C .................................................................................
Tabel 4.24
68
Nilai Konduktivitas Termal, Masa Jenis, Kalor Jenis, dan
Difusivitas Termal Masing-masing Bahan Sirip pada
Penelitian........................................................................
Tabel 4.25
79
Hasil Perbandingan Efisiensi pada Sirip yang Ditinjau
dalam Penelitian dengan Sirip Silinder yang Terdapat pada
Literatur (Cengel, 1998)...................................................
xx
86
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Seperti diketahui pada jaman sekarang ini masyarakat mengalami pola
perubahan kehidupan. Perubahan ini disebabkan oleh kemajuan teknologi yang
semakin lama semakin canggih dalam era modernisasi ini. Pada bidang industri
banyak sekali dijumpai pemakaian sirip yang dipergunakan untuk memperluas
permukaan benda. Kendaraan bermotor menggunakan sirip seperti terletak pada
radiator dan pada sepeda motor yang terdapat di kepala silinder. Kompresor juga
menggunakan sirip, serta banyak barang-barang elektronik seperti pada mind bord
komputer, televisi, laptop dan sebagainya yang menggunakan sirip. Sebagai
contoh sebuah mind board komputer jika terlalu tinggi suhu yang dihasilkan
akibat kerja yang dilakukan maka sebuah mind board komputer dapat tidak
bekerja optimal sehingga mind bord yang merupakan komponen utama pada
sebuah komputer dapat mengalami gagal beroperasi yang sering disebut hang. Hal
ini tentu sangatlah merugikan bahkan menghambat sebuah pekerjaan.
Sirip merupakan piranti yang berfungsi sebagai sistem pendingin pada
suatu mesin. Prinsip penggunaan sirip ini adalah memperluas permukaan. Adanya
celah-celah pada suatu mesin membuat luas permukaan semakin besar sehingga
proses penarikan kalor yang dihasilkan kerja suatu semakin cepat mengalir dan
terbuang ke lingkungan. Hasilnya mesin menjadi lebih dingin. Memperluas
bidang permukaan suatu mesin dapat mempercepat proses perpindahan kalor.
1
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
2
Banyak faktor yang membuat penelitian tentang sirip sulit dilakukan,
antara lain keterbatasan dalam menghitung perubahan suhu yang terjadi pada sirip
dengan akurat. Karena waktu yang sangat cepat, maka hanya sedikit pula
pengetahuan tentang distribusi suhu, laju perpindahan kalor, efisiensi dan
efektifitas pada sirip. Hanya sirip-sirip bentuk sederhana saja yang sudah
ditentukan efisiensinya, itu pun tidak disertai dengan perincian yang jelas dari
mana mendapatkannya dan hanya terbatas pada bentuk-bentuk yang sederhana.
Berbagai jenis permukaan bersirip dengan berbagai variasi bentuk dapat dilihat
pada Gambar 1.1.
Gambar 1.1 Berbagai jenis bentuk sirip
(Sumber : Holman, J.P., Perpindahan Kalor, hal 44 )
Berangkat dari permasalahn tersebut, maka penulis terpancing untuk
melakukan penelitian efisiensi dan efektifitas sirip berpenampang tertentu yang
berubah terhadap posisi x pada keadaan tak tunak dengan menggunakan metode
komputasi.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
3
1.2
Rumusan Masalah
Perhitungan efisiensi dan efektifitas sirip untuk penampang sirip yang
tidak tetap terhadap posisi, merupakan persoalan yang tidak mudah untuk
diselesaikan. Pada buku-buku referensi yang ada, perhitungan sirip hanya
diberikan untuk kasus-kasus dengan bentuk-bentuk tertentu dan dalam keadaan
tunak. Bagaimanakah cara mendapatkan nilai efisiensi dan efektifitas sirip dengan
bentuk sirip lurus berpenampang segilima fungsi posisi x pada keadaan tak tunak
(lihat Gambar 1.2) ?
Gambar 1.2 Benda Uji Sirip Lurus Berpenampang Segilima Fungsi Posisi x
1.3
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
a. Membuat program untuk mendapatkan nilai efisiensi dan efektifitas sirip lurus
berpenampang segi lima yang berubah terhadap posisi x, pada keadaan tak
tunak kasus 1 dimensi.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
4
b. Mendapatkan efisiensi sirip dengan penampang segi lima yang berubah
terhadap posisi x, pada keadaan tak tunak kasus 1 dimensi.
c. Mendapatkan efektifitas sirip dengan penampang segi lima yang berubah
terhadap posisi x, pada keadaan tak tunak kasus 1 dimensi.
d. Mendapatkan hubungan antara efisiensi dengan ξ pada keadaan tunak
1.4
Batasan-batasan di Dalam Penelitian
Batasan masalah yang diambil pada penelitian ini :
a. Sifat bahan sirip seragam (massa jenis (ρ), kalor jenis (c), dan koefisien
perpindahan kalor konduksi (k) ) dan tetap (tidak berubah terhadap waktu).
b. Tidak ada pembangkitan energi di dalam sirip.
c. Selama proses, sirip tidak mengalami perubahan bentuk dan sifat.
d. Sifat-sifat fluida di sekitar sirip merata dan tetap (suhu fluida dan nilai
koefisien perpindahan kalor konveksi h).
e. Arah perpindahan kalor konduksi hanya dalam satu arah yaitu arah x.
f. Suhu dasar sirip tetap dari waktu ke waktu.
1.5
Manfaat Penelitian
Penelitian yang dilakukan diharapkan dapat memeberikan manfaat sebagai
berikut :
a. Hasil penelitian dapat dipergunakan sebagai bahan referensi bagi para peneliti
yang terkait dengan efisiensi dan efektifitas sirip.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
5
b. Hasil penelitian dapat disimpan di perpustakaan untuk menambah wawasan
ilmu pengetahuan tentang perhitungan efisiensi dan efektifitas sirip, dengan
metode komputasi
c. Memberikan alternatif pencarian efisiensi, dan efektifitas pada sirip keadaan
tak tunak dengan menggunakan metode komputasi.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
BAB II
DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Perpindahan Kalor
Kalor telah diketahui dapat berpindah dari tempat dengan temperature
tinggi ke tempat dengan temperature yang lebih rendah. Hukum pencampuran
kalor juga terjadi karena kalor itu berpindah dalam bentuk pertukaran panas
dengan luar sistem. Oleh karena itu perpindahan panas adalah suatu ilmu untuk
meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu
diantara benda atau material. Ilmu perpindahan kalor tidak hanya mencoba
menjelaskan bagaimana energi kalor itu berpindah dari satu benda ke benda lain,
tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan yang terjadi pada kondisi-kondisi
tertentu.. Termodinamika membahas sistem dalam kesetimbangan, ilmu ini dapat
digunakan untuk meramalkan energi yang diperlukan untuk mengubah sistem dari
suatu keadaan seimbang ke keadaan seimbang lain, tetapi tidak dapat meramalkan
keepatan perpindahan itu. Halitu disebabkan karena pada waktu proses
perpindahan itu berlangsung, sistem berada dalam keadaan tidak seimbang. Ilmu
perpindahan kalor melengkapi hukum pertama dan kedua termodinamika yaitu
dengan memberikan beberapa kaidah percobaan yang dapat dimanfaatkan untuk
menentukan perpindahan energi.Jenis-jenis perpindahan panas antara lain adalah
perpindahan panas secara konduksi,perpindahan panas secara konveksi,dan
perpindahan panas secara radiasi.
6
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
7
2.2 Perpindahan Kalor Konduksi
Konduksi adalah proses perpindahan kalor melalui benda padat dari satu
bagian ke bagian yang lain dengan perubahan temperatur sebagai parameter tanpa
diikuti oleh perpindahan partikelnya dan disertai perpindahan energi kinetik dari
setiap molekulnya. Perpindahan panas konduksi ini dapat terjadi apabila ada
media rambat yang bersifat diam.
Δx
A
k
qx
T1
T2
Gambar 2.1 Perpindahan Panas Konduksi
Persamaan perpindahan panas secara konduksi menurut Fourier dinyatakan
dengan Persamaan (2.1) :
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
8
Pada Persamaan (2.1) :
: gradient suhu ke arah perpindahan kalor,
qx
: laju perpindahan kalor konduksi, W
k
: konduktivitas termal bahan, W/m°C
A
: luas penampang tegak lurus terhadap arah rambatan kalor, m2
: perbedaan temperature antara titik perpindahan kalor, °C
: jarak antar titik perpindahan kalor, m
T1
: suhu pada titik ke 1, °C
T2
: suhu pada titik ke 2, °C
Tanda minus pada persamaan perpindahan kalor secara konduksi tersebut
dimaksudkan
agar
persamaan
diatas
memenuhi
hukum
kedua
termodinamika,yaitu panas akan mengalir dari suhu yang tinggi ke suhu yang
rendah.
Jika dilihat secara seksama, persamaan perpindahan kalor secara konduksi
Fourier ini mirip dengan persamaan konduksi elektrik milik Ohm dimana jika
pada persamaan Fourier terdapat nilai k yang merupakan konduktivitas termal
sedangkan pada persamaan milik Ohm terdapat ρ yang merupakan resistensi
elektrik. Dikarenakan kesamaan bentuk persamaan,maka dapat dianalogikan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
9
bahwa konduktivitas termal panas memiliki kemiripan dengan model elektrik
milik Ohm.
2.3 Konduktivitas Termal Material
Konduktivitas termal bahan k bukanlah sebuah konstanta yang selalu
bernilai konstan,tetapi nilai konduktivitas termal bahan ini dapat berubah sesuai
fungsi
temperatur.Walaupun
berubah
sesuai
fungsi
temperatur,
dalam
kenyataannya perubahannya sangat kecil sehingga diabaikan.Selain itu, nilai
konduktivitas termal menunjukkan berapa cepat kalor mengalir dalam bahan
tertentu. Bahan yang memiliki nilai konduktivitas tinggi dinamakan konduktor
dan bahan yang memiliki nilai konduktivitas rendah dinamakan isolator sehingga
dapat dikatakan bahwa konduktivitas termal bahan merupakan suatu besaran
intensif material, yang menunjukkan kemampuan material menghantarkan panas.
Nilai konduktivitas termal beberapa bahan dapat dilihat pada Tabel 2.1
Tabel 2.1 Nilai Konduktivitas Termal Berbagai Bahan
Bahan
Logam
Perak (murni)
Tembaga (murni)
Alumunium (murni)
Nikel (murni)
Besi (murni)
Baja Karbon, 1% C
Timbal (murni)
Baja Krom-Nikel (18%Cr, 8% Ni)
Bukan Logam
Kuarsa (sejajar sumbu)
Magnesit
Marmar
Batu Pasir
Konduktivitas Termal k
W/m°C
BTU hr ft
410
385
202
93
73
43
35
16,3
237
223
117
54
42
25
20,3
9,4
41,6
4,15
2,08-2,94
1,83
24
2,4
1,2-1,7
1,06
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
10
Kaca, jendela
Kayu maple atau ek
Serbuk gergaji
Wol kaca
Bahan
Zat Cair
Air raksa
Air
Amonia
Minyak lumas, SAE 50
Freon 12, CCl2F2
Gas
Hidrogen
Helium
Udara
Uap air (jenuh)
Karbondioksida
0,78
0,45
0,17
0,096
0,059
0,034
0,038
0,022
Konduktivitas Termal k
W/m°C
BTU hr ft
8,21
0,556
0,540
0,147
0,073
4,74
0,327
0,312
0,085
0,04
0,175
0,141
0,024
0,0206
0,0146
0,101
0,081
0,0139
0,0119
0,00844
Modus lainnya adalah energi dapat berpindah sebagai energi getaran
dalam struktur kisi-kisi bahan. Namun pada umumnya perpindahan energi melalui
getaran ini tidaklah sebanyak dengan cara angkutan elektron. Karena itu,
penghantar listrik yang baik selalu merupakan penghantar kalor yang baik pula,
seperti tembaga, alumunium, dan perak.
2.4 Perpindahan Panas Konveksi
Konveksi adalah adalah proses perpindahan kalor dengan kerja gabungan
dari konduksi panas. Penyimpanan energi,gerakan mencampur oleh fluida cair
atau gas.Gerakan fluida merupakan hasil dari perbedaan massa jenis dikarenakan
perbedaan temperatur.Awalnya perpindahan panas konveksi diawali dengan
mengalirnya panas secara konduksi dari permukaan benda padat ke partikelpartikel fluida yang berbatasan dengan permukaan benda padat tersebut yang
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
11
diikuti dengan perpindahan partikelnya ke arah partikel yang memiliki energi dan
temperatur yang lebih rendah dan hasilnya,partikel-partikel fluida tersebut akan
bercampur
qkonv
Tw
U∞
As
T∞
∞∞
∞
Gambar 2.2 Perpindahan Kalor Konveksi
Persamaan perpindahan kalor secara konveksi dinyatakan dengan Persamaan
(2.2):
qkonv = h As (Tw-T∞)
Pada Persamaan (2.2) :
qkonv
: laju perpindahan panas konveksi, W
h
: koefisien perpindahan kalor konveksi material, W/m2°C
As
: luas permukaan yang bersentuhan dengan fluida , m2
Tw
: temperatur pada permukaan dinding , °C
: temperatur fluida di sekitar sirip, °C
...(2.2)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
12
2.4.1 Konveksi Bebas
Konveksi bebas terjadi dikarenakan fluida yang dikarenakan proses
pemanasan berubah densitasnya (kerapatannya) dan bergerak naik. Perbedaan
rapat massa ini akan menimbulkan arus konveksi. Fluida dengan rapat massa yang
lebih kecil akan mengalir ke atas dengan fluida dengan rapat massa yang lebih
besar dan turun ke bawah. Jika gerakan fluida ini terjadi hanya disebabkan adanya
perbedaan rapat massa akibat adanya perbedaan suhu, maka mekanisme
perpindahan kalor seperti inilah yang di sebut konveksi bebas.
Dalam penghitungan besaran perpindahan konveksi bebas, perlu diketahui
nilai koefisien perpindahan kalor konveksi h terlebih dahulu. Untuk mencari nilai
koefisien tersebut, perlu terlebih dahulu mencari Bilangan Nusselt (Nu) karena
Bilangan Nusselt merupakan fungsi dari Bilangan Rayleigh (Ra)
2.4.1.1 Bilangan Rayleigh (Ra)
Penghitungan bilangan Rayleigh (Ra) dapat diperoleh dengan Persamaan
(2.3):
Pada Persamaan (2.3)
dan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
13
Pada Persamaan (2.3) :
Pr
= bilangan Prandtl
Gr
= bilangan Grashof
g
= percepatan gravitasi, m/s2
= panjang karakteristik, untuk dinding vertikal = L, m
Ts
= suhu dinding, K
T∞
= suhu fluida, K
Tf
= suhu film, K
v
= viskositas kinematik, m2/detik
Turbulen
x
y
Tw
Laminer
Gambar 2.3 Lapisan Batas Di Atas Plat Rata Vertikal
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
14
2.4.1.2 Bilangan Nusselt (Nu)
Bilangan Nusselt (Nu) untuk konveksi bebas dapat diperoleh dengan
menggunakan Persamaan (2.4).
Untuk Ra
1012, berlaku Persamaan (2.4)
⁄
⁄
Dari bilangan Nusselt (Nu), dapat diperoleh nilai koefisien perpindahan
kalor konveksi.
atau
Pada Persamaan (2.5) :
Nu
= bilangan Nusselt
kf
= konduktivitas termal fluida,
h
= koefisien perpindahan kalor konveksi fluida, W/m2 C
m
2.4.2 Konveksi Paksa
Konveksi paksa merupakan proses perpindahan kalor konveksi yang
ditandai dengan adanya fluida yang bergerak yang disebabkan oleh alat bantu
seperti kipas dan pompa. Akibat dari perbedaan suhu antara benda dan fluida
mengakibatkan panas mengalir dari antara benda dan fluida mengakibatkan kalor
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
15
mengalir antara benda dan fluida yang mengakibatkan perubahan densitas lapisan
permukaan fluida yang ada di dekat permukaan.
Untuk menghitung laju perpindahan kalor konveksi harus diketahui nilai
koefisien perpindahan kalor konveksi h. Sedangkan untuk mencari nilai koefisien
tersebut dapat dicari terlebih dahulu dengan bilangan Nusselt. Bilangan Nusselt
dapat dicari dengan menggunakan Bilangan Reynold. Karena pada konveksi
paksa bilangan Nusselt merupakan fungsi dari bilangan Reynold, Nu = f (Re.Pr).
Bilangan Nusselt yang dipilih harus sesuai dengan aliran fluidanya, karena
bilangan Nusselt untuk setiap aliran fluida berbeda-beda.
2.4.2.1 Aliran Laminer
Syarat aliran laminer adalah Rex< 5 x 105 dan Bilangan Reynold dapat dicari
dengan menggunakan Persamaan (2.6).
Untuk persamaan Nusselt dengan x = 0 sampai dengan x = L :
⁄
⁄
2.4.2.2 Aliran Turbulen
Syarat aliran turbulen adalah 5 x 105< Rex