PERPINDAHAN KALOR PADA SIRIP PENDINGIN KASUS 2 DIMENSI KEADAAN TAK TUNAK
PERPINDAHAN KALOR PADA SIRIP PENDINGIN KASUS 2 DIMENSI KEADAAN TAK TUNAK TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik
Jurusan Teknik Mesin Disusun oleh:
ANDRE MARTIEN KURNIAWAN NIM : 105214027 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
UNSTEADY STATE HEAT TRANSFER ON HEATSINK FOR TWO-DIMENSIONAL FIN CASE FINAL ASSIGNMENT
Presented as partial fulfillment of the requirement as to obtain the Sarjana Teknik Degree in Mechanical Engineering by
ANDRE MARTIEN KURNIAWAN NIM : 105214027 MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA
PERSETUJUAN PEMBIMBING
PERPINDAHAN KALOR PADA SIRIP KIPAS PENDINGIN 2
DIMENSI KEADAAN TAK TUNAK
Diajukan oleh :
ANDRE MARTIEN KURNIAWAN
NIM : 105214027
Telah disetujui oleh :
Pembimbing Ir. P.K. Purwadi, M.T.
TUGAS AKHIR
PERPINDAHAN KALOR PADA SIRIP KIPAS PENDINGIN 2
DIMENSI KEADAAN TAK TUNAK
Dipersiapkan dan disusun oleh :
NAMA : ANDRE MARTIEN KURNIAWAN
Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji
Pada tanggal 11 Juni 2012
Susunan Dewan Penguji
Pembimbing Anggota Dewan PengujiIr. P.K. Purwadi, M.T.
A. Prasetyadi, S.Si., M.Si. Doddy Purwadianto, S.T., M.T.
Tugas Akhir ini telah diterima sebagai salah satu persyaratan
Untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Yogyakarta, 11 Juni 2012
Fakultas Sains dan Teknologi
Universitas Sanata Dharma
Dekan
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir ini tidak terdapat
karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu
Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau
pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara
tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.Yogyakarta, 14 Juni 2012 Andre Martien Kurniawan
HALAMAN PERSEMBAHAN
Dipersembahkan kepada:
1. Tuhan Yesus Kristus.
2. Bapak Marsongko beserta Ibu Ester selaku orangtua beserta Monica Martien
Kurniawan adiku. Atas support materi dan dukunganya.
3. Erika Andrian, S.Sn. atas cinta, kasih sayang, dan kesabaran yang selalu
mendukung dan membantu dalam proses pengerjaan tugas akhir ini.4. Sahabat saya dan teman-teman di Universitas Sanata Dharma.
INTISARI
Sirip (fin) digunakan untuk memperluas permukaan pada alat pendingin.
Salah satu fungsi penggunaan sirip terdapat pada perangkat komputer untuk
membantu proses pendinginan komponen yang ada di dalamnya (misalnya pada
pendingin prosesor). Penelitian ini bertujuan untuk : (a) Mengetahui pengaruh
bahan sirip terhadap laju perpindahan kalor, efisiensi sirip dan efektivitas sirip
dari waktu ke waktu. (b) Mengetahui pengaruh nilai h (koefisien perpindahan
kalor konveksi) terhadap laju perpindahan kalor, efisiensi sirip dan efektivitas
sirip dari waktu ke waktu. (c) Mengetahui pengaruh suhu dasar sirip terhadap laju
perpindahan kalor, efisiensi sirip dan efektivitas sirip dari waktu ke waktu.Sirip yang digunakan pada penelitian ini berbentuk berbentuk segi empat
dengan dimensi 120cm x 60cm dan tebal 1mm. Metode yang digunakan ialah
metode perhitungan setengah bagian sirip secara komputasi. Data pada program
diperoleh dari penurunan rumus suhu dari waktu ke waktu secara numerik dengan
metode beda hingga cara eksplisit, dengan asumsi kondisi awal sirip (Ti)
mempunyai suhu sebesar 35 ℃ dan suhu fluida (Tf) sebesar 30 ℃ bersifat
seragam, tetap, dan merata..Hasil penelitiannya ialah : (a) besarnya laju perpindahan kalor, efisiensi
sirip dan efektivitas sirip dari waktu ke waktu dipengaruhi oleh bahan sirip (ρ, c,
k, dan α). Nilai tertinggi laju aliran kalor yang dilepas sirip dimiliki bahan
tembaga dan diikuti oleh alumunium, nikel, baja krom (1%), dan baja karbon
(0,5%). (b) Besarnya laju perpindahan kalor, efisiensi sirip dan efektivitas sirip
dari waktu ke waktu dipengaruhi oleh kondisi lingkungan. Semakin besar nilai
perpindahan panas konveksi, semakin besar laju aliran kalor yang dilepas sirip,
tetapi semakin kecil nilai efisiensi dan efektivitasnya. (c) Besarnya laju
perpindahan kalor yang dilepas sirip dipengaruhi oleh suhu dasar sirip. Semakin
besar suhu dasar sirip, semakin besar kalor yang dilepas sirip. Nilai efisiensi sirip
dan efektivitas sirip besarnya tidak dipengaruhi oleh suhu dasar sirip.
Kata kunci: keadaan tak tunak, efisiensi sirip, efektivitas sirip, metode beda
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI
KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma:
Nama : Andre Martien Kurniawan Nomor mahasiswa : 105214027Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan
Universitas Sanata Dharma Karya Ilmiah saya yang berjudul:PERPINDAHAN KALOR PADA SIRIP PENDINGIN KASUS 2 DIMENSI
KEADAAN TAK TUNAKBeserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikiansaya memberikan
kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan,
mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelola dalam bentuk pangkalan data,
mendistribusi secara terbatas, dan mempublikasikan di Internet untuk kepentingan
akademis tanpa perlu ijin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya
sebagai penulis.Demikian pernyataan ini saya buat dengan seksama. Dibuat di Yogyakarta Pada tanggal 14 Juni 2012 Yang menyatakan Andre Martien Kurniawan
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas
segala berkat dan kasih-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir
yang berjudul : PERPINDAHAN KALOR PADA SIRIP PENDINGIN
KASUS 2 DIMENSI KEADAAN TAK TUNAKTugas Akhir ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik di Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma
Yogyakarta.Dalam penelitian dan penyusunan Tugas Akhir ini tentunya tidak terlepas
dari bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dalam kesempatan ini penulis
ingin menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:1. Ibu Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc., Dekan Fakultas
Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Bapak Ir. P.K. Purwadi, M.T., Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3. Bapak F.X. Rusdi F.A Sambada, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing Akademik 2010.
4. Bapak Ir. P.K. Purwadi, M.T., selaku pembimbing Tugas Akhir ini.
5. Dosen-dosen program studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma, atas ilmu pengetahuan dan bimbingannya kepada penulis semasa kuliah.
6. Semua pihak yang telah membantu penulis dalam pemberian semangat sampai dengan penyusunan skripsi ini yang tidak dapat penulis tulis diatas. Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan dalam penyusunan
Tugas Akhir ini. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran dari
berbagai pihak. Akhirnya besar harapan penulis semoga hasil penelitian ini
bermanfaat bagi perkembangan ilmu teknik.Yogyakarta, 14 Juni 2012 Penulis
ANDRE MARTIEN KURNIAWAN
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ....................................................................................... i
TITLE PAGE .................................................................................................. ii
HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING .............................................. iii
HALAMAN PENGESAHAN.......................................................................... iv
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ......................................................... v
HALAMAN PERSEMBAHAN ..................................................................... vi
INTISARI ...................................................................................................... vii
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN ............................................... viii
KATA PENGANTAR .................................................................................... ix
DAFTAR ISI ................................................................................................... xi
DAFTAR TABEL ........................................................................................... xiv
DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... xix
BAB I. PENDAHULUAN .............................................................................1
1.1 Latar Belakang ..............................................................................
1
1.2 Rumusan Masalah .........................................................................
3
1.3 Tujuan Penelitian ..........................................................................
4
1.4 Batasan Masalah ...........................................................................
5
1.5 Manfaat Penelitian .........................................................................
5 BAB II. DASAR TEORI ...............................................................................
7
2.1 Perpindahan Kalor .........................................................................
7
2.2 Perpindahan Kalor konduksi .........................................................
2.8 Hubungan Nu, Re, dan Pr ............................................................. 19
2.9 Aliran laminar rata-rata pada konveksi paksa ...............................
37
4.3 Instrumen Penelitian .....................................................................
37
4.2 Pengumpulan Data ........................................................................
37
4.1 Metode Peneltian ..........................................................................
26 BAB IV. METODE PENELITIAN ............................................... ..............
25
3.2 Persamaan Numerik tiap node dari waktu ke waktu .....................
25
3.1 Kesetimbangan Energi Keadaan Tak Tunak ................................
23 BAB III. PERSAMAAN TIAP NODE ...................................................... ...
23 2.10.1 Aliran di atas plat vertikal pada Konveksi Alami...............
19
2.10 Aliran di atas plat rata pada Konveksi Paksa ................................
18
7
2.3 Konduksi Termal ...........................................................................
17 2.7.4 Bilangan Grashoff (Gr) .......................................................
17 2.7.3 Bilangan Rayleigh (Ra) .......................................................
16 2.7.2 Bilangan Prandtl (Pr) ...........................................................
15 2.7.1 Bilangan Reynold (Re) ...................................................... .
13
2.7 Bilangan Nusselt (Nu) .....................................................................
12
2.6 Efisiensi dan Efektivitas sirip ...................................................... . .
12
2.5 Koefisien perpindahan kalor konveksi .........................................
12 2.4.2 Konveksi Paksa ..................................................................
11 2.4.1 Konveksi Alamiah ..............................................................
8
2.4 Perpindahan kalor konveksi ..........................................................
39
4.3.1 Benda uji dan Bahan .............................................................
5.5 Hasil perhitungan dengan variasi nilai suhu dasar ( ) ................
85 LAMPIRAN ...........................................................................................
83 DAFTAR PUSTAKA ..............................................................................
83
6.2 Saran ...............................................................................................
83
6.1 Kesimpulan......................................................................................
81 BAB VI. KESIMPULAN DAN SARAN .......................................................
( ) ..................................................................... .........................
5.6 Pembahasan Hasil perhitungan dengan variasi nilai suhu dasar
5.3
65
63
39 4.3.2 Peralatan Pendukung .............................................................
5.4 Pembahasan Hasil perhitungan dengan variasi h (Koefisien perpindahan panas konveksi) ....................................................... .
47
5.3 Hasil perhitungan dengan variasi nilai h (Koefisien perpindahan panas konveksi) ......................................................................................
46
43
5.2 Pembahasan untuk variasi bahan ............................................ ......
43
5.1 Hasil penelitian untuk variasi bahan .............................................
42 BAB V. HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................
40
4.5 Cara pengolahan data dan Kesimpulan .........................................
40
4.4 Definisi Operasional .......................................................................
86
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Nilai konduktivitas termal berbagai bahan ................................10 Tabel 2.2 Nilai koefisien perpindahan kalor konveksi ..............................
14 Tabel 2.3 Persamaan aliran yang melewati plat rata ..................................
21 Tabel 2.4 Aliran yang melewati silinder penampang lingkaran dan tidak lingkaran ....................................................................................
22 Tabel 2.5 Nilai C dan m untuk aliran laminer ............................................ 24 Tabel 4.1 Sifat berbagai bahan yang digunakan dalam penelitian ..............
40 Tabel 5.1.a Tabel perbandingan kalor yang dilepas sirip dari berbagai jenis bahan dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama .........
44 Tabel 5.1.b Tabel perbandingan efisiensi yang dilepas sirip dari berbagai jenis bahan dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama .
45 Tabel 5.1.c Tabel perbandingan efefektivitas yang dilepas sirip dari berbagai jenis bahan dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama ...............................................................................
46 Tabel 5.2.a Tabel perbandingan kalor yang dilepas sirip dari bahan tembaga (murni) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama ...............................................................................
49 Tabel 5.2.b Tabel perbandingan kalor yang dilepas sirip dari bahan alumunium (murni) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama .....................................................
50
Tabel 5.2.c Tabel perbandingan kalor yang dilepas sirip dari bahan nikel (murni) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama ...............................................................................
51 Tabel 5.2.d Tabel perbandingan kalor yang dilepas sirip dari bahan baja krom (1%) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama .................................................................
52 Tabel 5.2.e Tabel perbandingan kalor yang dilepas sirip dari bahan baja karbon (0,5%) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama .................................................................
53 Tabel 5.3.a Tabel perbandingan efisiensi sirip dari bahan tembaga (murni) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama ...............................................................................
54 Tabel 5.3.b Tabel perbandingan efisiensi sirip dari bahan alumunium (murni) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama ...............................................................................
55 Tabel 5.3.c Tabel perbandingan efisiensi sirip dari bahan nikel (murni) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama ...............................................................................
56 Tabel 5.3.d Tabel perbandingan efisiensi sirip dari bahan baja krom (1%) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama ...............................................................................
57
Tabel 5.3.e Tabel perbandingan efisiensi sirip dari bahan baja karbon (0,5%) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama ...............................................................................
58 Tabel 5.4.a Tabel perbandingan efektivitas sirip dari bahan tembaga (murni) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama ...............................................................................
59 Tabel 5.4.b Tabel perbandingan efektivitas sirip dari bahan aluminium (murni) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama ...............................................................................
60 Tabel 5.4.c Tabel perbandingan efektivitas sirip dari bahan nikel (murni) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama ...............................................................................
61 Tabel 5.4.d Tabel perbandingan efektivitas sirip dari bahan baja krom (1%) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama ...............................................................................
62 Tabel 5.4.e Tabel perbandingan efektivitas sirip dari bahan baja karbon (0,5%) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama ...............................................................................
63 Tabel 5.5.a Tabel perbandingan kalor yang dilepas sirip dari bahan tembaga (murni) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama .....................................................
66
Tabel 5.5.b Tabel perbandingan kalor yang dilepas sirip dari bahan alumunium (murni) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama ...........................................
67 Tabel 5.5.c Tabel perbandingan kalor yang dilepas sirip dari bahan nikel (murni) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama .....................................................
68 Tabel 5.5.d Tabel perbandingan kalor yang dilepas sirip dari bahan baja krom (1%) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama .....................................................
69 Tabel 5.5.e Tabel perbandingan kalor yang dilepas sirip dari bahan baja karbon (0,5%) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama .....................................................
70 Tabel 5.6.a Tabel perbandingan efisiensi sirip dari bahan tembaga (murni) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama ......................................................................
71 Tabel 5.6.b Tabel perbandingan efisiensi sirip dari bahan alumunium (murni) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama .....................................................
72 Tabel 5.6.c Tabel perbandingan efisiensi sirip dari bahan nikel (murni) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama ......................................................................
73
Tabel 5.6.d Tabel perbandingan efisiensi sirip dari bahan baja krom (1%) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama ......................................................................
74 Tabel 5.6.e Tabel perbandingan efisiensi sirip dari bahan baja karbon (0,5%) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama .................................................................
75 Tabel 5.7.a Tabel perbandingan efektivitas sirip dari bahan tembaga (murni) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama .....................................................
76 Tabel 5.7.b Tabel perbandingan efektivitas sirip dari bahan alumunium (murni) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama .....................................................
77 Tabel 5.7.c Tabel perbandingan efektivitas sirip dari bahan nikel (murni) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama ......................................................................
78 Tabel 5.7.d Tabel perbandingan efektivitas sirip dari bahan baja krom (1%) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama ......................................................................
79 Tabel 5.7.e Tabel perbandingan efektivitas sirip dari bahan baja karbon (0,5%) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu selama 10 detik pertama .................................................................
80
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Heatsink fan ........................................................................25 Gambar 3.2 Penampang setengah bagian sirip .......................................
44 Gambar 5.1.c Grafik perbandingan efektivitas sirip dari berbagai jenis bahan dari waktu ke waktu ............................................................
43 Gambar 5.1.b Grafik perbandingan efisiensi sirip dari berbagai jenis bahan dari waktu ke waktu ............................................................
33 Gambar 5.1.a Grafik perbandingan kalor yang dilepas sirip dari berbagai jenis bahan dari waktu ke waktu .................................................
30 Gambar 3.5 Node pada bagian tengah sirip ............................................
28 Gambar 3.4 Node pada ujung sirip .........................................................
27 Gambar 3.3 Node pada tepi sirip ............................................................
23 Gambar 3.1 Kesetimbangan energi dalam volume kontrol .....................
2 Gambar 1.2.a Pandangan depan sirip .........................................................
19 Gambar 2.6 Berbagai daerah aliran lapisan batas di atas plat rata .........
15 Gambar 2.5 Skema perpindahan kalor konveksi pada plat rata .............
15 Gambar 2.4 Perpindahan kalor secara konduksi ....................................
11 Gambar 2.3 Perpindahan kalor secara konveksi......................................
8 Gambar 2.2 Skema perpindahan kalor konveksi ....................................
4 Gambar 2.1 Skema perpindahan kalor konduksi ....................................
3 Gambar 1.2.b Pandangan samping sirip ....................................................
45 Gambar 5.2.a Grafik kalor yang dilepas sirip berbahan tembaga (murni)
Gambar 5.2.b Grafik kalor yang dilepas sirip berbahan alumunium (murni) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu ............................
49 Gambar 5.2.c Grafik kalor yang dilepas sirip berbahan nikel (murni) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu ............................
50 Gambar 5.2.d Grafik kalor yang dilepas sirip berbahan baja krom (1%) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu ............................
51 Gambar 5.2.e Grafik kalor yang dilepas sirip berbahan baja karbon (0,5%) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu ............................
52 Gambar 5.3.a Grafik hubungan efisiensi sirip berbahan tembaga (murni) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu ............................
53 Gambar 5.3.b Grafik hubungan efisiensi sirip berbahan alumunium (murni) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu ............................
54 Gambar 5.3.c Grafik hubungan efisiensi sirip berbahan nikel (murni) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu ............................
55 Gambar 5.3.d Grafik hubungan efisiensi sirip berbahan baja krom (1%) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu ............................
56 Gambar 5.3.e Grafik hubungan efisiensi sirip berbahan baja karbon (0,5%) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu ............................
57 Gambar 5.4.a Grafik hubungan efektivitas sirip berbahan tembaga (murni) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu ............................
58 Gambar 5.4.b Grafik hubungan efektivitas sirip berbahan alumunium (murni) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu ............................
59
Gambar 5.4.c Grafik hubungan efektivitas sirip berbahan nikel (murni) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu ............................
60 Gambar 5.4.d Grafik hubungan efektivitas sirip berbahan baja krom (1%) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu ............................
61 Gambar 5.4.e Grafik hubungan efektivitas sirip berbahan baja karbon (0,5%) berdasarkan nilai h dari waktu ke waktu ............................
62 Gambar 5.5.a Grafik kalor yang dilepas sirip berbahan tembaga (murni) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu .............
66 Gambar 5.5.b Grafik kalor yang dilepas sirip berbahan alumunium (murni) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu .............
67 Gambar 5.5.c Grafik kalor yang dilepas sirip berbahan nikel (murni) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu .............
68 Gambar 5.5.d Grafik kalor yang dilepas sirip berbahan baja krom (1%) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu .............
69 Gambar 5.5.e Grafik kalor yang dilepas sirip berbahan baja karbon (0,5%) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu ..............
70 Gambar 5.6.a Grafik hubungan efisiensi sirip berbahan tembaga (murni) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu .............
71 Gambar 5.6.b Grafik hubungan efisiensi sirip berbahan tembaga (murni) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu .............
72 Gambar 5.6.c Grafik hubungan efisiensi sirip berbahan nikel (murni) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu .............
73
Gambar 5.6.d Grafik hubungan efisiensi sirip berbahan baja krom (1%) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu .............
74 Gambar 5.6.e Grafik hubungan efisiensi sirip berbahan baja karbon (0,5%) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu .............
75 Gambar 5.7.a Grafik hubungan efektivitas sirip berbahan tembaga (murni) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu .............
76 Gambar 5.7.b Grafik hubungan efektivitas sirip berbahan alumunium (murni) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu .............
77 Gambar 5.7.c Grafik hubungan efektivitas sirip berbahan nikel (murni) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu .............
78 Gambar 5.7.d Grafik hubungan efektivitas sirip berbahan baja krom (1%i) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu .............
79 Gambar 5.7.e Grafik hubungan efektivitas sirip berbahan baja karbon (0,5%) berdasarkan suhu dasar (Tb) dari waktu ke waktu .............
80
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Sirip (fin) digunakan untuk memperluas permukaan pada alat pendingin.
Salah satu fungsi penggunaan sirip terdapat pada perangkat komputer untuk
membantu proses pendinginan komponen yang ada di dalamnya (misalnya pada
pendingin prosesor). Salah satu cara untuk mengurangi panas pada prosesor
tersebut dengan menggunakan heatsink (pendingin). Heatsink adalah logam
dengan bentuk khusus yang terbuat dari bahan alumunium, tembaga, dan bahkan
kombinasi kedua bahan tersebut. Heatsink berfungsi untuk memperluas transfer
panas dari sebuah prosesor. Perpindahan panas tersebut dibantu oleh aliran udara
di dalam casing. Jika aliran udara di dalam casing terganggu, maka dipastikan
prosesor akan kepanasan, oleh karena itu heatsink ditambahkan sebuah kipas
pendingin menjadi heatsink fan (HSF). Pada masa kini HSF didesain
menggunakan teknologi heatpipe (pipa kalor) yaitu pipa tembaga kecil untuk
transfer panas dengan manggunakan konsep kapilaritas. Dari permasalahan di atas
penulis ingin menganalisa bagian sirip (fin) dari perangkat HSF supaya temperatur
komputer dapat terjaga pada batas temperatur kerja yang ideal. Bentuk HSF bisa
dilihat pada Gambar 1.1.www.canggihtenan.blogspot.com/2010/09
Gambar 1.1 heatsink fan (sumber :/desktop-pc-parts-checklist.html ) Fungsi sirip (fin) pada heatsink secara umum adalah untuk membantu
memperluas permukaan benda, agar laju perpindahan panas dapat diperbesar,
sehingga dapat mempercepat proses pendinginan. Beberapa penelitian mengenai
perhitungan distribusi suhu pada sirip yang dilakukan secara simulasi numerik
dengan menggunakan motode beda-hingga (finite-difference) cara eksplisit telah
banyak dilakukan. Sebagai contoh: Penelitian circum ferential yang disimulasikan
secara simulasi numerik (Supranto, 1991). Penelitian lainnya adalah penelitian
bentuk lain dalam arah tegak lurus dasar sirip (kasus 1D) seperti: bentuk piramida
(Bintoro A.N dan P.K Purwadi, 2006). Kedua penelitian tersebut sifat bahan (ρ, c,
k, dan α) diasumsikan konstan, tidak berubah terhadap waktu.Pada penelitian efisiensi dan efektivitas sirip longitudinal dengan profil
siku empat keadaan tak tunak (unsteady) kasus 2D (PK Purwadi, 2008),
dihasilkan kesimpulan: (1) semakin besar nilai ξ, semakin kecil nilai efisiensi
sirip dan efektivitas sirip (2) semakin besar nilai h, laju aliran kalor konveksi
semakin besar, beda suhu antara suhu sirip dengan suhu fluida di sekitar sirip
semakin kecil, tetapi nilai ξ semakin besar. Kasus 2D artinya aliran kalor konduksi
yang terjadi pada sirip hanya terjadi dalam 2 arah: arah x dan arah y.1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang tersebut di atas, rumusan masalah pada
penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh material sirip, pengaruh nilai
koefisien perpindahan kalor konveksi (h), dan pengaruh suhu dasar sirip (Tb)
terhadap laju perpindahan kalor, efisiensi dan efektivitas sirip dari waktu ke
waktu. Bentuk sirip seperti terlihat pada Gambar 1.2.a dan Gambar 1.2.b berikut
:
Gambar 1.2.a tampak pandangan depan sirip
Gambar 1.2.b tampak pandangan samping sirip
Benda uji (sirip) mula-mula mempunyai suhu seragam sebesar , suhuudara disekitar sirip sebesar , dengan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi
(h) tertentu dan bersifat tetap serta merata. Kemudian dasar sirip dikondisikan
tetap dan merata pada suhu . Persoalannya adalah menghitung besarnya laju
perpindahan kalor, efisiensi dan efektivitas sirip dari waktu ke waktu.1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dalam penelitian ini adalah:
1. Mengetahui pengaruh bahan sirip terhadap laju perpindahan kalor, efisiensi dan efektivitas sirip dari waktu ke waktu.
2. Mengetahui pengaruh nilai koefisien perpindahan kalor konveksi (h) terhadap laju perpindahan kalor, efisiensi dan efektivitas sirip dari waktu ke waktu.
3. Mengetahui pengaruh suhu dasar sirip terhadap laju perpindahan kalor, efisiensi dan efektivitas sirip dari waktu ke waktu.
1.4 Batasan Masalah
Beberapa asumsi yang diberlakukan dalam penelitian ini adalah:
1. Nilai koefisien perpindahan kalor konveksi (h) di sekitar sirip bersifat tetap dan merata.
2. Nilai koefisien perpindahan kalor koduksi (k = konduktivitas termal bahan) bersifat tetap dan merata.
3. Massa jenis bahan sirip ρ, kalor jenis bahan sirip bersifat tetap dan merata.
4. Perpindahan panas secara radiasi diabaikan, karena dianggap pengaruhnya sangat kecil.
5. Suhu fluida disekitar sirip diasumsikan tetap dan merata, dengan o suhu sebesar 35 C.
6. Tidak ada pembangkitan energi ̇ didalam sirip.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat dari hasil penelitian ini adalah:
1. Penelitian ini dapat memberikan wawasan baru tentang perhitungan laju perpindahan kalor, efisiensi dan efektivitas sirip 2D pada keadaan tak tunak untuk sirip berbentuk persegi empat.
2. Penelitian ini dapat membantu para pembuat sirip dalam merancang sirip dan pemilihan bahan sirip dengan mempertimbangkan pengaruh kecepatan fluida (nilai h), suhu dasar sirip .
3. Hasil penelitian dapat digunakan sebagai referensi bagi para peneliti lain untuk mengembangkan penelitian dengan bentuk penampang sirip yang berbeda.
4. Pada aplikasi langsung pembuatan sirip heatsink processor, dengan adanya penelitian ini diharapkan engineer dalam merancang sirip selalu mempertimbangkan pengaruh luas penampang sirip , jenis bahan sirip, faktor kecepatan fluida dalam perancangan suatu sistem pendingin.
BAB II DASAR TEORI
2.1 Perpindahan Kalor Kalor ialah bentuk energi yang dapat berpindah antara dua sistem atau
sistem dengan lingkungannya karena perbedaan temperatur. Transformasi energi
panas dari sistem bertemperatur tinggi ke sistem bertemperatur lebih rendah
disebut perpindahan kalor. Ilmu perpindahan panas tidak hanya memaparkan
transfer energi panas dari benda satu ke benda lainya, tetapi bisa digunakan untuk
merencanakan atau meramalkan laju perpindahan yang terjadi pada kondisi-
kondisi tertentu (J.P. Holman, 1995).Pada dasarnya terdapat tiga macam perpindahan panas ( Heat transfer ),
yaitu perpindahan panas secara konduksi, perpindahan panas secara konveksi dan
perpindahan panas secara radiasi (J.P. Holman, 1995). Dalam penelitian ini
perpindahan panas secara radiasi diabaikan.2.2 Perpindahan Kalor Konduksi Perpindahan kalor konduksi adalah proses dimana panas mengalir dari
daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur lebih rendah
dalam satu medium atau diantara medium-medium lainnya, yang bersinggungan
secara langsung. Terdapat empat hal penting dalam perpindahan kalor konduksi,
yaitu konduktivitas kalor, konduktansi kalor, resistivitas kalor dan resistansi kalor
(Rafael Falcon, FT UI, 2008).Gambar 2.1 skema perpindahan kalor Konduksi Persamaan perpindahan kalor konduksi adalah:= .
( ) = . .
..............................................................................................(2.1) Pada Persamaan (2.1) diketahui : : Laju perpindahan kalor konduksi (watt)
2 A : Luas permukaan benda yang tegak lurus arah perpindahan kalor ( m ) k : Konduktivitas termal bahan ( thermal conductivity ) ( ) dT : Perbedaan suhu ( ℃) dx : Tebal benda (m) Persamaan ( 2.1 ) disebut hukum Fourier tentang konduksi kalor.
2.3 Konduktivitas Termal
Konduktivitas termal (k) merupakan perhitungan kapasitas hantar panas
pada suatu bahan, konduktivitas adalah sifat bahan yang menunjukan seberapa
= .
(k) adalah . Nilai konduktivitas termal suatu bahan dapat diukur
berdasarkan hukum Fourier.Nilai konduktivitas termal bahan dapat dilihat dalam Tabel 2.1, untuk
memperlihatkan urutan besaran yang mungkin didapatkan dalam praktek. Pada
umumnya konduktivitas termal bahan sangat tergantung pada suhu dan struktur
atomik bahan.Tabel 2.1 nilai konduktivitas termal beberapa bahan (J.P. Holman, Sixth Edition hal 8)Bahan . ℃ . . Logam : Perak (murni) 410 237 Tembaga (murni) 385 223 Alumunium (murni) 202 117 Nikel (murni)
93
54 Besi (murni)
73
42 Baja karbon 1%
43
25 Timbal (murni) 34 20,3 Baja krom-nikel (18% Cr, 8% 16,3 9,4 Ni)
Bukan logam : Kuarsa (sejajar sumbu) 41,6
24 Magnesit 4,15 2,4 Marmer 2,08-2,94 1,2-1,7 Batu pasir 1,83 1,06 Kaca jendela 0,78 0,45 Wol kaca 0,038 0,02 Zat cair Air raksa 8,21 4,74 Air 0,556 0,327 Amoniak 0,54 0,312 Minyak pelumas SAE 50 0,147 0,085 Freon 12 0,073 0,042 Gas Hidrogen 0,175 0,101 Helium 0,141 0,081 Udara 0,024 0.0139 Uap air (jenuh) 0,0206 0,119
Nilai k semakin besar artinya kalor dapat mengalir dengan mudah dan
cepat. Bahan logam memiliki nilai konduktivitas termal yang baik dibandingkan
bahan yang lainya (bahan bukan logam).2.4 Perpindahan Kalor Konveksi
Perpindahan kalor konveksi adalah proses transfer panas cairan atau gas
(fluida) yang suhunya lebih tinggi mengalir ke permukaan benda yang suhunya
lebih rendah melalui pergerakan molekul, zat atau materi. Fluida mengalir
melalui permukaan benda yang suhunya berbeda, energi panas akan mengalir
diantara permukaan benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih
rendah. Laju aliranya tergantung pada sifat fisik fluida dan macam aliran fluida
(J.P. Holman, 1995).Gambar 2.2 skema perpindahan kalor konveksi Persamaan perpindahan kalor konveksi adalah :− )
= ℎ . ( .................................................................................................(2.2)
Pada Persamaan (2.2) diketahui : : Laju perpindahan kalor konveksi (watt)
2 A : Luas permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida, satuan (m ) h : Koefisien Perpindahan kalor konveksi dengan satuan ( ) : Suhu benda ( ℃ )
: Suhu fluida ( ℃ )
Perpindahan kalor konveksi terjadi jika ada medium yang bergerak,
misalnya fluida (udara, air, gas). Perpindahan kalor konveksi dibedakan menjadi
2 yaitu: konveksi alami dan konveksi paksa. Persamaan ( 2.2 ) disebut hukum
Newton tentang konveksi kalor.2.4.1 Konveksi Alamiah Perpindahan kalor konveksi alamiah adalah perpindahan panas karena
beda suhu dan beda kerapatan fluida, tidak ada energi luar yang mendorongnya.
Perbedaan suhu antara permukaan benda padat dengan fluida mengakibatkan
panas mengalir. Permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida mengalami
perubahan kerapatan, perubahan kerapatan mengakibatkan fluida yang lebih berat
mengalir ke bawah, dan fluida yang lebih ringan akan mengalir ke atas.Arus konveksi bebas dan arus konveksi paksa berfungsi mentransferkan
energi panas yang tersimpan dalam fluida. Perbedaanya adalah intensitas gerakan
perpindahannya, konveksi bebas umumnya memiliki nilai koefisien perpindahan
kalor konveksi lebih kecil dibandingkan konveksi paksa.2.4.2 Konveksi Paksa Perpindahan kalor konveksi paksa adalah perpindahan panas yang terjadi
karena adanya beda suhu, aliran fluida disebabkan karena energi luar yang
mendorongnya; yang berasal dari pompa, kipas (fan).2.5 Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi
Koefisien perpindahan kalor konveksi (h) bervariasi terhadap: (a) jenis
aliran (laminer dan turbulen), (b) bentuk ukuran benda dan area yang dialiri
fluida, (c) sifat-sifat dari fluida, (d) suhu rata-rata dan (e) posisi sepanjang
permukaan benda. Selain pengaruh diatas, nilai koefisien perpindahan kalor
konveksi (h) juga dipengaruhi mekanisme perpindahan panas dengan konveksi
paksa (gerakan fluida karena bantuan pompa atau kipas), atau dengan konveksi
bebas. Pada Tabel 2.2 disajikan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi (h)
dengan kondisi yang berbeda.