LATAR BELAKANG Perpindahan Panas
-
Upload
harywijaya -
Category
Documents
-
view
83 -
download
13
description
Transcript of LATAR BELAKANG Perpindahan Panas
PENDAHULUAN
Dalam setiap kinerja mesin kendaraan selalu menghasilkan getaran dan panas, tidak ada
satu pun mesin kendaraan yang berkerja dengan efisiensi yang sempurna(tidak ada getaran mau
pun panas). Untuk masalah getaran dapat diredam Shock Absorber mau pun dapat diredam
dengan bantalan sedangkan untuk masalah Overheat dapat di atasi dengan menggunakan
Radiator. Radiator adalah sebuah alat pendingin yang di dinginkan oleh udara luar untuk radiator
sendiri, namun udara luar tidaklah cukup untuk mendinginkan air yang ada di dalam radiator
yang suhu dan tekanannya sangat tinggi sehingga dibutuhkan sebuah kipas pendingin(cooling
fan) untuk menstabilkan suhu dan tekanan yang di perbolehkan dalam kinerja mesin kendaraan
tersebut.Selain kipas radiator, ada kinerja radiator diantaranya adalah tutup radiator, tangki
cadangan(reservoir tank), Pompa air(pump), thermostat, dan fan belt.
Gambar 1 (otomotif plus)
Salah satu konsep perpindahan panas yaitu konveksi yang juga diterapkan dalam sistem kerja
radiator. Sistem kerja radiator bermula bila suhu pada thermostat mencapai 800-900C maka air
akan di alirkan menggunakan pompa ke water jacket menuju combustion chamber, kemudian air
yang masuk ke water jacket di sekeliling combustion chamber akan terpanaskan seperti proses
pemanasan air dalam panci. Lalu air yang terkonveksi panas dari combustion chamber akan
dialirkan kembali ke radiator dan panas tersebut akan diserap dengan sirip – sirip ( fin) secara
konduksi karena sirip – sirip tersebut bersentuhan dengan pipa yang mengalirkan air panas yang
berasal dari combustion chamber. Setelah suhu air kembali stabil, maka akan kembali dalirkan
ke water jacket sedangkan sirip – sirip(fin) yang menjadi panas karena proses konduksi dari pipa
yang mengalirkan air panas akan didinginkan dengan kipas pendingin. Apa bila tekanan dan
suhu yang terdapat dalam radiator melebihi batas yang di tentukan, maka relief valve akan
membuka dan menghisap air untuk dialirkan melalui overflow pipe ke reservoir tank untuk
mengurangi tekanan dan suhu berlebih pada radiator dan bila suhu radiator sudah kembali stabil
maka vacum valve akan membuka secara otomatis untuk menghisap udara segar mengganti
kevakuman dalam radiator dan air yang berada pada reservoir tank akan kembali terhisap ke
dalam radiator.
LATAR BELAKANG
Sebuah mesin yang harus bekerja dalam waktu yang lama dan beban yang cukup berat
sangat memerlukan pendinginan untuk menjaga kestabilan suhu agar kualitas kinerja mesin dan
komponen – komponen tidak rusak karena panas. Khususnya mesin mobil yang harus bekerja
cukup lama karena kemacetan mengakibatkan sering terjadinya overheat sehingga radiator
menjadi komponen yang penting untuk menstabilkan panas di combustion chamber.
Oleh karena itu, Penulis ingin menjabarkan sistem kerja radiator serta proses perpindahan
panas yang terjadi pada radiator serta area – area radiator yang mempunyai tingkat panas yang
tinggi. Selain itu batas – batas kemampuan radiator untuk menjaga kestabilan suhu dan batas –
batas kemampuan sirip radiator untuk menahan aliran air panas yang kembali dari combustion
chamber . Sehingga akan terdapat kesimpulan yang bisa dipergunakan untuk pengoptimalan
radiator.
LANDASAN RUMUSAN
Perpindahan panas adalah proses bertukarnya panas (suhu mau pun energy) yang terjadi
pada dua buah benda baik padat mau pun cair yang berbeda temperature atau pun sebuah benda
atau tempat yang di ubah suhunya melalui pancaran(tidak langsung) dan dapat dilakukan dengan
beberapa proses, yaitu :
1. Proses Konduksi (Conduction)
Proses perpindahan panas antar benda padat yang jumlahnya lebih dari 2(dua) dengan
suhu yang bervariasi serta secara langsung bersentuhan. Proses ini dapat dilakukan pada
benda – benda padat khususnya dan untuk berbagai dimensi, sebagai berikut:
a. Satu dimensi (Mono Dimensional) : Proses perpindahan panas secara konduksi
dalam satu arah (satu garis lurus), atau antara dua titik ( beda temperatur) dalam
benda yang masih dalam satu bidang datar , dan berlaku perumusan sebagai berikut:
Qk=−kAdTdX
... Pers. (1)
Dimana:
Qk : Laju aliran panas dalam Btu/hr atau Watt/s
K : Koefisien konduktivitas material
A : Luas penampang tegak lurus aliran panas 1 dimensi (ft2 atau m2)
dT/dX : Gradient penurunan temperature dalam benda padat (F/ft ; K/m)
b. Dua dimensi (Dwi Dimensional) : Proses konduksi yang merambat dalam
satu arah (satu garis lurus), atau antara dua titik (beda temperatur) bisa dalam dua
bidang yang berlainan dan dalam satu bidang datar
c. Tiga dimensi (Tri Dimensional) : Proses konduksi yang merambat dalam
satu arah (satu garis lurus), atau antara dua titik (beda temperatur) bisa dalam ruang
(bidang tiga) yang berlainan temperaturnya dan berarah lurus dalam bidang yang
berbeda.
2. Proses Konveksi (Convection)
Perpindahan panas dalam suatu fluida (cairan atau gas) yang membutuhkan benda
fluida perantara dari tempat yang mempunyai temperatur yang berbeda dan berpindah
dari temperatur yang lebih tinggi menuju temperatur yang lebih rendah
Sama halnya dengan proses konduksi, proses konveksi juga mempunyai beberapa
mekanisme perpindahannya, yaitu:
a. Satu dimensi (Mono Dimensional) : Proses konveksi (perambatan panas dalam
fluida) dan dalam satu arah (satu garis lurus), atau antara dua daerah ( beda
temperatur) dalam elemen yang masih dalam satu bidang datar.
Laju perpindahan panas konveksi satu dimensi dari suatu permukaan fluida dapat
dihitung dengan persamaan sebagai berikut
QC=hc . A .∆ T … Pers. (2)
Dimana:
QC : Laju aliran panas konveksi (Btu/hr atau Watt/s)
Hc : Permukaan perpindahan panas atau koefisien perpindahan panas
konveksi ( Btu/h ft2 F atau Watt/ s.m2K)
A : Luas area perpindahan panas (ft2 atau m2)
∆T : Beda temperatur permukaan Ts dan Tf (F atau K)
b. Bidang datar (Dwi Dimensional) : Proses konveksi (perambatan panas dalam fluida)
dan dalam satu arah (satu garis lurus), atau antara dua daerah (beda temperatur) bisa
dalam dua bidang yang berlainan dalam perantara fluida.
c. Ruang tiga dimensi (Tri Dimensional) : Proses konveksi (perambatan panas dalam
fluida) dan dalam satu arah (satu garis lurus), atau antara titik elemen (beda
temperatur) bisa dalam ruang (bidang tiga) yang berlainan temperatur dan berarah
lurus dalam bidang yang berbeda menurut elemen cairan.
3. Proses Radiasi (Radiation)
Perpindahan pnas secara pancaran (Radiation0 dari suatu elemen ke elemen yang lain
dengan atau tanpa perantara (dalam ruang hampa/vaccum) yang mempunyai temperatur lebih
tinggi ke suatu elemen/tempat yang mempunyai temperatur yang lebih rendah.
Laju perpindahan panas secara radiasi dalam satu dimensi dari suatu permukaan fluida
dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
Qr=Σ. A1 . ε1 .(T14−T 2
4) … Pers. (3)
Dimana :
Qr : Laju bersih aliran panas radiasi ( Btu/hr atau Watt/s)
∑ : Konstanta dimensional ( 0.1714x10-8 Btu/hr ft2 R4 atau 5.67x10-8 Watt/m2K4)
A1 : Luas perpindahan panas (ft2 atau m2)
T1 : Temperatur permukaan yang memancarkan panas (R atau K)
T2 :Temperatur permukaan yang menutupi (R atau K)
ε :Menggunakan ε1 (emitansi) khusus untuk benda sebagai perbandingan
pancarannya terhadap pancaran radiasi sempurna pada temperatur yang sama.
Adapun beberapa mekanisme perpindahan panas secara radiasi sebagai berikut:
a. Satu arah pancaran (Mono Dimensional) : Proses radiasi (pancaran panas)
dalam satu arah berupa satu garis lurus, atau antara dua titik – titik daerah/tempat
yang mempunyai beda temperaturnya dalam ruang atau bidang yang berbeda.
b. Bidang datar 2-dimensi (Dwi Dimensional) : Proses radiasi (pancaran panas)
dalam satu arah berupa satu garis lurus, atau antara dua titik – titik daerah/tempat
yang mempunyai beda temperaturnya bisa dalam dua bidang yang berlainan dalam
tanpa membutuhkan elemen perantara (ruang hampa).
c. Ruang tiga dimensi (Tri Dimensional) : Proses radiasi (pancaran panas)
dalam tiga arah berupa garis lurus, atau antara dua titik – titik daerah/tempat yang
mempunyai beda temperaturnya bisa dalam ruang (bidang tiga) yang berlainan
temperaturnya dan mempunyai arah garis lurus bisa dalam bidang yang berbeda
menurut dan tanpa elemen perantara.
Dalam proses kerja radiator mobil berlangsung dua buah proses perpindahan panas yaitu perpindahan panas secara konveksi pada saat air radiator dipanaskan di dalam water jacket dan perpindahan panas secara konduksi yang terjadi ketika sirip – sirip (fin) bersinggungan dengan pipa yang membawa air radiator yang panas dan menyerapnya.
Selain persamaan – persamaan dasar yang telah di jelaskan, ada pula rumus yang di butuhkan untuk meghitung perpindahan panas rata – rata dan laju aliran perpindahan panas yang terjadi pada radiator mobil dan berikut persamaannya
Heat Transfer Rate/Flux (perpindahan panas rata – rata )
Q x=KT .∆TX
… Pers. (4)
Dimana :
QX : Heat transfer rate/flux (Joule/m2.s)
KT : Konduktivitas termal (Joule/m.0C.s)
∆T : Perbedaan suhu (0C)
X : Panjang benda (m)
Sedangkan untuk Heat Flow adalah sebagai berikut
H=K T . A .(Thot−T cold )
t … Pers. (5)
Dimana :
H : Heat flow/laju aliran panas (J/s)
KT : Konduktivitas termal (Joule/m.0C.s)
Thot : Suhu yang lebih tinggi (0C)
Tcold : Suhu yang lebih rendah (0C)
A : Luas penampang benda (m2)
t : Ketebalan benda (m)
Menurut Armento (1979), Menegazzi dan Trapi (1996) ( Rudi S. (1999)) faktor – faktor
yang mempengaruhi kinerja dalam proses pendinginan dalam sebuah radiator di antaranya yaitu
- Tipe dari system pendinginan (menggunakan udara atau air)
- Diameter dari water jacket yang digunakan
- Tipe coolant yang digunakan
- Thermostat
- Penutup tekanan
- Vacum dan Relief Valve
- Kondisi sirip kipas pendingin(Cooling Fan)
- Kinerja dari pompa air pendingin
Selain pendapat diatas, masih ada beberapa pendapat untuk mengoptimalkan proses
perpindahan panas yang terjadi atau meningkatkan efisiensi dari kinerja radiator diantaranya
sebagai berikut:
1. Penelitian pendahulu yang dilakukan beberapa orang peneliti yang dilaporkan kembali
oleh Indra Mamad Gandidi (2001) dan Ximenes (1981) melaporkan hasil eksperimen untuk
koefisien perpindahan panas dalam susunan satu dan dua baris pipa oval pada penukar panas
sirip plat yang menunjukkan bentuk geometri bulat, diselidiki bahwa penurunan koefisien panas
berkurang secara dramatis dibelakang pipa-pipa dibandingkan dengan konfigurasi oval.
2. Rosman et. al. (1984) secara eksperimen menentukan koefisien perpindahan panas
global dan lokal, menggunakan analogi perpindahan panas dan massa untuk susunan satu dan
dua baris pipa bulat, diikuti dengan perhitungan numeris distribusi temperatur sirip dan efisiensi
sepanjang sirip. Hasilnya menunjukkan bahwa konfigurasi dua baris lebih efisien dari susunan
satu baris.
3. Untuk mengetahui seberapa jauh pengaruh dari geometri sirip terhadap koefisien
perpindahan panas konveksi pada radiator, Rudi S. (1999) melakukan penelitian secara
eksperimental dengan cara merubah geometri sirip untuk mendapatkan aliran udara yang
melewati inti radiator supaya lebih berputar. Hasil yang didapat menunjukkan peningkatan
koefisien perpindahan panas konveksi radiator.
PRINSIP DASAR ALAT PENUKAR PANAS KHUSUSNYA RADIATOR
Alat Penukar panas (Heat Exchange/Radiator) adalah sebuah alat yang berfungsi untuk
mengubah temperatur suatu fluida dengan proses pertukaran panas/kalor dengan fluida lainnya
yang berbeda temperatur. Prinsip alat penukar panas adalah sebagai tempat mencampurkan
kedua fluida tersebut namun dibatasi dengan dinding pipa atau sirip – sirip yang di pasangkan
pada pipa. Walau pun ada pula metode dengan langsung mencampurkannya namun hal tersebut
hanya dapat dapat di gunakan bila kedua fluida yang di gunakan adalah sejenis atau pun memang
mempunyai tujuan untuk menukar panas dan mencampurkan kedua sifat dari fluida – fluida
tersebut. Proses aliran pertukaran panas yang terjadi sama halnya dengan proses aliran air yaitu
panas dari fluida yang bertemperatur tinggi menuju ke fluida yang bertemperatur lebih rendah.
Besarnya panas/kalor yang berpindah sangat dipengaruhi oleh beberapa factor yaitu kecepatan
aliran fluida, arah aliran, sifat – sifat fisik dan kimia kedua fluida, kondisi permukaan dan luas
bidang penukar/pembatas penukar panas, serta perbedaan temperature antara kedua fluida yang
digunakan.
Terdapat dua jenis aliran fluida yang mungkin terjadi yaitu aliran laminar dan aliran
turbulen. Pada aliran laminer adalah sebuah aliran yang sifatnya tenang, kecepatannya rendah
dimana semua partikel – partikelnya mempunyai sifat yang seragam, sedangkan pada aliran
turbulen berlawanan dengan laju aliran laminer yaitu setiap partikelnya mempunyai arah dan
kecepatan yang berbeda – beda dan tidak seragam, sehingga setiap partikel menyentuh
permukaan dan dinding aliran. Jadi dapat disimpulkan bahwa aliran turbulen akan membuat
kesempatan bagi fluida untuk menyerap panas pada dinding saluran lebih besar.
Ada beberapa cara untuk memperoleh laju aliran turbulen bagi alat penukar panas yaitu
dengan cara membuat alur tempat fluida mengalir yang berliku – liku, membuat dinding
permukaan yang kasar, atau dengan mempercepat laju aliran fluida. Bersamaan dengan
peningkatan kapasitas perpindahan panas tersebut, maka gesekan atau tumbukan dengan dinding
saluran akan meningkat.
Sedangkan keseimbangan energi dalam radiator dapat dideskripsikan sebagai berikut.
Satu fluida pada alat penukar panas akan berfungsi sebagai fluida panas yang akan melepaskan
sebagian energinya dalam bentuk panas kepada fluida dingin. Apabila fluida dalam pipa
bertindak sebagai fluida panas (air), maka fluida dalam sirip-sirip (fin) bertindak sebagai fluida
dingin (udara). Terjadinya perbedaan temperatur antara sisi masuk dengan sisi keluar
menunjukkan adanya fenomena tersebut.
Q = m.Cp.( Tinlet – Toutlet ) . . . Pers (6)
dengan :
m = laju aliran massa (kg.s-1)
Cp = panas spesifik (J.kg-1.0C-1)
Tinlet = temperatur fluida masuk (0C)
Toutlet = temperatur fluida keluar (0C)
Dengan mengetahui jenis fluida yang mengalir, laju aliran massa serta tingkat keadaan
awal dan keadaan akhir dari fluida tersebut maka kita dapat membuat suatu kesetimbangan
energi dan menghitung banyaknya energi yang berpindah. Untuk fluida panas (air) yang
mempunyai temperatur awal lebih tinggi dari pada temperatur akhir dapat digambarkan sebagai
berikut :
Gambar.2 Kesetimbangan (Ir.Subroto,MT. & Ir.Sartono Putro, 2003:11)
Besarnya energi yang dilepaskan :
Q in = Q lepas + Q out
Q lepas = Q in - Q out
Q lepas = m a . cpa . Tam - m a . cpa . Tak
Q lepas = m a . cpa [ Tam – Tak ]……………………………(5)
Sistem pendinginan pada motor bakar, khususnya pada motor bakar torak merupakan
bagian yang penting. Motor tidak dapat beroperasi lama bila sistem pendinginannya tidak
bekerja dengan baik. Berdasarkan fluida pendinginnya sistem pendinginan motor bakar torak
dapat dibedakan antara motor bakar dengan pendingian air dan motor bakar dengan pendinginan
udara. Pada motor bakar dengan pendinginan air, air pendingin dialirkan melalui kepala dan
dinding silinder serta bagian lainnya yang perlu didinginkan. Air akan menyerap panas dari
bagian-bagian tersebut, kemudian mengalir meninggalkan blok mesin menuju radiator. Dengan
bantuan kipas udara, udara dihembuskan melalui sirip-sirip pendingin tersebut. Jadi air
pendingin disini tidak berhubungan langsung dengan atmosfir. Sistem pendinginan seperti ini
disebut sistem pendinginan tertutup.
Sedangkan prestasi radiator adalah kemampuan dari radiator tersebut untuk melepaskan
panas dari air ke udara yang mengalir disekitarnya dengan laju aliran massa air dan udara
tertentu persatuan waktu. Prestasi radiator dapat dicari dengan mengamati keadaan masuk dan
keluar fluida dari sistem serta mengasumsikan bahwa alirannya merata dan mantap. Untuk
menentukan prestasi radiator diperlukan parameter –parameter antara lain sebagai berikut :
1. Laju aliran massa air, m
2. Temperatur air masuk, Tam
3. Temperatur air keluar, Tak
4. Temperatur udara ruangan
Untuk menganalisa parameter-parameter yang diperlukan dalam prestasi radiator yang
akan dicari pada pengujian ini, maka diperlukan persamaan persamaan sebagai berikut :
Jumlah panas yang dilepas oleh air ( Qa )
Dalam keadaan tunak, besarnya panas yang dilepas oleh air dapat dihitung dengan
persamaan dibawah ini :
Qa = m a . cpa . [ Tam – Tak ]…………………………………(6)
dengan :
m a = laju aliran massa air (kg.s-1)
cpa = panas jenis pada temperatur air rata-rata (KJ.kg-1.0C-1)
,sedangkan
m a = Va . ρa . A…………………………………………….(7)
dengan :
A = luas penampang (m2)
Va = kecepatan aliran fluida (m.s-1)
ρa = massa jenis air pada temperatur air rata-rata (kg.m-3)
HASIL
Dari penelitian diatas dapat di ambil hasil yaitu radiator memanfaatkan proses
perpindahan panas secara konveksi dan untuk meningkatkan efisiensi dari radiator itu sendiri
maka ada beberapa cara di antaranya adalah mengubah material sirip – sirip radiator, mengubah
material pipa serta bentuknya, fluida pendingin yang memiliki koefisien penghantar panas yang
baik, putaran kipas yang tinggi, pompa yang digunakan untuk mengalirkan fluida, bahkan
susunan baris sirip(fin) dan pipa dapat meningkatkan efisiensi dari radiator tersebut.
Perawatan juga sangat diperlukan untuk menjaga kualitas kinerja dari radiator. Perawatan
yang dilakukan secara berkala(preventive maintenance) adalah pemeriksaan tingkat fluida yang
terdapat pada radiator, sedangkan untuk perawatan lainnya adalah pemeriksaan untuk sirip yang
mengembang
KESIMPULAN
Referensi :
- Buku New Step 1, training manual Toyota
- Bahan Ajar dosen Ir. Prinadi, M.Sc.
- Otomotif Plus
- AP Physics - Thermodynamics
-