Nama : Muhammad Yusuf Nurfani Npm : 24409107

Kelas : SMTM-01 (sarmag mesin) Universitas Gunadarma

1.

Optimasi Panas Kendaraan (Mobil)

Kesetimbangan Penukar panas (heat exchanger) adalah alat yang digunakan untuk mengubah temperature fluida dengan cara mempertukarkan panasnya dengan fluida lainnya. Penukar panas umumnya berupa peralatan dimana dua jenis fluida yang berbeda temperaturnya dialirkan didalamnya dan saling bertukar panas melalui bidang-bidang perpindahan panas atau dengan cara kontak langsung (bercampur)bidang penukar panas, serta beda temperatur diantara kedua fluida. Penukar panas (heat exchanger) adalah alat yang digunakan untuk mengubah temperatur fluida dengan cara mempertukarkan panasnya dengan fluida lainnya. Penukar panas umumnya berupa peralatan dimana dua jenis fluida yang berbeda temperaturnya dialirkan didalamnya dan saling bertukar panas melalui bidang-bidang perpindahan panas atau dengan cara kontak langsung (bercampur). Kontak tersebut akan menyebabkan terjadinya proses perpindahan panas dari fluida yang bertemperatur tinggi ke fluida yang bertemperatur rendah, sehingga prinsip kerja dari penukar panas adalah mekanisme perpindahan panas dari satu fluida ke fluida yang lain. Bidang-bidang perpindahan panas tersebut umumnya berupa dinding pipa-pipa atau sirip-sirip yang dipasangkan pada pipa. Panas atau kalor yang dapat dipindahkan diantara kedua fluida tersebut, besarnya tergantung pada kecepatan aliran fluida, arah aliran, sifat-sifat fisik fluida, kondisi permukaan dan luas bidang penukar panas, serta beda temperatur diantara kedua fluida. Dalam aliran fluida dikenal dua jenis aliran yaitu aliran laminar dan aliran turbulen. Aliran laminer sifatnya tenang, kecepatannya rendah dimana semua partikel-partikelnya mempunyai sifat aliran yang seragam. Pada aliran turbulen masing-masing partikel mempunyai arah dan kecepatan yang berbeda dan tidak seragam, sehingga setiap partikel menyentuh

permukaan atau dinding aliran. Dengan demikian kesempatan fluida mengambil panas pada dinding saluran lebih besar. Pada penukar panas selalu diinginkan agar alirannya turbulen, sehingga kapasitas perpindahan panasnya meningkat. Aliran turbulen dapat diperoleh dengan cara membuat laluan yang berliku-liku, membuat dinding permukaan kasar, atau dengan memperbesar kecepatan aliran fluida. Bersamaan dengan peningkatan kapasitas perpindahan panas tersebut, maka gesekan atau tumbukan dengan dinding saluran akan meningkat. Sedangkan ketimbangan energi dalam radiator dapat dideskripsikan sebagai berikut. Satu fluida pada 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 T 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 :outlet

)

(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 ] 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 : 1. 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 ] 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 . a . A dengan : A = luas penampang (m2) Va = kecepatan aliran fluida (m.s-1) a = massa jenis air pada temperatur air rata-rata (kg.m-3)

Ada beberapa faktor yang mempengaruhi temperatur mesin. Tipe inti radiator pada sebuah kendaraan dapat mempengaruhi temperatur air radiator kendaraan tersebut. Tipe inti radiator menurut sirip sirip pendingin nya dibedakan menjadi dua macam; yaitu tipe plat (plate fin type) dan tipe lekukan (currogated fin type). Dimana tipe lekukan mempunyai kemampuan pendinginan yang lebih baik dari tipe plat karena tipe lekukan memiliki susunan pipa tunggal sehingga bentuknya lebih tipis dan lebih ringan sehingga pendinginannya lebih sempurna dari tipe plat. Faktor lainnya yang berpengaruh terhadap temperatur mesin adalah jarak bebas radiator dari kipas pendingin. Semakin jauh jarak bebas radiator dari kipas pendingin maka efektivitas pendinginannya akan semakin kurang sebaliknya bila semakin dekat jarak pemasangan radiator dari kipas pendingin maka efektivitas pendinginannya akan semakin baik. Jenis fluida pengisi radiatorpun juga dapat mempengaruhi temperatur mesin. Jenis fluida pengisi radiator dapat dibedakan menjadi dua macam yaitu air dan coolant. Radiator yang menggunakan coolant sebagai fluida pengisinya memiliki efektivitas pendingin lebih baik, karena mempunyai titik didih lebih tinggi dari pada air.

Dalam upaya untuk meningkatkan kerja pendinginan mesin kondisi dari bagian-bagian tersebut harus dalam keadaan sempurna. Toyota Astra Step 1 (1996:3-29) menyatakan bahwa Hanya kira-kira 25% energi yang dimanfaatkan secara efektif 45% lainnya hilang saat gas buang atau gesekan dan 30% diserap oleh mesin itu sendiri. RS.Northop (1991:149) menyatakan bahwa energi panas yang dibuang melalui emisi gas buang sebanyak 36%, hilang akibat gesekan dan memanaskan minyak pelumas sebanyak 7% dan sisanya sekitar 33% hilang diserap oleh sistem pendinginan mesin.

A.

Radiator Coolant Radiator Coolant atau cairan pendingin merupakan bahan tambah air pada radiator

dengan beberapa fungsi. Fungsi radiator coolant antara lain untuk mencegah karat, membantu proses pendinginan agar suhu mesin selalu dalam keadaan stabil (suhu kerja). Oleh karena itu air pada radiator harus ditambah dengan cairan pendingin agar pada radiator tidak mudah berkarat yang akhirnya akan mengurangi kinerja dari radiator itu sendiri dalam menstabilkan suhu mesin.Banyak produsen yang merekomendasikan bahwa cairan ini dapat bertahan sampai 50.000 km.Umur pemakaian coolant sangat bergantung pada kemampuannya mencegah karat.Ethylene glycol dan phosphor adlah bahan kimia yang biasa dipakai dalam cairan pendingin sebagai canpuran pencegah karat.salah satu cara untuk mencegah pemakaian radiator yang sudah kadaluarsa adalah mengecek kadar pH (derjat keasaman) cairan ini. Derajat keasaman ini harus lebih dari angka 7.

Penggunaan coolant dan air dengan perbandingan 50 : 50 sudah cukup baik untuk mencegah karat, dan mencegah agar temperature cairan tidak lebih dari 130 C.Namun, penggunaan cairan dan air dengan perbandingan 70:30 adalah yang terbaik. Kandungannya lebih efektif untuk mencegah karat dan mencegah agar temperature cairan tidak lebih dari 100 oC. Berbagai jenis radiator coolant atau cairan pendingin yang beredar di pasaran seperti: (a) Dex Cool Coolant merek Dex Cool dikeluarkan oleh General Motor (Amerika Serikat)yang menjamin cairan pendinginnya akan dapat digunakan untuk 160.000 km atau 5 tahun

pemakaian. Cairan ini sengaja diberi warna jingga untuk membedakan dengan model lama yang berwarna hijau .

(b) Toyota Super Long Life Coolant (SLLC) Toyota Super Long Life Coolant (SLLC) sudah dicampur di pabrik pembuatnya (50 % pendingin dan 50% air deionisasi),jadi tak perlu menambahkan air saat menggantiataupun meanambah SLLC pada kendaraan. Jarak penggantian yang berlaku untuk SLLC adalah setiap 80.000 km atau 48 bulan pemakaian .

(c) Top 1 Coolant Radiator Top 1 Coolant Radiator diproduksi oleh Top 1 (Amerika Serikat) pada tahun 1996,Prodesen menjamin cairan pendinginnya mampu dipergunakan untuk 160.000 km atau sekitar 4 tahun pemakaian. Top 1 Coolant Radiator diberi warna hijau karena cairan ini mengandung phosphor yang berguna untuk mencegah karat pada radiator dan blok mesinnya. Top 1 Coolant Radiator harus dicampur dengan air untuk mencapai umur pemakaian yang dijamin oleh produsen.

Dari pembahasan diatas maka dapat disimpulkan bahwa penambahan coolant dapat membantu mengoptimalkan kinerja radiator dalam mendinginkan mesin.

B.

Desain fan pendingin terhadap pendinginan

Kipas pendingin berfungsi membantu proses pendinginan pada radiator. Kipas pendingin berada dibelakang radiator dan digerakkan oleh poros engkol melalui tali kipas atau dengan motor listrik. Kipas pendingin ada dua macam, yaitu : (1) Kipas aksial Kipas aksial adalah kipas yang arah putarannya tegak lurus terhadap porosnya,biasanya kipas ini digunakan pada tekanan yang rendah, volume yang besar dan tanpa mempunyai sistem pemasukan. Contoh dari kipas aksial adalah : propeler,tube aksial,baling-baling aksial

(2)

Kipas centrifugal/radial Kipas centrifugal/radial adalah kipas yang arah putarannya sejajar terhadap porosnya,biasanya digunakan pada tekanan yang lebih tinggi dan memiliki sistem pemasukan. Contoh dari kipas radial adalah : airfoil,blower

Data pengaruh variasi jumlah sudu fan terhadap temperatur air radiator kendaraan Toyota Kijang 5K disusun berdasarkan baris, sedangkan pengaruh jarak pemasangan radiator digunakan pendingin air radiator disusun berdasarkan kolom. Dari data hasil pengukuran air radiator kendaraan 5K dihitung dari hasil angka atau skala nominal yang terukur pada alat Thermocouple reader. Satuan untuk harga temperatur adalah derajat celcius (oC ). Dari histrogram dibawah ini dapat diamati bahwa semakin dekat jarak pemasangan radiator, maka efektifitas pendinginan yang dihasilkan juga semakin tinggi. Sedangkan untuk variasi jumlah sudu kipas mempunyai harga yang berbeda beda. Pada kipas dengan jumlah sudu lima, temperature yang dihasilkan pada jarak pemasangan 1,5 cm lebih tinggi daripada jumlah sudu kipas yang lain. Pada kipas dengan jumlah sudu enam, temperatur yang dihasilkan pada jarak pemasangan radiator 2 cm lebih tinggi dari pada jumlah sudu kipas tujuh. Pada kipas dengan jumlah sudu tujuh, temperature yang dihasilkan pada jarak pemasangan 2,5 cm lebih rendah dari pada jumlah sudu kipas yang lainnya.

Grafik dan Pengaruh Variasi Jumlah Sudu Kipas Pendingin Dan Variasi Jarak Pemasangan Radiator Terhadap Temperatur Air Radiator Kendaraan Toyota Kijang 5k

Untuk fan dengan modifikasi sudut 30 derajat dapat diamati bahwa semakin dekat jarak pemasangan radiator, maka efektifitas pendinginan yang dihasilkan juga semakin tinggi. Sedangkan untuk variasi jumlah sudu kipas dan sudut fan 30 derajat mempunyai harga yang

berbedabeda. Pada kipas dengan jumlah sudu lima, temperatur yang dihasilkan pada jarak pemasangan 1,5 cm lebih tinggi daripada jumlah sudu kipas yang lain. Pada kipas dengan jumlah sudu enam, temperatur yang dihasilkan pada jarak pemasangan radiator 2 cm lebih tinggi dari pada jumlah sudu kipas sudu 5. Pada kipas dengan jumlah sudu tujuh, temperatur yang dihasilkan pada jarak pemasangan 2,5 cm lebih rendah dari pada jumlah sudu kipas yang lainnya. Hal ini menunjukkan bahwa jumlah sudu kipas dan sudut kipas mempunyai pengaruh terhadap temperatur air radiator meskipun jarak pemasangan radiator berubah-ubah.

Grafik Hubungan Pengaruh Variasi Jumlah Sudu Kipas Pendingin dan sudut kipas 30 serta Variasi Jarak Pemasangan Radiator Terhadap Temperatur Air Radiator Kendaraan Toyota Kijang 5k

Untuk fan dengan modifikasi sudut 60 derajat dapat diamati bahwa semakin dekat jarak pemasangan radiator, maka efektifitas pendinginan yang dihasilkan juga semakin tinggi. Sedangkan untuk variasi jumlah sudu kipas dan sudut fan 60 derajat mempunyai harga yang berbedabeda. Pada kipas dengan jumlah sudu lima, temperatur yang dihasilkan pada jarak pemasangan 1,5 cm lebih tinggi daripada jumlah sudu kipas yang lain. Pada kipas dengan jumlah sudu enam, temperatur yang dihasilkan pada jarak pemasangan radiator 2 cm lebih tinggi dari pada jumlah sudu 5. Pada kipas dengan jumlah sudu tujuh, temperatur yang dihasilkan pada jarak pemasangan 2,5 cm lebih rendah dari pada jumlah sudu kipas yang lainnya. Hal ini menunjukkan bahwa jumlah sudu kipas dan sudut kipas mempunyai pengaruh terhadap temperatur air radiator meskipun jarak pemasangan radiator berubah-ubah.

Grafik Pengaruh Variasi Jumlah Sudu Kipas Pendingin dan sudut kipas 600 serta Variasi Jarak Pemasangan Radiator Terhadap Temperatur Air Radiator Kendaraan Toyota Kijang 5k

Dari data diatas dapat disimpulkan bahwa jumlah sudu dan jarak fan terhadap radiator sangat berpengaruh terhadap pendinginan air radiator, terutama jumlah sudu dan bentuk modifikasi sudut

2. Jelaskan Hubungan antara h dan k..?

h adalah koefisien konveksi perpindahan panas yang sebagai laju perpindahan panas antara permukaan padat dan unit area permukaan fluida per satuan dalam

perbedaan suhu. Sedangkan k adalah konduktifitas panas. Untuk konveksi paksa digunakan bilangan Nusselt sebagai fungsi bilangan Reynolds dan Prandtl dari persamaan:

Nu = ( Re . Pr )

dimana mana : Nu : Bilangan nusselt. : Faktor koreksi. Re : Reynolds number. Pr : Prandtl number.

Dalam hubungannya dengan variable h (koefisien konveksi perpindahan panas )terhadap k

dapat ditulis dalam bentuk lain dari persamaan:

h . L = ( Re , Pr ) k Yang mana : h : Koefisien perpindahan panas ( W / m2 . oC ).

L : Panjang karesteristik k :konduktifitas Panas.

Koefisien perpindahan panas, dalam termodinamika dan mekanik digunakan dalam menghitung perpindahan panas , biasanya dengan konveksi atau perubahan fasa antara cairan dan padat:

Dimana: q = panas mengalir di masukan atau aliran panas yang hilang, J / s = W h = koefisien perpindahan panas, W / (m 2 K) Sebuah perpindahan panas = luas permukaan, m 2 T = perbedaan suhu antara permukaan padat dan sekitarnya cairan, K Dari persamaan di atas, koefisien perpindahan panas adalah proporsionalitas koefisien antara fluks panas yang merupakan aliran panas per satuan luas, q / A, dan kekuatan pendorong termodinamika untuk aliran panas (yaitu, perbedaan suhu, AT). Ada banyak metode untuk menghitung koefisien perpindahan panas dalam modus transfer panas yang berbeda, cairan yang berbeda, rejim aliran, dan di bawah yang berbeda termohidrolik kondisi. Sering dapat diperkirakan dengan membagi konduktivitas termal dari konveksi cairan dengan skala panjang. Koefisien perpindahan panas sering dihitung dari angka Nusselt ( nomor berdimensi ). Penurunan koefisien perpindahan panas konveksi Pemahaman lapisan batas konveksi diperlukan untuk memahami perpindahan panas konvektif antara permukaan dan fluida yang mengalir melewatinya. Lapisan batas termal berkembang jika suhu aliran cairan bebas dan suhu permukaan berbeda. Sebuah profil temperatur ada karena pertukaran energi yang dihasilkan dari perbedaan suhu Tingkat perpindahan panas kemudian dapat ditulis sebagai,

Dan karena perpindahan panas di permukaan adalah dengan konduksi,

Kedua istilah ini sama, dengan demikian

Menata ulang,

Sehingga berdimensi dengan mengalikan oleh L perwakilan panjang,

Sisi kanan sekarang rasio gradien temperatur di permukaan untuk gradien suhu acuan. Sementara sisi kiri adalah mirip dengan modulus.This Biot menjadi rasio tahan panas konduktif untuk yang tahan panas konvektif dari cairan, atau dikenal sebagai nomor Nusselt, Nu.

Korelasi perpindahan panas konveks Meskipun perpindahan panas konvektif dapat diturunkan secara analitis melalui analisis dimensi, analisis yang tepat dari lapisan batas, analisis terpisahkan perkiraan lapisan batas dan analogi antara energi dan transfer momentum, pendekatan ini analisis mungkin tidak menawarkan solusi praktis untuk semua masalah jika tidak ada matematika model yang berlaku. Dengan demikian, korelasi banyak dikembangkan oleh berbagai penulis untuk memperkirakan koefisien perpindahan panas konvektif dalam berbagai kasus termasuk konveksi alami, konveksi paksa untuk aliran internal dan konveksi paksa untuk aliran eksternal. Korelasi ini empiris disajikan untuk geometri tertentu dan kondisi aliran. Sebagai

sifat fluida bergantung pada temperatur, mereka dievaluasi pada suhu Film T f,yang merupakan rata-rata permukaan T s dan suhu massal sekitarnya, .

konveksi Alam aliran eksternal, Vertikal plane

Churchill dan Chu korelasi untuk konveksi alami berdekatan dengan pesawat vertikal. NUL berlaku untuk semua cairan untuk kedua laminar dan aliran turbulen. L adalah panjang karakteristik sehubungan dengan arah gravitasi.

Untuk aliran laminar dalam kisaran R L