PERCOBAAN SIRIP

I. TUJUAN

Mengetahui fenomena distribusi temperatur pada sirip silinder

horizontal

Mengetahui sejauh mana keakuratan perhitungan dengan metode analitik

dapat dicapai

Mengetahui keandalan sirip sebagai alat pembuang panas

II. TEORI DASAR

Pengujian yang akan dilakukan meliputi 3 kasus sirip yang mungkin

terjadi yaitu:

1. Sirip mempunyai panjang tertentu dan melepaskan kalor dari

ujungnya.

2. Sirip sangat panjang dan mempunyai suhu di ujung sirip sama dengan

suhu fluida sekitar.

3. Ujung sirip diisolasi sehingga dt/dx = 0 pada x = L

Dengan perhitungan sisitem konduksi – konveksi pada sirip akan diperoleh

persamaan – persamaan penting berikut :

Distribusi suhu tanpa dimensi

Kasus I

………….1

dimana:

Tx = Temperatur sirip pada jarak X dari dinding sirip

T = Temperatur udara sekitar

Ts = Temperatur dasar dinding

HL = Koefisien konveksi pada permukaan ujung

k = Koefisien konduksi bahan sirip

L = Panjang sirip

X = Jarak titik pengamatan ke dinding pendinginan

hL = Koefisien konveksi permukaan sirip

P = Keliling sirip

A = Luas penampang sirip

Kasus II

………………………………………………….2

Kasus III

………………………………………3

Laju aliran panas dari sirip:

Kasus I

…………….4

Kasus II

…………………………………………….5

Kasus III

…………………………………..6

Menentukan koefisien perpindahan panas konveksi (h)

1. Konveksi bebas

Temperatur film (Tf)

dimana :

T = Temperatur udara lingkungan

T = Temperatur rata – rata dinding sirip

Angka Grashof (Gr)

dimana :

g = Gaya gravitasi

= Koefisien muai volume = 1/Tf

d = Diameter sirip

v = Viskositas kinematika ( sifat fisik fluida )

Angka Nusselt (Nu)

dimana : Pr = Angka Prandtl (sifat fisik fluida )

Harga konstanta C dan m tergantung harga Gr dan Pr, dapat dilihat

pada buku teks perpindahan panas. Sifat dievaluasi pada temperatur

film.

Untuk aliran laminar Gr.Pr 109

Sifat dievaluasi pada temperatur film

Koefisien perpindahan panas konveksi (h)

H = Nu. K/d

Dengan k = konduktivitas termal fluida

2. Konveksi Paksa

Koefisien tahanan aliran (Cd)

Pn

dimana : Pn = Beda tekanan antara tekanan udara lingkungan dengan

tekanan udara static di leher nosel (dalam mm H2O)

Massa jenis Udara (o)

o = Po/(R.To) [kg/m3]

Dengan : R = 287 Nm/kg.K

Po= Tekanan udara lingkungan [N/m2]

To= Temperatur udara lingkungan [K]

Kecepatan aliran udara di nosel (Vn)

Vn = Cd [(2 Pn)/ o]1/2 [m/s]

Dengan Pn dalam N/m2

Kecepatan aliran udara di ruang uji (V)

[m/s]

dimana : An = luas penampang nosel = 0,1662. 10-2 m2

Aru = luas penampang ruang uji = 0,100264 m2

Bilangan Reynold (Re)

; ;

Bilangan Nusselt (Nu)

Persamaan Hilpert:

Dengan konstanta C dan n

Re C n

0,4 – 4 0,989 0,330

4 – 40 0,911 0,380

40 – 4000 0,683 0,466

40000 – 40.000 0193 0,618

Sifat dievaluasi pada temperatur film

Persamaan Eckert da Drake :

Untuk 1 Re 103

Sifat dievaluasi pada temperatur film

Persamaan Churchill dan Bernestein :

Untuk 102 Re 107 ; Pe 0,2

Sifat dievaluasi pada temperatur film

Persamaan Whitaker :

Untuk 40 Re 105 ; 0,25 / w 5,2

Semua sifat dievaluasi pada suhu bebas kecuali w pada suhu dinding

II. TAMBAHAN TEORI

A. KONDUKSI

Jika pada suatu benda terdapat gradien suhu (temperature gradient), maka

menurut pengalaman akan terjadi perpindahan energi dari bagian suhu tinggi ke

bagian suhu rendah. Kita katakan bahwa energi berpindah secara konduksi

( conduction) atau hantaran dan bahwa laju perpindahan kalor itu berbanding

dengan gradien suhu normal :

~

Jika dimasukkan konstanta proporsionalitas (proportionally constant) atau

tetapan kesebandingan, maka:

dimana q ialah laju perpindahan kalor dan gradien suhu ke arah

perpindahan kalor. Konstanta positif k disebut konduktivitas atau kehantaran

termal (thermal conductivity) benda itu, sedang tanda minus diselipkan agar

memenuhi hokum kedua termodinamika, yaitu bahwa kalor mengalir ke tempat

yang lebih rendah dalam skala suhu.

B. KONVEKSI

Guna menyatakan pengaruh menyeluruh konduksi, kita gunakan HK Newton

tentang pendinginan :

Pada perpindahan kalor secara konveksi kita perlu memperhitungkan kecepatan

fluida karena gradien suhu bergantung pada laju fluida yang membawa kalor

pergi;kecepatan yang tinggi akan menyebabkan gradien suhu yang besar pula,

dan demikian seterusnya. Jadi, gradien suhu pada dinding bergantung dari

medan aliran. Tapi perlu diingat bahwa mekanisme fisik pada dinding benda

yang dilewati oleh fluida itu berupa proses konduksi. Dari sini laju perpindahan

kalor dihubungkan dengan beda suhu menyeluruh antara dinding dan fluida,

luas permukaan A. Besaran h disebut koefisien perpindahan – kalor konveksi

(convection heat – transfer coefficient). Koefisien perpindahan kalor kadang –

kadang disebut konduktans film (film conductance) karena hubungannya dengan

proses konduksi pada lapisan diam fluida yang tipis pada muka dinding

B.1 KONVEKSI PAKSA

“Sistem dimana fluida didorong oleh permukaan perpindahan kalor, atau

melaluinya”.

Rumusanya untuk menyelesaikan masalah pada aliran yang melintas silinder

horizontal ada diberikan diatas bila zat yang mengalir adalah udara.

B.2 KONVEKSI BEBAS

“Konveksi karena fluida yang berubah densitasnya (kerapatannya ) karena

proses pemanasan bergerak naik.

Rumusannya untuk menyelesaikan masalah pada aliran yang melintas silinder

horizontal ada diberikan diatas bila zat yang mengalir adalah udara.

C. RADIASI

Berlainan dengan mekanisme konduksi dan konveksi, di mana perpindahan

energi terjadi melalui bahan antara, kalor juga dapat berpindah ke daerah –

daerah hampa. Mekanismenya disini adalah sinaran atau radiasi

elektromagnetik. Disini kita batasi pembahasan pada radiasi termal (thermal

radiation). Benda hitam (black body), memancarkan energi dengan laju yang

sebanding dengan pangkat empat suhu absolut benda itu. Jika dua benda saling

bertukar kalor dengan proses radiasi, maka kalor bersih yang bertukar

berbanding dengan beda T4. Jadi,

di mana ialah konstanta proporsionalitas dan disebut konstanta Stefan –

Boltzmann dengan nilai 5,669 x 10-8 W/m2.K4. Hukum Stefan – Boltzmann

tentang radiasi termal, dan berlaku hanya untuk benda hitam. Untuk

memperhitungkan sifat “abu – abu” permukaan demikian kita tampilkan suatu

factor lain ke dalam persamaan tersebut yang disebut emisivitas atau ke

pancaran (emissivity), yang menghubungkan sinar dari permukaan “abu –

abu”dengan permukaan yang hitam sempurna. Untuk memperhitungkan kedua

situasi itu kita masukkan dua factor lagi kedalam sehingga:

diamana , adalah fungsi emisivitas dan fungsi “factor pandangan” (view

factor) geometric.

III. INSTALASI PENGUJIAN

Pada pengujian ini digunakan perangkat sebagai berikut:

1. Spesimen uji

Bahan : Kuningan

Diameter : 6,25 mm

Panjang : 32 cm dan 33 cm

Jarak titik pengamatan:

Batang 1 (untuk kasus I dan II)

X = 0 7 14 21 28 31 32

Batang 2 (untuk kasus III)

X=0 4,5 9,5 14,5 16,5 14,5 9,5 4,5 X=0

2. Alat ukur temperatur

Untuk mengetahui temperatur sirip digunakan termokopel tipe T, kemudian

termokopel ini dihubungkan dengan termometer termokopel (Omega DP

460) dengan perantaraan terminal selector.

3. Perangkat pembangkit aliran udara

Komponen dari perangkat ini dapat dilihat pada gambar. Untuk menghitung

kecepatan aliran udara digunakan alat mikromanometer, yaitu untuk

mengetahui beda tekanan antara tekanan udara luar (lingkungan ) dengan

tekanan static aliran udara di leher nosel.

4. Heater

Untuk memanaskan dasar sirip, heater ini dihubungkan dengan perantara

dimmer ke sumber tegangan agar panas yang dihasilkan heater untuk

memanaskan sirip dapat diatur.

5. Pengukuran parameter udara lingkungan

Temperatur diukur dengan termometer alkohol sedangkan tekanan ruangan

diukur dengan barometer.

IV. PROSEDUR PERCOBAAN

1. Kondisi konveksi bebas

a) Hubungkan heater dan termometer – termokopel ke sumber

tegangan.

b) Atur besar masukan daya pada heater, hingga temperatur dasar sirip

mencapai temperatur stedi 1000 C (gunakan dimmer)

c) Catat semua temperatur pada sirip (gunakan selector untuk

memindahkan pengamatan titik uji)

d) Catat temperatur dan tekanan udara lingkungan.

V TUGAS DAN PERTANYAAN

1. Pembuktian persamaan 1, 2 dan 3.

Jwb:

Persamaan 1

Kondisi pada sirip :

1. Ujung tersentuh fluida

2. Temp pd pangkal sirip = Ts

T = Ts untuk x = 0

Ambil persamaan dari model matematika:

model matematik sirip batang dgn penampang konstan dimana

menjadi:

dengan batas x = L

Pers (k) dan pers (l) masukkan ke syarat beda yang pertama

masukkan syarat batas kedua pada solusi umum

Pers (m) dan (n) adalah dua persamaan dgn dua bilangan yang tidak diketahui,

yaitu C1 dan C2, masing masing dapat dicari:

Masukkan ke pers umum

atau

dengan mengingat cosh u = (eu + e-u)/2

sinh u = (eu – e-u)/2

dapat dinyatakan

dengan dibagi (: 2km) maka persamaan diatas telah menunjukkan persamaan

yang dibuktikan.

Persamaan II

Panjang sirip tak berhingga (L~)

Syarat batas

1. pada x = 0, T = Ts

2. pada x = , T = T

Masukkan syarat batas pertama pada pers (b)

Masukkan syarat batas kedua

Hal tsb hanya dapat dipenuhi bila C1 = 0 masukkan ke persamaan (c)

Ts - T = 0 + C2

Jadi C1 = 0 dan C2 = (Ts - T)

Sehingga persamaan (b) menjadi :

Persamaan III

Sirip mempunyai panjang yang terbatas dan ujung batang sirip diisolasi, untuk

kasus tsb syarat batas menjadi

1. Ujung terisolasi = 0

Batas x = L

2. Temperatur pada pangkal sirip = Ts

T = Ts pada x = o

Solusi umum didepan (pers b)

Masukkan syarat batas pertama

Solusi umum

masukkan syarat batas kedua

masukkan pers (d) ke pers (e), didapat

masukkan harga C1 terakhir ke pers (d) diperoleh

Bila harga C1 dan C2 dimasukan ke pers (b) diperoleh

Persamaan tersebut menyatakan ditribusi temperatur pada batang sirip bila

panjang sirip terbatas dan ujung batang sirip diisolasi

Dari kuliah matematika telah dijelaskan fungsi hiperbolik sbb:

sehingga dapat dirumuskan seperti dibawah ini :

2. analisa perbandingan antara harga temperatur yang didapat dari eksperimen

dengan hasil perhitungan analitik ada pada pengolahan data

3. asumsi yang dipakai :

4. pada pengolahan data

5. Pendapat kami tentang penggunaan sirip:

Sirip sangat unggul dalam pembuangan kalor apalagi dengan desain – desain

sirip yang beraneka ragam sesuai dengan pendistribusian kalor keluar system.

Sirip sangat cocok digunakan untuk mendampingi mesin – mesin yang bekerja

pada temperatur yang sangat tinggi.

6. Bahan yg baik untuk sirip adalah alumunium dengan k = 237 W/mk harganya

relatif murah dan termasuk baik konduktivitas termalnya. Perak lebih baik

namun harganya mahal(k silver = 429 W/mk). Baja tahan karat buruk sebagai

sirip sebab konduktivitasnya rendah (k = 15 W/m.k).

7. 8 peralatan yang menggunakan sirip sbg pembuang panas:

1) silinder head pad engine

2) Radiator

3) Oil Cooler

4) Processor

5) Brake pad pada toromol

6) Kondensor

7) Evavorator

8) Intercooler

TUGAS TAMBAHAN

1. Jelaskan prinsip perpindahan panas :

a) Perubahan fasa

b) Secara konduksi:

Terjadi karena adanya Temperatur Gradient (derajat temperatur)

yang berpindah dari temperatur yang tinggi ke yang rendah pada

suatu zat padat.

c) Secara konveksi :

Perpindahan kalor akibat adanya aliran fluida yang beraturan atau

tidak beraturan.

2. Turunkan persamaan

asumsi :

Laju perpindahan kalor yang menerobos penampang silinder pada

x=a

3. Turunkan persamaan

jawab:

karena pada percobaan diamati dua jenis benda dengan nilai k yang berbeda

yaitu k1dan k2 maka perumusan itu dapat dinyatakan:

4. Gambar percobaan sirip ada di hal INSTALASI PENGUJIAN

Prinsip kerja percobaan:

Heater memanaskan dasar sirip dengan perantara dimmer ke sumber tegangan

agar panas yang dihasilkan dapat diatur. Kecepatan aliran udara diukur dengan

alat mikromanometer. Sedangkan temperatur sirip digunakan termokopel tipe

T, dimana dihubungkan dengan termometer termokopel (Omega DP 460)

dengan perantaraan terminal selector. Sedangkan suhu pada lingkungan diukur

diukur dengan termometer alcohol sedangkan tekanan ruangan diukur dengan

barometer.

Tujuan Percobaan:

Mengetahui fenomena distribusi temperatur pada sirip silinder horizontal

Mengetahui sejauh mana keakuratan perhitungna dengna metode analitik

dapat dicapai

Mengetahui keandalan sirip sebagai alat pembuang panas.

5. Jelaskan dan gambarkan prinsip kerja dari termokopel:

Prinsip kerja termokopel:

Bila dua macam logam yang berlainan disatukan seperti pada gambar diatas,

akan timbul tegangan gerak elektrik (electromotive force) disingkat tge (emf)

antara dua titik A dan B yang terutama merupakan fungsi suhu persambungan

(junction temperature).

VII. Analisa:

1. T percobaan dan T perhitungan terdapat perbedaan dikarnakan kesalahan

pembacaan table atau kesalahan perhitungan

2. Perpidahan kalor pada konveksi bebas lebih lambat dibandingkan dengan

konveksi paksa

3. Terjadi kesalahan pembacaan pada saat praktikum

4. Terdapat kebocoran pada saluran ruang uji

5. Terdapat perbedaan hasil perhitungan dan percobaan disebabkan karena

pengolahan data

VIII. Kesimpulan.

1.Melakukan pengujian “sirip” maka kita dapat mengetahui fenomena distribusi

temperatur pada sirip silinder horizontal

2.Dari percobaan bias diketahui sampai dimana kekakuratan perhitungan dengan

metode analitik dapat dicapai

3.Dengan pengujian sirip dapat disimpulkan bahwa sirip dapat dijadikan sebagai

alat pembuang panas yang baik

4.Bahan yang digunakan pada sirip dapat mempengaruhi konduktivitas termal

5.Keakurasian persamaan tidak menjamin dengan keakuratan yang sebenarnya

6.Dimensi dan teemperatur dari sirip dapat mempengerahui kondiktivitas

XI . DAFTAR PUSTAKA

1. Incropera, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Third edition

X. TUGAS TAMBAHAN

1. dik : sirip dengan panjang 700 mm dan memiliki penampang melintang sbb:

Konduktifitas termal sirip 111 W/m C. angka konveksi 50 W/m C. temperatur dasar

sirip 120 C dan temperatur lingkungan 297 K.

Ditanya temperatur sirip pada jarak x = 50 cm

2. apa yang dimaksud dengan efektivitas sirip dan efisiensi sirp.

3. jelaskan prinsip kerja termo kopel

jawaban

2. efektivitas sirip adalah tingkat kemampuan sirip untuk meneruskan perpindahan

panas dari sistem ke lingkungan.

Efisiensi sirip adalah besarnya panas yang dapat di keluarkan oleh sirip dari

sistem ke lingkungan dibandingkan dengan panas/kalor total yang dihasilkan oleh

sistem

3. Bila dua macam logam yang berlainan disatukan, akan timbul tegangan gerak

elektrik (electromotive force) disingkat tge (emf) antara dua titik A dan B yang

terutama merupakan fungsi suhu persambungan (junction temperature).