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).
Top Related