ANALISA PERPINDAHAN KALOR PADA PENDINGIN RADIATOR DARI MOTOR BAKAR OTTO _____________________________________________________________________ Disusun Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Menempuh Program S-1 Fakultas Teknologi Industri Program Studi Teknik Mesin
Disusun Oleh : Nama : Nim
:
Asep Ubaidillah 0130311 - 012
Fakultas Teknologi Industri Program studi Teknik Mesin Universitas Mercu Buana Jakarta 2008
i
LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA
Menyetujui, Dosen Pembimbing
( Dr. Mardani Ali Sera )
Disahkan Oleh, Koordinator Tugas Akhir
( Nanang Ruhyat, ST, MT )
ii
SURAT KETERANGAN ORISINILITAS (KEASLIAN) TUGAS AKHIR
Saya yang bertanda tangan di bawah ini : Nama
: Asep Ubaidillah
Nim
: 0130311-012
Fakultas
: Fakultas Teknologi Industri / Program Studi Teknik Mesin
Judul Tugas Akhir
: “Analisa Perpindahan Kalor Pada Pendingin Radiator Dari Motor Bakar Otto”
Dengan ini menyatakan bahwa laporan tugas akhir ini saya buat sendiri (asli) tanpa menyontek dan atau menyalin hasil laporan tugas akhir orang lain, sehingga bila ditemukan persamaan laporan tugas akhir seperti yang saya buat ini, maka saya siap untuk membuktikan keasliannya dan siap untuk mempertanggung jawabkannya sesuai dengan peraturan yang berlaku. Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sejujur-jujurnya dan apabila dikemudian hari terbukti bahwa laporan tugas akhir ini tidak seperti yang saya paparkan di atas maka saya siap diberikan sangsi sesuai dengan peraturan yang berlaku. Jakarta, Mei 2008 Penyusun,
( Asep Ubaidillah )
iii
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas segala rahmat dan karunia-Nya, sehingga penyusunan tugas akhir ini dapat diselesaikan. Penyusunan tugas akhir ini kami beri judul “Analisa Perpindahan Kalor Pada Pendingin Radiator Dari Motor Bakar Otto “ Dan sebagai manusia biasa yang tidak dapat lepas dari segala kekurangan yang mungkin masih ada di dalam penyusunan tugas akhir ini, terlebih dahulu penulis meminta maaf yang sebesar-besarnya. Semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat yang khususnya bagi diri penulis pribadi dan secara umum semoga dapat berguna bagi semua khalayak umum yang membacanya. Dengan telah terselesaikannya masa pengerjaan dari tugas akhir ini, maka penulis ingin mengucapkan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Ir. Mardani Ali Sera, M.Eng, sebagai pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingan dan arahan dalam penyelesaian tugas sarjana ini. 2. Bapak Ruli Nutranta, M. Eng, sebagai ketua jurusan Teknik Mesin Universitas Mercu Buana. 3. Bapak Ir. Pramono, selaku staf guru teknik di SMK Muhammadiyah Kandang haur Indramayu yang telah membantu memberikan bimbingan dalam menyelesaikan penelitian untuk keperluan tugas akhir ini. 4. Kedua orang tua dan kakak adik tercinta, yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materil. 5. Seluruh Staf dan Dosen di Jurusan Teknik mesin
iv
6. Kak. Hamdan dan Kak. Fitri tercinta, terimakasih atas bantuan dan nasehatnasehat yang memberikan semangat baru untuk maju dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 7. Ridho, Chairul, Purnomo dan seluruh teman-teman mesin 2003 yang telah memberikan persahabatan yang baik serta memberikan kenangan-kenagan yang indah yang tidak terlupakan. 8. Dan saya ucapkan banyak terimakasih kepada saudara Ilham wahyudi yang selalu memberikan hiburan dan semangat dalam mengerjakan tugas akhir ini. Pada akhirnya, penulis berharap semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat dan dapat dikembangkan lebih lanjut sehingga menjadi khasanah dalam ilmu pengetahuan.
Jakarta , Mei 2008
Penulis
v
ABSTRAK
Fungsi utama dari radiator adalah menjaga agar panas yang dihasilkan oleh mesin tetap setabil. Melalui aliran fluida pada radiator dan aliran udara, maka panas yang dihasilkan oleh mesin tersebut dapat diredam pada suhu optimal. Di dalam tugas akhir ini dilakukan pengujian di lapangan dengan mengukur temperatur udara masuk dan temperatur udara keluar melalui kisi-kisi radiator dan juga mengukur temperatur air masuk dan keluar di dalam radiator Dari data hasil pengujian dengan putaran mesin 710 rpm, 1000 rpm, 1500 rpm, 2000 rpm, 2500 rpm,3000 rpm, 4000 rpm dan analisa perhitungan yang dilakukan dengan metode perpindahan kalor NTU – Efektivitas penukar kalor ( heat exchanger effectiveness ), maka di dapatkan suatu hasil :
Hasil Pengujian : 1 Temperatur air masuk (Tam)
: 75,5 °C
2 Temperatur air keluar(Tak)
: 50,75 °C
3 Temperatur air rata - rata (ΔT)
: 24,75 °C
4 Temperatur udara masuk (Tum)
: 28 °C
5 Temperatur udara keluar (Tuk)
: 35 °C
6 Temperatur udara rata - rata (ΔT)
: 7 °C
Hasil Analisa :
Kata Kunci
1 Cmin/Cmaks
: 0,5
2 NTU maks
: 1,3
3 Efektivitas (ε)
: 0,65
4 Perpindahan kalor total
: 5.187 Watt
: Fungsi utama dari radiator, Hasil pengujian dan hasil analisa. vi
DAFTAR ISI
Halaman Judul …………………………………………………............................
i
Lembar Pengesahan …………………………………………………….…….….. ii Lembar Orisinilitas ……………………………………………………….............. iii Kata pengantar …………………………………………………………….....…
iv
Abstrak ……………………………………………………………….................... vi Daftar Isi ………………………………………………………............................. vii Notasi-Notasi ………………………………………………….............................. x Daftar Gambar ........................................................................................................ xiii
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Masalah.....…………………….........…………….….……3 1.2. Metodologi Penulisan...…………………………..........……………...……4 1.3. Tujuan Penulisan…………………………………........……………………4 1.4. Batasan Masalah...............………………………….......……………..……4 1.5. Sistematika Penulisan…………………………...........…………………..…5
BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Teori Motor Bakar………………………………......………………...……7 2.2. Siklus Ideal Motor Bakar Otto...…………………......….………………..11 2.3. Siklus Ideal Motor Diesel…………………………......………………….12
vii
2.4. Prinsip-prinsip Perpindahan Panas.............................................................13 2.5. Perpindahan Panas Pada Radiator................................................................16 2.6. Teori Fluida..................................................................................................17 2.7. Radiator........................................................................................................21 2.7.1. Jenis Alat Perpindahan Panas............................................................21 2.7.2. Bagian-bagian Radiator.....................................................................24 2.7.3. Alat-alat Penunjang Radiator.............................................................25 2.7.4. Rumus Perpindahan Panas Pada Radiator.........................................29 2.8. Perhitungan Daya........................................................................................34 2.9. Perhitungan Penampang Radiator...............................................................35 2.10. Perhitungan Kalor Dengan Metode – NTU.............................................40
BAB III METODOLOGI PENGUJIAN 3.1. Langkah-langkah Pengujian……………..………......……………….…44 3.2. Jenis Motor Bakar Yang Digunakan
………......……….……...46
3.3. Alat-alat Pengukuran................................................................................47 3.4. Prosedur Pengoprasian Motor..................................................................49 3.5. Prosedur Menghentikan Motor.................................................................50
BAB IV ANALISA DAN PERHITUNGAN 4.1. Dimensi Radiator…………………….…………………….......…………51 4.2 Perhitungan daya………...........………………………………….....…….52 4.3 perhitungan Penampang Sirip……………......…………......……………56
viii
4.4. Luas Penampang Tabung……........………………………...…………...58 4.5. Data Percobaan…………………........……………………......………...60 4.6. Perhitungan Kalor…………………………………………......…………61
BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan..................................................................……...............……66 5.2 Saran...........................................................................................................67
DAFTAR PUSTAKA……………………………………………......……...………68 LAMPIRAN………………………………………………………............…………69
ix
DAFTAR NOTASI
A
: Luas permukaan benda
m²
a
: Lebar bidang miring
mm
b
: Panjang bidang miring
mm
C
: Kapasitas Panas
W/m2 0C
Cp
: Kalor spesifik pada tekanan konstan
kJ/kg 0C
D
: Tebal radiator
mm
F
: Gaya
N
Fp
: puncak sirip
mm
g
: Gravitasi
m/s
h
: Lebar Sarang Tawon
mm
H
: Kofisien Panas Konveksi
W/m2 0C
K
: Konduktivitas Termal
W/m 0C
Lm
: Luas bidang miring untuk satu gelombang
mm
Ls
: Luas area untuk satu baris sirip
m2
lt
: luas satu tabung
mm2
Ltt
: Luas tabung secara keseluruhan adalah
mm2
m
: Masa
kg
ma
: Massa air yang mengalir
kg/min
mu
:Massa udara yang mengalir
kg/min
n
: Banyaknya gelombang untuk 1 baris fin pitch
tidak ada
N
: Putaran
rpm
N
: Jumlah tabung
tidak ada x
P
: Daya
Watt
Pm
: Panjang bidang miring kisi radiator
mm
Pr
: Bilangan Pranlt
tidak ada
Ρb
: Berat Jenis Bahan Bakar
kg/m3
Q
: Kalor yang dirambatkan oleh air ke udara
Watt
Qa
: Jumlah kalor yang dilepaskan oleh air
Watt
Qu
: Jumlah kalor yang diterima oleh udara pendingin
Watt
Re
: Bilangan Reynolds
tidak ada
R
: Jarak/lengan
m
T
: Torsi
Nm
Tw
: Temperatur permukaan atau dinding benda padat
Tx
: Temperatur fluida yang digunakan
ta1
: Temperatur air masuk
ta1
: Temperatur air pendingin yang masuk
o
C
ta2
: Temperatur air keluar
o
C
tu2
: Temperatur udara masuk
o
C
U
: Koefisien perpindahan panas gabungan
W/m2 0C
u1
: Temperatur udara pendingin yang masuk
o
V
: Kecepatan aliran fluida
m2/s
Va
: Volume aliran air
m3/s
Vb
: Volume
m3
Vu
:Volume aliran udara pendingin
m3/min
W
: Panjang radiator
mm
α
: Difusivitas termal
m2/s
Bahan Bakar
o
C
o
C
o
C
C
xi
σ
: Tegangan Permukaan Benda
N/m2
µ
: Viskositas atau kekentalan
Ns/m2
ρ
: Kerapatan
kg/m3
ρa
: Massa jenis air pada temperatur air masuk
kg/m3
ρu
: Massa jenis udara
kg/m3
σ
: Tegangan permukaan
N/m2
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2-1 Sirkulasi Sistem Pendingin Motor Gambar 2-2 Perpindahan Panas Konveksi Gambar 2-3 Diagram alir prosedur pengujian Gambar 2-4 Gambaran secara umum keempat langkah torak Gambar 2-5 Diagram P-V dari Siklus Motor Otto. Gambar 2-6 Gambar alat penguji (motor bakar). Gambar 2-7 Gambar Radiator. Gambar 2-8 Radiator Secara Terpisah. Gambar 2-9 Bentuk Umum Pompa Air pada Kendaraan . Gambar 3-1 Dimensi Radiator. Gambar 2-10 Sebagian Penampang Sarang Tawon. Gambar 2-11 Grafik efektivitas .
xiii
BAB I PENDAHULUAN
Pendinginan memegang peranan penting dalam suatu proses kerja dari suatu motor bakar. Pemakaian radiator dianggap paling effisien dalam meredam panas yang dihasilkan. Karena penggunaan zat cair sangat cocok untuk iklim tropis. Secara umum pendinginan pada motor bakar dibagi menjadi dua bagian yaitu pendinginan dengan aliran udara dan aliran cairan1. Contoh dari aliran fluida adalah pendinginan dengan menggunakan radiator dan pelumasan bagian dalam dari motor bakar misalnya dari batang torak, torak dan crankshaft. 1
Arends B.P.M dan Berenscot H,Motor Bensin, Jakarta 1980
1
Radiator adalah suatu jenis alat penukar kalor yang memakai aliran fluida sebagai alat penukarnya2. Fungsi dari alat ini adalah untuk menyalurkan panas yang diserap oleh bahan pendingin, dari motor kembali kepada udara luas. Dengan demikian maka suhu bahan pendingin di radiator akan menurun sedangkan udara di sekitarnya akan meningkat suhunya. Penulis mencoba untuk menganalisa panas yang dapat diredam oleh radiator secara umum pada kendaraan yang menggunakan alat pendingin pada mesinnya berupa radiator. Tetapi ada juga jenis kendaraan yang menggunakan pendingin oli (oil-cooler) untuk meredam panas yang dihasilkan oleh mesin tersebut. Dalam proses kerja suatu motor bakar, panas yang dihasilkan perpengaruh terhadap effiensi mesin. Suhu optimal dari panas yang dihasilkan oleh suatu motor bakar pada kendaraan adalah 800C – 900C 3. Suhu ini sering disebut sebagai suhu kerja dari motor bakar tersebut. Fungsi dari radiator inilah yang menjaga agar panas yang dihasilkan oleh mesin ini tetap setabil. Melalaui aliran fluida pada radiator dan aliran udara, sehingga panas yang dihasilkan oleh mesin tersebut dapat diredam pada suhu optimal. Dari perhitungan akan dilakukan perbandingan antara besar kalor yang dihasilkan oleh mesin dan besar kalor yang dapat diredam oleh radiator. Sehingga akan dapat suatu hubungan antara effisiensi kerja mesin dan pendinginan radiator.
2
Arends B.P.M dan Berennscot H, Motor Bensin, Jakarta 1980
3
Daryanto Teknik Servis Mobil, Rireka Cipta, Jakarta 1992
2
1.1.
Latar Belakang Masalah Pada kehidupan sehari-hari alat transportasi menjadi sarana penting dalam
menunjang tujuan dari rencana kita. Zaman sekarang alat transportasi baik darat, laut dan udara mengalami kemajuan pesat. Pesawat udara, kapal laut dan bus angkutan menjadi alternatif pilihan yang banyak digunakan orang. Kalau kita lihat dari mayoritas alat angkut tersebut kebanyakan menggunakan mesin motor bakar sebagai penghasil dayanya. Penulis memilih jenis motor bakar yang digunakan pada kendaraan umum, mobil misalnya. Pada jenis kendaraan ini umumnya menggunakan alat pendingin berupa radiator untuk menjaga suhu mesin agar tetap optimal. Sering kita sebagai pengguna kendaraan ini menganggap remeh peran dari radiator. Salah satu yang menjadi latar belakang dari penulisan ini adalah pengalaman pribadi penulis. Ketika perjalanan keluar kota, tiba-tiba mesin tidak bertenaga dan terjadi bunyi menggelitik yang sering. Pada indicator suhu, menunjukan bahwa temperatur sudah melebihi dari batas yang diizinkan, kemudian mesin langsung dimatikan. Ketika diperiksa pada bagian mesin dan alat pendingin, ternyata air pada radiator sudah tidak ada. Kemudian kami mengisi air radiator hingga penuh dan suhu mesin turun. Pada saat meneruskan perjalanan, ternyata terdapat beberapa tempat yang mengeluarkan uap air yang mengakibatkan air menjadi menguap dan habis. Suhu mesin meningkat cepat dan tidak bertenaga. Dari peristiwa tersebut penulis mencoba menganalisa hubungan antara effisiensi mesin dan pendinginan radiator. Secara sederhana penulis ingin mengetahui besar kalor yang dihasilkan pada mesin dan besar kalor yang dapat diredam oleh
3
radiator. Pada motor bakar otto, terbakarnya campuran uap bensin dan udara mengakibatkan naiknya temperatur ruang bakar. Temperaturnya mencapai sekitar 2500 0C dan ini dapat merusak komponen di dalamnya.
1.2.
Metodologi Penulisan Penulisan tugas akhir ini terdiri dari lima bab yang membahas tentang sifat
dan fungsi radiator serta untuk mengetahui temperature radiator dengan efisiensi mesin. Teori pendukung, perhitungan dan analisa dari hasil pengujian, serta satu bab mengenai kesimpulan
dan saran-saran tanbahan lainya, yang dilakukan dengan
menggunakan studi literatur, melalui pengumpulan data dan berbagai referensi yang berhubungan dengan analisa
1.3.
Tujuan Penulisan. Tujuan dari penulisan ini adalah :
1. Mengetahui sifat dan fungsi radiator. 2. Mengetahui hubungan temperatur radiator dengan effisiensi mesin.
1.4.
Batasan Masalah. Analisa dilakukan dengan menggunaka motor bakar otto dan radiator sesuai
dengan volume dari motor tersebut. Kalor yang dihasilkan oleh motor bakar hanya diredam oleh radiator saja. Radiator menggunakan air sebagai zat fluidanya. Untuk
4
mencari korelasinya, penulis hanya menghitung besar kalor yang dihasilkan oleh motor bakar dan besar kalor yang dapat diredam oleh radiator. Penghitungan kalor dilakukan secara konduksi dan konveksi baik aliran udara maupun zat cair. Kalor secara radiasi diabaikan. Secara konduksi hitungan secara utamanya saja mengingat keterbatasan alat ukur. Analisa dilakukan dalam kondisi stationer. Percobaan pada motor bakar otto dilakukan pada putaran mesin 710 rpm, 1000 rpm, 1500 rpm dan 2000 rpm, 2500 rpm,3000 rpm dan 4000 rpm. Pengukuran panas dari mesin diukur setelah dihidupkan selama 15 menit, 30 menit dan 50 menit.
1.5.
Sistematika Penulisan Adapun sistematika penulisan adalah sebagai berikut :
BAB I
PENDAHULUAN Pada bab pendahuluan ini berisi tentang hal-hal yang menyangkut dengan topik yang kami bahas, seperti berisi : latar belakang penulisan, pembatasan masalah, tujuan penulisan, metodologi penulisan dan sistematika pembahasan.
BAB II
LANDASAN TEORI Pada bab ini akan diuraikan teori yang mendukung pendinginan pada radiator. Sesuai dengan tujuan penulisan maka teori mengenai kalor dan fluida adalah bagian utamanya. Untuk itu penulis membagi
5
landasan teori pada bab ini menjadi tiga bagian yaitu pada motor bakar, air (fluida) dan radiator.
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN Di dalam bab tiga ini kami menjelaskan tentang suatu metodologi penelitian yang akan kami jadikan sebagai acuan di dalam menganalisa sistem pendingin di dalam suatu mobil yaitu radiator, selain hal tersebut pada bab ini akan kami jabarkan tentang siklus kerja mesin spesifikasi mesin yang kami analisa beserta hal-hal lain yang merupakan yang digunakan dalam proses analisa kami.
BAB IV
PEMBAHASAN Di dalam bab empat yang berisi tentang pembahasan ini kami mengadakan pembahasan tentang analisa dari hasil percobaan telah kami lakukan, yaitu analisa mengenai suatu effisiensi dari radiator ditinjau dari suatu perpindahan kalor yang dihasilkan oleh mesin dengan menggunakan beberapa metode yang ada.
BAB V
KESIMPULAN Di dalam bab ini akan diberikan suatu kesimpulan dan suatu saran yang didapat dari proses analisa yang telah dilakukan, yaitu tentang hal-hal yang menyangkut dengan suatu unjuk kerja dari radiator yang berupa effisiensi.
6
BAB II LANDASAN TEORI
Pada bab ini akan diuraikan teori yang mendukung pendinginan pada radiator. Sesuai dengan tujuan penulisan maka teori mengenai kalor dan fluida adalah bagian utamanya. Untuk itu penulis membagi landasan teori pada bab ini menjadi tiga bagian yaitu pada motor bakar, air (fluida) dan radiator.
2.1. Teori Motor Bakar. 1.
Prinsip Kerja Motor Bakar. Definisi dari motor bakar adalah salah satu jenis dari mesin tenaga termis,
dimana tenaga termis yang dihasilkan, yang didapat dari hasil pembakaran didalam silinder, yang diubah menjadi tenaga mekanis di dalam ruang bakar, dengan jalan 7
menggerakkan torak dan dengan perantaraan batang penggerak maka poros mesin berputar. Sistem ini dikenal dengan sistem pembakaran dalam (internal combustion engine).
Pada umumnya motor bakar dibagi menjadi dua golongan yaitu : 1. Motor bakar Otto 2. Motor bakar diesel Dalam penulisan ini dibatasi hanya pada motor bakar otto, empat langkah (stroke). Maksud dari mesin empat langkah adalah motor bakar yang setiap proses pembakaran lengkapnya (completely combustion cycle) diperlukan empat langkah torak. Keempat langkah tersebut adalah : 1. Langkah hisap atau langkah pengisian. 2. Langkah tekan atau langkah kompresi. 3. Langkah kerja atau langkah ekpansi. 4. Langkah buang atau pengeluaran sisa-sisa pembakaran.
1. Langkah Pengisian Katup masuk terbuka dan torak bergerak dari batas atas dinamakan titik mati atas atau TMA menuju ke batas bawah dinamakan titik mati bawah atau TMB maka campuran udara dan bahan bakar mengalir masuk ke dalam silinder.
8
2. Langkah Kompresi Katup masuk tertutup dan torak bergerak menekan campuran udara dan bahan bakar yang menimbulkan tekanan. Sewaktu torak mendekati pada TMA, ditimbulkan percikan api listrik yang dihasilkan oleh busi. Percikan api listrik ini membakar campuran udara dan bahan bakar sehingga mulai timbul pembakaran.
3. Langkah Ekspansi Campuran udara dan bahan bakar yang terbakar berurutan menimbulkan tekanan yang lama kelamaan menjadi maksimum. Tekanan maksimum ini menekan torak ke bawah dan baik tekanan maupun suhu dari gas pembakaran mulai mengurang. Gaya gerak yang ditimbulkan oleh gerakan torak ini diteruskan kepada poros engkol melalui tangki torak dan engkol dan dengan demikian poros engkol dipaksa untuk berputar mengatasi tekanan yang ditimbulkan oleh torak.
4. Langkah Buang Katup buang terbuka dan gas sisa pembakaran ditekan keluar oleh torak yang bergerak keatas dan selanjutnya dimulai lagi langkah pemasukan untuk siklus berikutnya. Pada Gambar 2.1 diperlihatkan masing-masing dari langkah-langkah tersebut di atas.
9
a. Langkah isap
c. Langkah kerja
b. Langkah kompresi
d. Langkah buang
Gambar : 2.1 Gambaran secara umum keempat langkah torak.
Dengan demikian untuk setiap empat langkah dari torak atau dua putaran poros engkol hanya dilakukan satu langkah kerja. Berbeda dengan motor dua langkah, pada motor dua langkah keempat urutan prosesnya terjadi dalam setiap satu kali putaran poros engkol. Yaitu langkah isap, kompresi dan kerja-buang. Jadi motor dua langkah lebih banyak menghasilkan tenaga disbanding motor empat langkah. Karena motor dua langkah menghasilkan langkah kerja setiap putaran poros engkolnya, sedangkan motor empat langkah menghasilkan kerja pada saat poros engkol berputar untuk kedua kalinya.
10
2.2. Siklus Ideal (Siklus Udara Standar) Motor Bakar Otto. Pada dasarnya analisa termodinamika motor bakar torak sangat rumit, karena itu digunakan keadaan ideal yang membuat analisa menjadi lebih mudah. Penyederhanaan dengan asumsi ini diusahakan sedapat mungkin tidak menyimpang jauh dari keadaan sebenarnya. Dalam analisa-analisa siklus udara, khususnya pada motor pembakaran dalam ini akan dibahas siklus udara volume konstan. Siklus ini dapat digambarkan dalam diagram P-V seperti terlihat pada gambar berikut :
Gambar : 2.2. Diagram P-V dari Siklus Motor Otto
Proses siklus pada diagram P-V di atas adalah sebagai berikut : 0 – 1 :
Langkah hisap
1 – 2 :
Langkah kompresi yang berlangsung secara isentropis dimana tekanan temperatur meningkat secara tajam
11
2–3
:
Proses pembakaran pada volume konstan yang dianggap sebagai pemasukan kalor pada volume konstan (isovolume)
2 – 4 :
Langkah kerja terjadi secara isentripis
3 – 1
Proses pembuangan (qout) yang dianggap sebagai proses pengeluaran
:
kalor pada volume konstan (isovolume) 1 – 0 :
Langkah buang
siklus ini berlangsung dengan fluida kerja yang sama, dimana setelah gas hasil sisa pembakaran dibuang, maka akan masuk sejumlah fluida yang sama.
2.3 Siklus Ideal (Siklus Udara Standar) Motor Bakar Diesel. Diesel berhasil menciptakan jenis motor bakar Torak yang kemudian dikenal dengan mana motor diesel. Pada mulanya jenis motor bakar tersebut di rancang untuk memenuhi siklus diesel (ideal) yaitu : seperti siklus otto tetapi proses pemasukan kalornya dilakukan pada tekanan konstan siklus Diesel dapat digambarkan dalam diagram P Vs V seperti dilihat pada Gambar 2.4. untuk siklus ini dipergunakan pengidialan yang sama seperti siklus volume konstan, kecuali mengenai pemasukan kalor sebanyak qm pada siklus Diesel dilaksanakan pada tekan-konstan. Langkah kerja motor Diesel terdiri dari langkah hisap, langkah kompresi langkah ekspansi, dan langkah buang. Pada motor Diesel 4 langkah ini, setiap 4 kali gerakan piston menghasilkan 1 kali gerakan kerja atau tenaga yang berguna bagi motor.
12
P
qm
2
3
4 4k
0 A
1 B
Gambar 2.3 Diagram P Vs V dari siklus tekanan – konstan
Keterangan : 0–1
: Langkah hisap
1–2
: Langkah kompresi
2–3
: Proses pembakaran pada tekanan-konstan
3–4
: Langkah kerja
4–5
: Proses pembuangan
1–0
: Langkah buang
2.4 Prinsip-prinsip Perpindahan Panas Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari suatu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari beda suhu antara daerah-daerah tersebut. Ada tiga cara yang dikenal dalam proses perpindahan panas, yaitu : a. Perpindahan Panas secana Konduksi Konduksi adalah proses dimana panas mengalir dari benda yang bersuhu lebih tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah di dalam satu medium (padat, cair, atau gas) atau antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara
13
langsung. Dalam aliran panas konduksi perpindahan energy terjadi karena hubungan molekul secara langsung tanpa adanya perpindahan molekul yang cukup besar. Ilustrasi perpindahan panas secara konduksi dapat dilihat pada Gambar.
Tpanas
T (x) Tdingin Lk x
Gambar 2.4. Perpindahan panas secara konduksi
Rumus perpindahan panas secara konduksi adalah :
dan
Keterangan : Laju aliran panas dengan cara konduksi (W) : Luas Perpindahan panas secara konduksi (m) : Konduktivitas termal bahan (W/(mK)) : Tebal bahan (m)
14
: Temperatur dari bagian yang lebih tinggi suhunya (K) : Temperatur dari bagian yang lebih rendah suhunya (K) : Tahana termal untuk konduksi (K/W)
b.
Perpindahan Panas secara Konveksi
Konveksi adalah proses transport energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Konveksi sangat penting sebagai mekanisme perpindahan energy antara permukaan benda padat dan cairan atau gas. Rumusan perpindahan panas secara konveksi adalah :
= dan
Keterangan : : Laju aliran panas dengan cara konduksi (W) : Luas Perpindahan panas secara konduksi (m2) : Beda temperatur dari bagian permukaan dengan temperatur lokasi (K) : Konduktifitas thermal konveksi rata-rata (W/m2K) : Tahanan termal untuk konveksi (K/W)
15
c.
Perpindahan Panas secara Radiasi Perpindahan panas radiasi adalah proses dimana panas mengalir dari benda
yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah bila benda itu terpisah di dalam ruang, bahkan bila terdapat ruang hampa diantara benda-benda tersebut. Panas radiasi dipancarkan oleh suatu benda dalam bentuk kumpulan (batch) energi yang terbatas atau quanta. Rumus perpindahan panas secara radiasi
)
Keterangan : : Emisitasi : 5,67.10-8 (Watt/m2C4), besar
dinamakan konstanta Stefan Boltzman
: Luas Perpindahan panas secara radiasi (m2) : Suhu permukaan (K) : Laju aliran panas radiasi (W)
2.5 Perpindahan Panas Pada Radiator Panas yang dibuang oleh cairan pendingin dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
16
Keterangan : : Laju perpindahan panas oleh cairan dingin (W) : Massa cari cairan pendingin tiap detik (kg/s) : Kapasitas panas yang masuk (J/kg0C) : Temperatur cairan panas yang masuk (0C) : Temperatur cairan panas yang keluar (0C)
2.6 Teori Fluida. Penulis menggunakan air sebagai zat fluida adalah zat yang merubah bentuk secara kontinu (terus menerus) bila terkena tegangan geser, betapapun kecilnya tegangan geser tersebut. Sedangkan gaya geser adalah komponen gaya yang menyinggung permukaan rata-rata pada permukaan itu. Dan tegangan geser suatu titik adalah nilai batas perbandingan gaya geser terhadap luas, dengan berkurangnya luas hingga menjadi titik tersebut. Pada air ini terjadi perpindahan kalor secara konveksi. Konveksi yang digunakan disini adalah konveksi paksa, yaitu gerakan fluida akibat paksaan peralatan dari luar, dalam hal ini adalah pompa air. Jenis ini mempengaruhi mekanisme percampuran partikel fluida sehingga perpindahaan kalor secara konveksi ini lebih efektif. Jadi mekanisme konveksi secara garis besar adalah : 1. Panas mengalir secara konduksi dari permukaan padat ke partikel-partikel fluida yang berada didekatnya. 2. panas ini menaikkan temperature fluida dan energi didalamnya partikel-partikel yang bertemperatur tinngi ini memiliki mobilitas yang besar sehingga mampu 17
bergerak ke arah partikel-partikel yang memiliki temperatur lebih rendah, lalu bercampur dan pada saat pencampuran ini energi berpindah pula. 3. Dengan demikian timbul aliran fluida dan energi secara simultan. Energi sebenarnya disimpan pula dalam partikel-partikel fluida dan diangkut sebagai akibat dari gerakan massa partikel tersebut.
Sistem sirkulasi pendingin pada sebuah motor, dapat dilihat pada Gambar 2.1 berikut :
Gambar : 2.5. Sirkulasi Sistem Pendingin Motor. Keterangan : 1. Pressure cap 2. Tangki atas 3. Sirip pendingin
18
4. Pipa air 5. kipas angin 6. Pompa air 7. Radiator drain tap 8. Radiator return pipe 9. Tali kipas 10. Thermostat 11. Temperature gauge 12. Gallery atas 13. Piston casing 14. Saluran air 15. Pipa dihubungkan pada heater 16. Booster fan 17. Heater control 18. Saluran air dari heater 19. Blok drain tap
Dengan adanya pressure cap ini berarti air yang ada di dalam water jacket dari radiator tidak dapat berhubungan langsung dengan udara yang ada di atmosheer, dengan demikian maka air tidak akan mendidih sampai dengan suhunya mencapai 112 0C pada level permukaan laut. Titik didih air pada level permukaan laut sebesar 112 0C ini akan menurun sebesar 1,1 0
C, setiap mobil yang digunakan mendaki setinggi 305 m di atas permukaan laut.
Laju perpindahaan panas konveksi dapat ditulis sebagai berikut :
19
Qc
= hc x A x ( Tw – Tx )……………... (2..1 Mekanika Fluida, Streeter V.L, 1988 )
Keterangan : Qa = Jumlah kalor (J/jam). hc
= Koefisien perpindahan panas konveksi.
A
= Luas permukaan ( m2 )
Tw
= Temperatur permukaan atau dinding benda padat (oC)
Tx
= Temperatur fluida yang digunakan (oC) Pada radiator ini aliran yang digunakan adalah aliran dalam atau internal flow.
Dari jumlah aliran massa dan luas permukaan aliran maka akan didapat jenis aliran yang digunakan. Untuk jenis alat perpindahan panas radiator sebaiknya digunakan jenis aliran turbulen. Karena jenis aliran turbulen dapat meningkatkan koefisien panas yang terjadi. Pada gambar 2-2 akan digambarkan bagian dari contoh perpindahan panas konveksi tersebut.
Gambar : 2.6. Perpindahan Panas Konveksi
20
2.7. Radiator. 2.7.1. Jenis Alat Perpindahaan Panas. Pada bagian ini akan dijelaskan fungsi dari radiator dan bagian-bagian dari radiator. Tetapi sebelumnya akan diuraikan terlebih dahulu jenis alat perpindahan kalor. Menurut Ramesh K.Shan, jenis penukar kalor yang sampai sekarang dapat dibagi berdasarkan kepada :
1. Proses perpindahan panas. 2. Tingkat kekompakan permukaan. 3. Profil kontruksi permukaan. 4. Susunan aliran fluida. 5. Banyaknya fluida yang dipakai. 6. Mekanisme perpindahaan panas.
1. Klasifikasi berdasarkan perpindahaan panas dibagi menjadi dua yaitu : a. Tipe kontak langsung b. Tipe kontak tak langsung
2. Klasifikasi berdasarkan tingkat kekompakan permukaan yaitu bila kerapatan luas permukaan yang lebih besar dari 700 m2.
3. Klasifikasi berdasarkan konstruksi permukaan yaitu penukar kalor tabung atau pipa, plat permukaan yang diperluas dan penukar kalor regenerator.
21
a. Penukar kalor tipe tabung, misalnya : 1.
Penukar kalor sel dan tabung (shell and tube).
2.
Penukar kalor pipa ganda dan pipa spiral.
b. Penukar kalor tipe plat, misalnya : 1. Penukar kalor pelat gasket. 2. Penukar kalor pelat bentuk spiral. 3. Penukar kalor pipan tipis (lamela). c. Penukar kalor tipe permukaan yang diperluas : 1. Penukar kalor sirip pelat. 2. Penukar kalor tabung dengan sirip. d. Penukar kalor regenerator.
4. Klasifikasi berdasarkan susunan aliran fluida. a. Penukar kalor satu haluan. 1.
Penukar kalor aliran membalik (counter flow)
2.
Penukar kalor aliran sejajar (parallel flow).
3.
Penukar kalor aliran menyilang (cross flow).
b. Penukar kalor banyak haluan.
5. Klasifikasi berdasarkan banyaknya fluida yang dipakai ada dua jenis yaitu : a. Dua macam fluida, dan b. Tiga macam fluida.
22
6. Klasifikasi berdasarkan mekanisme perpindahan panas dibagi menjadi : a. Konveksi satu fasa. b. Konveksi dua fasa. c. Kombinasi perpindahan panas konveksi dan radiasi.
Berdasarkan klasifikasi diatas, penulis memilih radiator mobil dengan dengan sifat yang dimiliki adalah : 1. Tipe kontak tidak langsung. 2. Tipe penukar kalor dengan permukaan diperluas. 3. Aliran vertikal dan aliran fluidanya sejajar. Selain dari pada itu fungsi dari radiator adalah menjaga suhu dari kerja mesin agar tetap stabil. Jadi ada sejumlah panas yang diredam oleh radiator dan dibuang ke udara sekeliling dari hasil kerja mesin tersebut yang berupa kalor. Pada penulisan ini panas yang dihasilkan oleh mesin diredam dengan putaran kipas dan laju aliran fluida melalui pompa. Fungsi utama daripada radiator adalah melepaskan kalor, maka dalam pembuatannya dipilih bahan untuk radiator ini yang memiliki konduktivitas termal tinggi. Yaitu bahan yang mampu menghantarkan panas dengan baik. Dalam industri radiator di Indonesia kebanyakan menggunakan bahan tembaga dan kuningan dalam pembuatannya. Selain tembaga ada juga bahan yang digunakan misalnya aluminium. Bahan ini jarang digunakan karena biaya pembuatannya relatif lebih tinggi dan memiliki konduktivitas termal di bawah tembaga adalah :
23
Sifat – sifat yang dimiliki oleh tembaga adalah : 1. Ringan dan harganya murah 2. Mudah dibentuk dan tahan karat 3. Memiliki kondiktivitas termal (k) yang tinggi yaitu 380 W / m 0C pada suhu 85 0C. 4. Memiliki density yaitu 8.9 gr/cm3 5. Memiliki titik leleh 1083 0C.
2.7.2 Bagian – bagian Radiator. Radiator mempunyai bagian yang masing-masing mempunyai pungsi dimana bagian tersebut harus terjaga agar kemampuan dari radiator tersebut dalam menyerap panas dapat berfungsi dengan maksimal. Sesuai dengan standar Nasional Indonesia nomer SNI – 09 – 0397 – 1989 maka standar yang diizinkan untuk radiator kendaraan bermotor roda empat dapat dilihat pada gambar 3-4 dibawah ini, dimana dari gambar tersebut dapat kita ketahui dimensi dari sebuah radiator dengan nama dari bagian-bagiannya.
Gambar : 2.7. Radiator Secara Terpisah
24
Keterangan untuk gambar diatas adalah : 1.
Tangki masuk adalah tempat air dibagian atas masuk.
2.
Leher pengisi adalah saluran untuk memasukkan air dari luar ke dalam radiator.
3.
Pipa limpah adalah saluran air lebih.
4.
Kuping pemegang adalah bagian untuk mengikat radiator.
5.
Bingkai adalah pelat yang menyatuhkan sekat masuk dan sekat keluar, tempat sarang tawon terpasang.
6.
Sekat masuk adalah tempat tangki masuk saluran air sarang tawon terpasang.
7.
Sekat keluar adalah tempat tangki keluar saluran air sarang tawon terpasang.
8.
Pipa kuras adalah saluran penguras.
9.
Ring plat adalah untuk penahanan pada sumbat kuras.
10. Sumbat kuras adalah penutup pipa kuras. 11. Tangki keluar adalah tempat air dibagian dalam keluar. 12. Pipa keluar adalah saluran air keluar dari radiator dan masuk kedalam mantel air motor. 13. Tutup radiator adalah tutup leher pengisi serta pembatas tekanan dalam radiator. 14. Sarang tawon adalah bagian utama radiator tempat kalor dilepaskan. 15. Merek pembuatan adalah kode yang diberikan oleh produsen sesuai dengan spesifikasi mesin dan tahun pembuatan.
2.7.3 Alat – Alat Penunjang Radiator. Jenis alat penukar kalor radiator ini menggunakan zat fluida berupa air sebagai alat penukarnya. Dalam sistem pendinginan mesin ini didukung oleh beberapa
25
komponen penting. Misalnya pompa air, termostat, kipas dan tutup radiator. Untuk lebih jelasnya akan dibahas secara garis besar komponen-komponen tersebut.
1. Pompa Air (water pump). Fungsi utama dari pompa air ini adalah untuk memompa air menjadi suatu aliran dan menghasilkan kecepatan aliran tertentu. Laju aliran ini yang digunakan untuk melepas jumlah kalor dari kerja mesin yang dilepas ke udara. jenis pompa yang dipakai adalah jenis pompa sentrifugal. Karena pompa seperti ini menghasilkan tekanan ringan sehingga kerja mesin dapat lebih effisien. Bahan dari rumah pompa biasanya dibuat dari besi cor atau aluminium. Pompa air juga berfungsi untuk membatasi jumlah aliran kembali jika termostat dalam keadaan tertutup. Bagian dalam pompa terdapat kipas (impeller) yang berfungsi untuk menghisap air untuk dipompakan. Gambar 2.8 bagian dari pompa air yang dipakai kendaraan secara umum:
Gambar : 2.8. Bentuk Umum Pompa Air pada Kendaraan.
26
Keterangan : 1. Kipas angin 2. Puli kipas 3. Impeller 4. Poros pompa 5. Bantalan peluru 6. Sekat air 7. Saluran kembali dari radiator Kecepatan air dalam pompa berkisar antara 2,5 – 3 m/s. Sedangkan kecepatan air yang melalui silinder blok dan bagian depan pompa tidak lebih dari 1 m\s. dan besar dari tenaga yang diperlukan oleh pompa air pada suatu mesin adalah sekitar 0,5 – 1 % dari tenaga yang dihasilkan oleh mesin tersebut. Misalnya saja suatu mesin memiliki tenaga 80 tenaga kuda. Maka diperlukan pompa yang memiliki tenaga maksimum 0,8 tenaga kuda.
2. Termostat. Fungsi dari termostat adalah mengatur aliran fluida pada suhu tertentu. Jumlah suatu aliran fluida berbeda setiap suhu tertentu. Juka suhu kerja masih rendah maka diperlukan jumlah aliran yang sesuai dengan suhu tersebut. Jika suhu naik misalnya pada suhu 91 0C maka katup yang dibantu oleh termostat akan membuka. Akibatnya jumlah aliran fluida bertambah dan terjadi keseimbangan antara panas dari kerja mesin dan panas yang dapat dibuang ke udara. selain itu penggunaan termostat dapat meringankan beban mesin
27
3. Tutup Radiator Tutup radiator berfungsi untuk menutup tangki radiator dan mengeluarkan panas dari uap air yang berlebihan. Selain itu untuk menambah air jika dalam sirkulasi tersebut kekurangan cairan. Tekanan pada tutup radiator ini dirancang sampai mencapai pada suhu 120 0C. Pada tutup radiator terdapat dua katup. Yang pertama adalah katup tekan dan yang kedua adalah katup vakum. Katup tekan berfungsi untuk menyalurkan tekanan berlebih dari uap air yang dibawa oleh aliran fluida. Sedangkan katup vakum berfungsi untuk menyamakan tekanan ketika mesin dimatikan. Sebab sistem pendingin membuat sendiri kondisi vakum dalam lingkungannya. Katup ini akan membuka pada 0.6 – 0.9 kPa dibawah tekanan atmosfir.
4. Kipas. Kipas pada sistem pendingin mesin berfungsi untuk menyerap panas dari sarang tawon pada radiator dan mendinginkan permukaan mesin bagian luar. Kipas yang banyak digunakan adalah kipas aksial. Kipas ini ada yang digerakan oleh crankshaft karena menyatu dengan kompa air dan ada juga yang digerakan oleh motor elektrik. Jumlah daun kipas yang banyak digunakan adalah 4 – 7 daun. Sedangkan maksimum kecepatan dari kipas berkisar antara 70 – 100 m/s. dan diameter dari kipas yang digunakan berkisar antara 0.25 – 0.65 m.
28
5. Air Zat fluida yang digunakan pada radiator ini adalah air. Radiator adalah salah satu alat penukar kalor yang menggunakan air sebagai alat alat penukarnya. Beberapa sifat air yang menguntungkan untuk digunakan pada radiator pada suhu 80 0C – 90 0C : 1. Konduktivitas termal (k) = 0,7 W/m 0C 2. Kerapatan (ρ)
= 968,6 kg/m3
3. Viskositas (μ)
= 0,336 Ns/m2
4. Tegangan permukaan (σ) = 6,2 N/m2
Selain itu penggunaan air cocok untuk iklim tropis dan tidak berbau. Perbedaan temperatur yang tidak begitu besar antara suhu sekitar terhadap proses kerja mesin menjadi satu pilihan yang tepat untuk radiator sebagai alat penukar kalor pada mesin mobil.
2.7.4 Perpindahan Panas Radiator Sesuai dengan tujuan dari penulisan ini, maka akan dibahas secara garis besar tentang kemampuan melepas kalor dari radiator. Untuk jenis radiator yang digunakan oleh segala jenis kendaraan yang digunakan di wilayah Indonesia, sudah ada ketentuan yang berlaku. Dalam hal ini Dewan Standarisasi Nasional (DSN) sudah memberikan batasanbatasan mengenai kemampuan melepas kalor radiator yang dibuat di Indonesia. Batasan-batasan tersebut adalah :
29
1. Kalor rambat adalah kalor yang dirambatkan oleh benda satu ke benda yang lain dan dinyatakan dalam Joule per jam (J/h). 2. Kalor rambat air adalah jumlah kalor yang dilepaskan oleh air, dinyatakan dalam Joule per jam (J/h). 3. Kalor rambat udara adalah jumlah kalor yang diserap oleh aliran udara di sekitar, dinyatakan dalam Joule per jam (J/h). 4. Perbedaan temperatur pemasukan adalah perbedaan antara temperatur air masuk ke dalam radiator dan temperatur udara yang akan mengalir kesarang tawon radiator, dan dinyatakan dalam derajat Celcius (0C) 5. Aliran air adalah jumlah air yang mengalir ke dalam radiator, dinyatakan dalam meter per detik (m/s). 6. Kecepatan udara adalah udara yang mengalir dengan arah frontal kesarang tawon radiator yang diuji dan dinyatakan dalam meter per detik (m/s) Dari ketentuan-ketentuan di atas maka Dewan Standarisasi Nasional (DSN) menetapkan beberapa rumus yang dapat digunakan bagi para pembuat radiator. Antara lain yaitu :
1. Jumlah kalor yang dilepaskan oleh air :
Qa = ma x cpa x (ta1-ta2) ...............(2.2 Perpindahan Kalor, Holman J.P, 1988)
Dimana : Qa = Jumlah kalor yang dilepaskan oleh air (kW). ma = Massa air yang mengalir (kg/min).
30
cpa = Kapasitas panas masuk (kJ/kg 0C). ta1 = Temperatur air masuk ( 0C). ta2 = Temperatur air keluar ( 0C).
Sedangkan : ma = ρa x Va x 10-3 x 60 ................(2.3 Perpindahan Kalor, Holman J.P, 1988)
Dimana : ρa = Massa jenis air pada temperatur air masuk (kg/m3) Va = Volume aliran air (m3/s).
2. Jumlah kalor yang diterima oleh udara pendingin :
Qu = mu x cpu x (tu2 – tu1) …..…(2.4 Perpindahan Kalor, J.P. Holman, 1988)
Dimana : Qu = Jumlah kalor yang diterima oleh udara pendingin (kW). mu = Massa udara yang mengalir (kg/min). cpu = Kalor jenis udara (kJ/kg 0C). tu1 = Temperatur udara keluar ( 0C). tu2 = Temperatur udara masuk ( 0C).
sedangkan : mu = Vu x ρu
.............................(2.5 Perpindahan Kalor, J.P. Holman, 1988)
31
Dimana : Vu = Volume aliran udara pendingin (m2/s). ρu = Massa jenis udara (kg/m3).
3. Jumlah kalor yang dapat dirambatkan air pendingin ke udara adalah :
Q
30 0 C xQa ..........(2.6 Pengantar Perencanaan Penukar Kalor, Daryanto, 1990) t a1 t u1
Q
= Kalor yang dirambatkan oleh air ke udara (kW).
Qa
= Kalor yang dilepaskan oleh air pendingin (kW).
ta1
= Temperatur air pendingin yang masuk ( 0C).
tu1
= Temperatur udara pendingin yang masuk ( 0C).
300C = Adalah (ta2 – ta1). ta2
= Temperatur air pendingin yang keluar ( 0C).
Dalam perencanaan alat penukar panas jenis radiator, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan sebagai bahan rujukan, antara lain : 1. Untuk mengalirkan air pada ruang dan daya yang terbatas maka dapat dipilih konstruksi dengan menggunakan pipa gepeng (flattened tube). Karena dapat memperbesar luas aliran dan turbulensi yang terbentuk lebih kecil sehingga dapat memperkecil adanya kehilangan terkenan pada suatu aliran.
32
2. Jumlah kalor yang dapat dipindahkan setiap satuan volume metrics sebagai funtgsi dari daya untuk menghasilkan aliran tersebut. 3. Spesifikasi radiator dibagi dalam dua kelompok, yaitu :
Spesifikasi Performa atau Unjuk Kerja : a.Jumlah panas yang dapat dilepaskan oleh radiator pada kondisi kecepatan udara, kecepatan air (debit) dan beda temperatur (∆t) antara temperatur ruang bakar dan temperatur air pada saat masuk. Dinyatakan dalam besaran kcal/jam atau kw. b.Pressure Drop (air side). Besarnya tahanan udara antara sisi sebelum udara melalui radiator, dengan sisi setelah udara melewati radiator, dan dinyatakan dalam besaran mm Aq (mm H2O). c.Pressure Drop (water side). Besarnya tahanan air antara pipa inlet dengan pipa outlet dan dinyatakan dalam besaran mm Hg. d.Cap Opening Pressure. Tekan bukaan cap assy, dinyatakan dalam kg/cm2. e.Test Pressure. Besarnya tekanan udara yang diberikan oleh radiator saat dilakukan pulse test. Dan dinyatakan dalam besaran kg/cm2. f.Vibration Durability. Batasan minimum kekuatan radiator yang diizinkan pada vibration test.
Spesifikasi Konstruksi.
Spesifikasi ini berkaitannya dengan kondisi fisik radiator : a) Core size yaitu ukuran core radiator dalam lebar (W) x tinggi (H) x tebal (D).
33
b) Fin pitch yaitu jarak antara puncak sirip. c) Heat rejection area yaitu luas perpindahan panas pada tabung dan sirip pendingin, dinyatakan dalam m2. d) Frontal area yaitu luas permukaan tegak lurus dengan aliran udara dan dinyatakan dalam m2. e) Sectional area of water path yaitu luas penampang aliran air dalam m2. f) Dry weight yaitu berat kosong atau tampa air dari radiator. g) Water volume yaitu isi air atau fluida dari radiator, dalam liter. h) Surface treatment yaitu jenis proses akhir bagi permukaan radiator, biasanya adalah pengecatan seluruh bagian radiator dengan warna hitam.
2.8 Perhitungan Daya. Sebelum memasuki perhitungan tentang radiator, maka perlu diketahui besar daya yang ada. Perhitungan tentang daya yang bekerja sangat penting diketahui sebelum menghitung ataupun menganalisa suatu mesin, karena hal ini digunakan untuk mengetahui kekuatan dari besarnya suatu daya yang bekerja pada suatu mesin. Dimana besarnya daya dapat dihitung dengan menggunakan rumus untuk menghitung daya, yaitu :
P
2 NT ..................( R.S Khurmi dan J.K Gupta, Machine Design, 1980) 60
Dimana : P
: Daya ( Watt )
N
: Putaran ( rpm )
T
: Torsi ( Nm ) 34
Sebelum menghitung besarnya daya yang bekerja terlebih dahulu harus kita hitung besarnya gaya yang bekerja dan juga besarnya torsi yang bekerja, dimana besarnya gaya yang bekerja adalah, yaitu :
F mxg .........................( R.S Khurmi dan J.K Gupta, Machine Design, 1980)
dan besarnya torsi yang bekerja adalah : T Fxr ...........................( R.S Khurmi dan J.K Gupta, Machine Design, 1980)
Dimana : F
: Gaya ( N )
r
: Jarak/lengan ( m )
m
: Masa ( kg )
g
: Gravitasi ( m/s )
2.9 Perhitungan Penampang Radiator Untuk menghitung besarnya perpindahan panas yang terjadi maka haruslah diketahui besarnya penampang dari suatu radiator, hal ini dimaksudkan untuk mengetahui total luas area yang digunakan sebagai salah satu tempat pertukaran kalor yang terjadi. Ukuran radiator adalah panjang x lebar x tebal = W x H x D mm. Untuk jenis yang digunakan adalah (490 x 355 x 32) mm terlihat pada gambar tersebut :
35
Gambar : 2.9 Dimensi Radiator.. a. Luas Penampang Sirip Faktor lain yang mendukung adalah jarak antara puncak pada sirip yaitu fin pitch dan banyaknya tabung yang dialiri oleh air. Radiator jenis ini memiliki fin pitch
3,5. Maka banyaknya gelombang untuk 1 baris fin pitch ( n ) adalah :
n=
D ....................................(Daryanto, Pengantar Perencanaan Penukar Kalor,1990) fp
Dimana : D Fp
= Tebal radiator (mm) = Puncak sirip (mm)
Untuk menghitung jumlah kalor perlu mengetahui luas permukaan penukar kalor, yaitu : luas sirip dan luas tabung.
a
b Gambar 2.9 Sebagian Penampang Sarang Tawon 36
b. Panjang bidang miring kisi radiator ( Pm ) :
Pm
: a 2 b 2 ......(Daryanto, Pengantar Perencanaan Penukar Kalor,1990)
Dimana : a
= Lebar bidang miring dari Gambar 3.6 (mm)
b
= Panjang bidang miring dari Gambar 3.6 (mm)
c. Luas bidang miring untuk satu gelombang kisi radiator ( Lm )adalah :
Lm = ( D x Pm ).......(Daryanto, Pengantar Perencanaan Penukar Kalor,1990)
Dimana : D
= Tebal radiator (mm)
Pm
= Panjang bidang miring kisi radiator (mm)
d.Luas area untuk satu baris sirip ( Ls ) :
Ls= Lm x n
............(Daryanto, Pengantar Perencanaan Penukar Kalor,1990)
Dimana : Lm
= Luas bidang miring untuk satu gelombang (mm)
n
= Banyaknya gelombang untuk 1 baris fin pitch (mm)
37
e. Luas area sirip secara keseluruhan ( LST ) :
LST
= Ls x ns.......(Daryanto, Pengantar Perencanaan Penukar Kalor,1990)
Dimana : Ls
= Luas area untuk satu baris sirip ( m2 )
ns
=.Banyak baris sirip
B. Luas Penampang Tabung
Untuk jumlah tabung yang diperlukan didapat dari panjang sarang tawon 490 mm dan tinggi puncak satu gelombang.
a. Maka banyaknya tabung adalah :
2 x NTabung
W Pm ...(Daryanto, Pengantar Perencanaan Penukar Kalor,1990) Pm 2
Dimana : N
= Jumlah tabung.
W
= Panjang radiator (mm)
Pm
= Panjang bidang miring kisi radiator (mm)
38
b.Luas keseluruhan permukaan panas ( Lk ) Untuk menghitung luas permukaan panas yang bersinggunga maka perlu dihitung terlebih dahulu :
Dan luas satu tabung adalah ( lt ) Lt = 24 x H ................(Daryanto, Pengantar Perencanaan Penukar Kalor,1990)
Luas tabung secara keseluruhan adalah ( Ltt ) Ltt =lt x N Tabung......(Daryanto, Pengantar Perencanaan Penukar Kalor,1990) Luas ini adalah luas permukaan yang dilalui oleh zat cair.
Jadi luas keseluruhan permukaan panas adalah : Lk LST Ltt ........(Daryanto, Pengantar Perencanaan Penukar Kalor,1990)
Dimana :
lt
= luas satu tabung (mm2)
Ltt
= Luas tabung secara keseluruhan adalah (mm2)
A
= Luas area sirip secara keseluruhan (mm2)
c. Perbandingan antara luas bidang sirip dan luas permukaan perpindahan panas ( β ) adalah :
Ltt A
........................(Daryanto, Pengantar Perencanaan Penukar Kalor,1990)
Dimana : Ltt
= Luas tabung secara keseluruhan adalah (m2)
A
= Luas keseluruhan permukaan panas (m2 ) 39
2.10 Perhitungan Kalor Dengan Metode - NTU Di dalam menganalisa dan menghitung besarnya perpindahan kalor yang terjadi pada tugas akhir ini, kami melakukan perhitungan kalor dengan metode yang digunakan adalah metode sistem NTU. Sistem ini didefinisikan sebagai perbandingan antara perbandingan kalor nyata dengan perpindahan kalor maksimum yang mungkin.
ε – NTU adalah kependekan dari effectiveness number of transfer units, atau efektifitas jumlah satuan perpindahan panas.Atau dapat didefinisikan sebagai berikut :
Efektivitas = ε = perpindahan kalor nyata : perpindahan kalor maksimum .
2.10.1 Rumus-Rumus Perhitungan Dengan Metode NTU.
o
Perpindahan kalor dihitung dari neraca energi udara mula-mula, yaitu :
m h c h Th m c cc Tc
m c cc Tc ......................................( J.P Holman, Perpindahan kalor, 1988 ) mh c h Th
Dimana :
mc
= Massa fluida yang mengalir (kg/min).
k
= Konduktivitas termal (W/m0C)
Pr
= Tekanan udara
cp
= Kalor spesifik pada tekanan tetap(kJ/kg 0C)
ρ
= Densitas (kg/m3)
μ
= Viskositas (kg/m.s )
40
V
= Kecepatan aliran fluida (m2/s)
α
= Difusivitas termal (m2/s)
o Sehingga kapasitas untuk kondisi baru adalah :
mh c h
mc cc
o
...................................( J.P Holman, Perpindahan kalor, 1988 )
Sehingga fluida dingin sebagai fluida minimum, yaitu :
C min ....................................................( J.P Holman, Perpindahan kalor, 1988 ) Cmaks
o Untuk selanjutnya, selain Cmin/Cmaks juga harus dicari faktor lain yaitu luas total permukaan perpindahan panas atau A dan volume matriks atau V.
o Untuk selanjutnya kita cari bilangan N dan Cmin/Cmaks, yaitu :
NTU maks
Dimana
AxU ...............................( J.P Holman, Perpindahan kalor, 1988 ) C min
:
A
= Luas permukaan radiator (m2)
U
=Koefisien perpindahan panas gabungan (W/m2 0C)
41
o Karena telah didapatkan besarnya NTUmaks dan Cmin/Cmaks, maka akan
didapat harga efisiensi atau ε dengan melihat gambar di bawah ini.
Gambar 210. Grafik efektivitas
o Efektivitas, untuk penukar-kalor aliran-lawan-arah dengan fluida-fluida tak
campur. Dalam hal ini Cmin/Cmaks dan semua persamaan efektivitas penukar kalor mendekati persamaan sederhana.
42
Jadi besarnya kalor yang dapat dipindahkan diketahui dengan menggunakan rumus berikut :
Q = ε x Cmin x (Tum-Tam ) (Daryanto, Pengantar Perencanaan Penukar Kalor, 1990)
Dimana : Q
= Jumlah kalor yang dilepaskan oleh air (kW)
Cmin
= Temperatur air (kJ/kg 0C)
Tum
= Temperatur air masuk ( 0C)
Tam
= Temperatur air keluar ( 0C)
ε
= Efektivitas penukar kalor.
43
BAB III METODOLOGI PENGUJIAN 3.1 Langkah-Langkah Penelitian
Di dalam melakukan penelitian ini kami melaksanakannya berdasarkan langkah-langkah yang telah tersusun secara sistematis seperti dalam diagram alir di bawah ini Mulai 1. Menentukan Masalah 2. Mengumpulkan Informasi 3. Persiapan Pengujian
Alat yang akan diuji (Radiator)
Pengujian Radiator Keadaan Normal
Data Pengujian
1. Perhitungan 2. Pembahasan
Selesai Gambar : 2.10. Diagram alir prosedur pengujian Pengujian terhadap radiator untuk mengetahui hasil yang dinginkan memerlukan tiga tahap dalam pengujian yaitu :
44
1. Pengujian radiator keadaan dingin yang dilakukan setelah mesin dihidupkan selama 15 menit. 2. Pengujian radiator
keadaan normal yang dilakukan setelah mesin dihidupkan
selama 30 menit. 3. Pengujian radiator keadaan panas yang dilakukan setelah mesin dihidupkan selama 50 menit. Sebelum pengambilan data dilakukan studi pustaka untuk mendapatkan teori-teori yang mendukung selama pengujian. Kemudian dilakukan persiapan alatalat yang digunakan dalam pengujian. Setelah alat dipersiapkan maka pengambilan data dapat dilakukan. Pengambilan data dimulai dengan memeriksa semua komponenkomponen alat uji dalam keadaan baik seperti : Radiator, Air pendingin, Bahan bakar (Bensin), minyak pelumas. Kemudian memasang kabel accu untuk start dan memulai pengujian, pertama pengujian radiator keadaan dingin setelah mesin dihidupkan selama 15 menit, yang kedua pengujian radiator keadaan normal setelah mesin dihidupkan selama 30 menit dan yang ketiga pengujian radiator keadaan panas setelah mesin dihidupkan selama 50 menit. Setelah pengujian pengukuran panas dari mesin diukur pada putaran 710 rpm – 4000 rpm, putaran poros diukur menggunakan tachometer yang sudah terdapat pada panel. Hasil pembebanan dilihat pada neraca beban, lama aliran bahan bakar pada fuel gauge diukur menggunakan stapwatch. kemudian putaran dinaikkan untuk mendapatkan harga konsumsi bahan bakar spesifik dari harga – harga tersebut dianalisis dan dibuat kesimpulan hasil akhir dari pengujian.
45
3.2 Jenis Motor Bakar yang Digunakan.
Dalam tulisan ini, penulis memilih jenis motor bakar untuk kendaraan seharihari. Jenis yang dipilih adalah motor bakar otto empat langkah jenis 5 – K yang diproduksi oleh pabrik mobil Toyota. Untuk memperjelas jenis motor tersebut, dibawah dicantumkan beberapa spesifiikasi dari mesin : - Model
: Toyota Kijang
- Tipe
:5K
- Silinder
:
Jumlah
: 4 buah
Diameter
: 80.45 mm
Langkah
: 73 mm
Volume
: 1496 cc.
- Perbandingan kompresi
: 1: 8
- Tekanan kompresi
: 12,6 kg/cm2
- Daya maksimum
: 72 hp / 5500 rpm.
- Sistem pendingin. Berpendingin
air
dengan
menggunakan
radiator
berkapasitas
5,6
liter.
Menggunakan minyak pelumas dengan kapasitas 3,7 liter dan bertekanan 0.35 kg/cm2
46
3.3 Deskripsi Alat Uji
3.3.1 Motor Bakar Otto Empat Langkah Jenis 5 K Motor bakar yang digunakan dalam pengujian adalah Toyota Kijang Tipe 5 K dari jenis Empat (4) tak, 4 silinder, berpendingin air dengan menggunakan radiator berkapasitas 5,6 liter. System bahan bakar menggunakan bahan bakar bensin, motor bakar otto Toyota Kijang tipe 5 K tersebut dirakit sesuai dengan pedoman dari pabrik pembuatan (Toyota Astra Mobilco) kemudian dipasang pada bangku uji yang di lengkapi dengan instalasi uji dan piranti ukur pengujian dilakukan di : SMK MUHAMMADIYAH KANDANG HAUR INDRAMAYU. Waktu pengujian
:
Pembimbing pengujian
: Ir. Suhartono.
3.4 Alat-Alat Ukur Pengujian
3.4.1 Prinsip Kerja Disk Brake Rem Cakram (disk barake) merupakan komponen yang digunakan pada mekanisme pembebanan, dimana daya yang dihasilkan oleh motor yang teruskan oleh poros menuju ke disk brake. Pada saat Rem Cakram melakukan pengereman, maka akan mengurangi putaran motor. Dengan hambatan tersebut, maka akan terjadi pembebanan yang menghasilkan torsi. Torsi ini menghasilkan gaya jika jarak gaya dengan titik pusat diketahui. Besarnya gaya yang ditransmisikan melalui lengan disk brake dapat diukur dengan neraca beban. Sedangkan jarak gaya diperoleh dari pengukuran antara titik pusat poros dengan ujung lengan disk brake. Besarnya beban dapat dilihat pada
47
neraca beban. Semakin kencang pengeremannya maka semakin besar pula beban yang terbaca oleh neraca beban.
3.4.2 Kontruksi Disk Brake Disk brake adalah alat untuk mengukur pelepasan daya dari motor dengan cara mengerem untuk mendapatkan pembebanan. Dari hasil pembebanan tersebut maka akan didapatkan torsi dan daya terhadap putaran pada suatu mesin sehingga didapatkan pula konsumsi bahan bakar spesifik terhadap putaran. Peralatan ukur yang digunakan dalam melakukn pengujian antara ???? neraca beban, stopwatch, tachometer dan fuel gauge.
3.4.3 Poros Disk Brake Poros Disk brake merupakan salah satu bagian yang mentrasmisikan putaran dari motor ke Disk break yang dihubungkan dengan lengan melalui noda daya. Poros berfungsi untuk mengubah gerakan putar menjadi gerak lurus atu sebaliknya. Poros juga digunakan sebagai media untuk mengetahui sejauh mana unjuk kerja alat uji dikaitkan dengan sistem pengereman.
3.4.4 Lengan (arm) Lengan merupakan alat yang berguna untuk meneruskan beban pengereman. Lengan tersebut dihubungkan dengan alat ukur atau neraca beban dengan panjang lengan 300 mm.
48
3.4.5 Neraca Beban Neraca beban berfungsi untuk mengkur beban yang dihasilkan oleh disk brake. Neraca beban ini mempunyai skala berat dalam satuan kg. Skala berat antara 0 sampai 25 kg, dengan skala terkecil 100 gram. Untuk menentukan besarnya berat, alat tersebut dilengkapi dengan jarum penunjuk. Gerakan jarum dilakukan oleh pegas (spring). Bila neraca ini diberi beban, maka jarum penunjuk akan menunjukkan angka sesuai dengan berat beban tersebut.
3.4.6 Stopwatch Stopwatch adalah sebagai alat ukur waktu. Stopwatch mempunyai batas ukur terkecil sampai 0,1 detik. Pada stopwatch biasanya terdapat dua buah lingkaran skala yang masing-masing dilengkapi dengan jarum penunjuk, yaitu dalam skala detik terdapat lingkaran skala yang ukurannya lebih kecil dalam satuan menit. Untuk pengukuran waktu yang agak lama pembacaannya dimulai dari penunjuk jarum pada skala menit yang kemudian dijumlah dengan penunjukkan jarum pada skala detik.
3.4.7 Tachometer Tachometer yang digunakan untuk mengukur putaran poros penggerak. Tachometer yang digunakan adalah tachometer dengan jarak ukur 0-4000 rev/min, dimana sudah terdapat pada panel alat uji motor bakar otto.
3.4.8 Fuel Gauge Fuel gauge pada dasarnya terdiri dari tabung yang didalamnya dibatasi dengan sekat yang berurutan mempunyai volume masing-masing : 100 ml, 200 ml, 300 ml,
49
500 ml. dengan menggunakan stopwatch dapat diketahui waktu yang diperlukan untuk pemakaian sejumlah tertentu dari bahan bakar.
3.4.9 Thermometer Thermometer digunakan untuk mengukur suhu, baik suhu air radiator maupun suhu bahan bakar. Thermometer tersebut mempunyai derajad mulai dari 50-1000 C dan dilengkapi dengan themokopel yang terbuat dari kuningan untuk mensensorkan suhu panas.
3.5 Prosedur Pengoperasian Motor
3.5.1 Prosedur Melakukan Persiapan Bahan Bakar 1. Periksa bahan bakar dalam keadaan baik (tidak terkena cairan lain) 2. Lakukan pembersihan pada tempat bahan bakar sebelum diisi serta buanglah udara dari dalam saluran bahan bakar. 3. Lakukan pengisian bahan bakar pada tempat yang telah disediakan. 4. Biarkan beberapa saat agar bahan bakar mengisi fuel gauge.
3.5.2 Prosedur Menyalakan Motor Periksa seluruh bagian-bagian motor dalam keadaan baik dan lengkap 1. Periksa tangki bahan bakar, minyak pelumas dan air radiator, pastikan semua dalam kondisi sesuai untuk dilakukannya penyalaan motor. 2. Buka saluran bahan bakar minyak Diesel dari tangki bahan bakar ke saluran bahan bakar untuk menuju ke injector pump. 3. Atur posisi pemutar beban pada disk brake dalam keadaan beban kos
50
BAB IV PEMBAHASAN DAN PERHITUNGAN
Pada bab ini akan kami jelaskan mengenai proses perhitungan dari suatu radiator , seperti perhitungan tentang besar kalor yang dapat diredam oleh radiator, selain itu juga akan kami tampilkan mengenai hasil dari percobaan motor bakar dengan menggunakan radiator. Selain kita mengetahui besar kalor yang dihasilkan oleh suatu motor bakar, kemudian kita mencoba untuk mengetahui besar kalor yang dapat diredam oleh radiator. Untuk itu kita perlu mengetahui dimensi dari radiator.
4.1. Dimensi Radiator
Pada perhitungan kalor yang digunakan radiator ini bagian yang terpenting adalah luas dari pada core atau sarang tawon. Jenis dari sarang tawon yang digunakan adalah corrugated fin atau sirip bergelombang. Ukuran radiator adalah panjang x lebar x tebal = W x H x D mm. Untuk jenis yang digunakan adalah (490 x 355 x 32) mm terlihat pada gambar tersebut :
51
Gambar : 4.1. Dimensi Radiator.
4.2 Perhitungan Daya.
Sebelum memasuki perhitungan tentang radiator, maka perlu diketahui besar daya yang ada. Adapun rumus untuk menghitung daya adalah :
P
2 NT 60
Dimana : P
: Daya
( Watt )
N
: Putaran
( rpm )
T
: Torsi
( Nm )
52
F
: Gaya
(N)
r
: Jarak/lengan ( m )
m
: Masa
( kg )
g
: Gravitasi
( m/s )
Jika diketahui : m = 80 kg r
= 30 cm
maka besarnya gaya yang bekerja adalah :
F mxg
F 80 kg x 9,8 m/s F 78,4 N Setelah diketahui besarnya gaya yang bekerja (F) maka dapat dihitung besarnya torsi yang bekerja, yaitu : T Fxr
T 78,4 x0,3 T = 23,52 Nm Setelah diketahui torsi yang bekerja (T) maka besarnya daya untuk masing-masing putaran adalah : 1. Putaran 710 rpm.
P
2 NT 60
P
2 x 3 ,14 x 710 60
P = 1.747 Watt
53
2. Putaran 1000 rpm.
P
2 NT 60
P
2 x 3 ,14 x1000 60
P = 2.462 Watt 3. Putaran 1500 rpm.
P
2 NT 60
P
2 x 3 ,14 x1500 60
P = 3.693 Watt 4. Putaran 2000 rpm.
P
2 NT 60
P
2 x 3 ,14 x 2000 60
P = 4.924 Watt 5. Putaran 2500 rpm.
P
2 NT 60
P
2 x 3 ,14 x 2500 60
P = 6.155 Watt 6. Putaran 3000 rpm.
54
P
2 NT 60
P
2 x 3 ,14 x 3000 60
P = 7.386 Watt 7. Putaran 4000 rpm.
P
2 NT 60
P
2 x 3 ,14 x 4000 60
P = 9.846 Watt Sehingga setelah dihitung besarnya daya yang bekerja ditiap-tiap kecepatan putaran mesin yang bekerja , maka hasilnya dapat dengan jelas dilihat dari tabel dibawah ini :
Tabel 4.1 Perbandingan antara Daya dan Putaran mesin.
Daya vs Putaran 10000
9846
9000 8000
73 8 6 Daya (Watt)
7000
6 155
6000
4924
5000 4000
3693
3000
2462 2000
174 7
1000 0 0
710
1000
1500
2000
2500
3000
4000
Putaran (rpm)
55
N
F
T
P
(rpm)
(N)
(N.m)
(Watt)
710
78,4
23,52
1.747
1000
78,4
23,52
2.462
1500
78,4
23,52
3.693
2000
78,4
23,52
4.924
2500
78,4
23,52
6.155
3000
78,4
23,52
7.386
4000
78,4
23,52
9.846
4.2. Perhitungan Penampang Sirip
Perhitungan mengenai penampang sirip adalah sebagai berikut : 4.2.1. Luas Penampang Sirip Maka banyaknya gelombang untuk 1 baris fin pitch ( n ) adalah :
H 355 101,42 100 buah. fp 3,5
4.2.2.Panjang bidang miring kisi radiator ( Pm ) : Untuk menghitung jumlah kalor perlu mengetahui luas permukaan penukar kalor, yaitu luas sirip dan luas tabung seperti gambar di bawah ini :
a
b
56
Dimana :
a = 1,8 mm b = 10 mm
4.2.3. Panjang bidang miring kisi radiator ( Pm ) :
Pm :
a2 b2
1,8 2 10 2 10,16 ≈ 10 mm
4.2.4. Luas bidang miring untuk satu gelombang kisi radiator ( Lm ) adalah :
Lm
= ( D x Pm x 2 ) = ( 32 x 10 x 2 ) = 640 mm2.
4.2.5. Luas area untuk satu baris sirip ( Ls ) adalah :
Ls
= Lm x n = 640 x 100 = 64.000 mm2
4.2.6. Luas area sirip secara keseluruhan ( LST ) adalah :
57
LST
= Ls x n. sirip = 64.000 x 41 = 2.624.000 mm2 ≈ 2,6 m2
4.3 Luas Penampang Tabung Untuk jumlah tabung yang diperlukan didapat dari panjang sarang tawon 490 mm dan tinggi puncak satu gelombang ( tp )= 10 mm.
4.3.1
Maka banyaknya tabung adalah :
NTabung
W tp tp 2
NTabung
490 10 40 buah 10 2
karena memiliki dua buah baris tabung, maka jumlah tabung secara keseluruhan adalah : = 40 x 2 = 80 buah.
4.3.2 .Luas keseluruhan permukaan panas ( Lk )
Dan luas satu tabung adalah ( lt ) lt
=WxD = 490 x 32 = 15.680 mm2
58
Luas tabung secara keseluruhan adalah ( Ltt ) Ltt
=lt x N Tabung = 15.680 mm2 x 80 = 1.254.400 mm2 ≈ 1,25 m2
Jadi luas keseluruhan permukaan atau perpindahan panas adalah :
A LST Ltt = 2,6 m2 + 1,25 m2 = 3,85 m2
C. Perbandingan antara luas bidang sirip dan luas permukaan perpindahan panas ( β ) adalah :
=
Ltt A
1,25 = 0,32. 3,85
4.4 Data Hasil Percobaan Dari hasil percobaan pada, maka didapat besar temperatur air yang masuk dan air yang keluar dari radiator. Percobaan ini dilakukan pada tekanan 1 atm dan temperatur udara masuk radiator adalah suhu kamar yaitu 280 C dan temperatur udara keluar adalah 350 C
Tabel 4. 2 Data percobaan setelah mesin dihidupkan selama 30 menit
59
Item Analisa Kondisi Mula-mula
Perputaran
Suhu Air
Suhu Air
Mesin
Masuk Tam
Keluar Tak ( C)
( C)
710
75
50
25
2000 2500 3000 4000
Rata-rata
∆t 0
( C)
1500
Percobaan
0
(rpm)
1000
Hasil
0
(Tam – Tak)
76 75 75,5 75,5 76 75 75,5
58 50 50 48,5 48 50
50,75
18 25 25,5 27 28 25 24,75
4.5 Perhitungan kalor. Dalam perhitungan kalor sistem yang digunakan adalah sistem ε NTU. Sistem ini didefinisikan sebagai perbandingan antara perbandingan kalor nyata dengan perpindahan kalor maksimum yang mungkin.
ε – NTU adalah kependekan dari effectiveness number of transfer units. Atau efektifitas jumlah satuan perpindahan panas, dimana faktor yang diketahui adalah
60
udara masuk Tum = 28
0
C dan suhu air masuk adalah Tam = 75,5 0C, guna
mendapatkan hasil yang mendekati kebenaran maka digunakan beberapa asumsi.
1. Sifat-sifat udara pada tekanan atmosfer. ( Kondisi udara pada suhu 28 0 C ) cp
= 1,0057 kJ/kg 0C
Pr
= 0,708
k
= 0,02624 W/m 0C
ρ
= 1,1774 kg/m3
μ
= 1,8462 x 105 kg/m.s
V
= 15,69 x 106 m2/s
α
= 0,22160 x 104 m2/s
m
= 100,2 kg/min
2. Sifat-sifat air ( Kondisi air pada suhu 75,5 0 C ) ρ
= 973,7 kg/m3
Pr
= 2,33
k
= 0,688 W/m 0C
cp
= 4,191 J/kg0C
μ
= 3,72 kg/m.s
o Perpindahan kalor dihitung dari neraca energi udara mula-mula, yaitu :
61
m h c h Th m c cc Tc
m c cc Tc mh c h Th
(100,2)(1,0057 )(35 28) (4,191)(75.5 50,75)
705,5 603,8kg / min 101,7
mh
mh
o Sehingga kapasitas untuk kondisi baru adalah :
603,8 (4,191) 421,8 W/0C 60
100,2 (1,0057) 168 W/0C 60
mh ch mc cc
o Sehingga udara (fluida dingin) sebagai fluida minimum, sehingga :
C min 168 Cmaks 421,8
C min 0,39 ≈ 0,5 Cmaks
o Untuk selanjutnya, selain Cmin/Cmaks juga harus dicari faktor lain yaitu luas total permukaan perpindahan panas atau A dan volume matriks atau V dimana : Besarnya : 62
V
=WxHxD = 0,490 x 0,355 x 0,032 = 5,56 m3
A
= 3,85 m2
U
= 55 W/m2
0
C
Cmin = 168 W/0C
o Untuk selanjutnya kita cari bilangan N dan Cmin/Cmak, yaitu :
NTU maks
AxU C min
(3,85)(55) 168
NTU maks 1,3
Karena telah didapatkan besarnya NTUmaks dan Cmin/Cmaks, maka akan didapat harga efisiensi atau ε dengan melihat tabel di bawah ini maka besarnya adalah :
ε = 0,65
63
Efektivitas, untuk penukar-kalor aliran-lawan-arah dengan fluida-fluida tak campur. Dalam hal ini Cmin/Cmaks dan semua persamaan efektivitas penukar kalor mendekati persamaan sederhana. Jadi besarnya kalor total yang dapat dipindahkan dari radiator adalah :
Q = ε x Cmin x (Tam – Tum) Q = 0,65 x 168 x (75,5 – 28) Q = 5.187 Watt.
64
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
1. Di dalam analisa perhitungan di dapat bahwa semakin besar putaran mesin semakin besar pula daya yang dihasilkan oleh mesin. 2. Setelah dihitung besarnya daya yang berkerja ditiap-tiap kecepatan putaran mesin yang berkerja maka didapat hasil perhitungan daya dengan besarnya kalor total yang dapat dipindahkan dari radiator mendekati persamaan .
65
3. Dari data-data tersebut diatas maka fungsi dari radiator adalah sebagai peredam kalor dan menjaga keadaan motor bakar pada suhu kerja ini dapat dicapai, oleh karena itu pendingin pada motor bakar memegang peranan penting dalam proses kerja pada motor bakar. 4. Penggunaan air pada radiator adalah alternatif paling tepat pada sistem pendingin suatu motor bakar karena negara kita beriklim tropis dan mudah mendapatkan air maka radiator menjadi pilihan utama para produsen mobil untuk digunakan pada motor bakar.
5.2 Saran
Saran dari penulis adalah tetap memperhatikan keadaan dari sistem pendingin pada kendaraan yang digunakan, karena kebanyakan orang kurang memperhatikan hal ini, panas yang dihasilkan oleh suatu motor bakar secara berlebih akan berakibat fatal pada komponen di dalam mesin tersebut. Pemeriksaan secara rutin dan penanggulangan secara dini merupakan cara yang tepat untuk menjaga sistem pendingin suatu motor bakar, misalnya dengan mengganti air pada radiator setiap sebulan sekali dan selalu mengontrol raditor setiap kali mesin akan digunakan. Sistem pendingin suatu radiator berkaitan erat dengan sistem yang lain termasuk menjadikan mesin menjadi lebih effisien dan tahan lama. Saran untuk pengujian lebih lanjut adalah perlu dilakukan pengujian pada berbagai kondisi beban dan juga pada kondisi operasi lain yang dapat mempengaruhi laju pelepasan kalor dan untuk pengembangan lebih lanjut dapat dilakukan penelitian mengenai pengaruh pendinginan motor bakar terhadap komponen motor bakar.
66
DAFTAR PUSTAKA
1. Arends B.P.M dan Berenscot H, Motor Bensin, Erlangga, Jakarta, 1980. 2. Daryanto, Teknik Servis Mobil, Rireka Cipta, Jakarta, 1992. 3. Daryanto P.S, Pengantar Perencanaan Penukar Kalor Laboratorium Teknologi Pendingin, Jurusan Mesin Insititut Teknologi Bandung, 1990. 4. Holman J.P, Perpindahan Kalor , Erlangga, Jakarta, 1988. 5. Khurmi R.S dan Gupta J.K, Machine Design, Eurasia Publisher House Ltd, Ram Nagar, New Delhi,1980. 67
6. SAE HS-40 Principles of Engine Cooling System Component and Maintenace, Society of Otomotive Enginers inc Pennyvani, 1991. 7. Streeter V.L dan Wylie B, Mekanika Fluida , Erlangga, Jakarta, 1988.
68
