BAB II LANDASAN TEORI

Tugas Akhir Teknik Mesin

BAB II LANDASAN TEORI

2.1 Perpindahan Panas Perpindahan panas adalah proses perpindahan energi dari suatu tempat ke tempat yang lain karena adanya perbedaan temperatur di tempat-tempat tersebut [2]. Perpindahan panas dapat berlangsung dengan beberapa cara seperti : 1.

Perpindahan Panas Konduksi Merupakan proses perpindahan panas dari daerah yang bersuhu tinggi

ke daerah yang bersuhu rendah di dalam medium (padat, cair, dan gas) atau antara medium yang bersinggungan langsung [8]. Jika terdapat suatu gradien suhu, maka disimpulkan akan terjadi perpindahan panas dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah.

Gambar 2.1 Perpindahan Kalor Secara Konduksi [10]

Universitas Mercu Buana http://digilib.mercubuana.ac.id/

6

Tugas Akhir Teknik Mesin Dapat dikatakan bahwa energi akan berpindah secara konduksi atau hantaran, laju perpindahan kalor dinyatakan sebagai :

= − . .  ⁄ ............................................................... [2] Dimana :

= laju perpindahan kalor (J/sec)  ⁄ = gradien suhu kearah perpindahan kalor (oC) = konduktivitas thermal bahan (m2/oC) = luas bidang perpindahan kalor (m2)

2.

Perpindahan Panas Konveksi Merupakan proses perpindahan panas diikuti dengan perpindahan

paritikel-partikel zat melalui media penghantar berupa fluida (cair / gas) [9]. Proses ini terjadi pada permukaan padat, cair dan gas. Aliran

Arus bebas U∞ T∞ U

q Tw

Dinding Gambar 2.2 Perpindahan Kalor Konveksi Dari Suatu Plat [3]

Pada gambar 2.2 diatas Tw adalah suhu plat dan T∞ adalah suhu fluida. Apabila kecepatan di atas plat adalah nol, maka kalor hanya dapat perpindah dengan cara konduksi. Akan tetapi apabila fluida diatas plat bergerak dengan kecepatan tertentu, maka kalor perpindah dengan cara konveksi, yang dimana


7

Tugas Akhir Teknik Mesin gradien suhu bergantung dari laju fluida membawa kalor. Sedangkan laju perpindahan kalor dipengaruhi oleh luas permukaan perpindahan kalor (A) dan beda suhu menyeluruh antara permukan bidang dengan fluida yang dapat dirumuskan sebagai berikut :

= ℎ. . (

−

∞ ) .....................................................

[2]

Dimana h merupakan koefisian perpindahan panas konveksi. Untuk keadaan yang sederhana, koefisien perpindahan panas konveksi (h) dapat diperhitungkan secara analisis, sedangkan untuk keadan yang rumit, harus diperhitungkan dengan cara eksperimen atau percobaan. Perpindahan panas konveksi tergantung pada vikositas fluida, disamping ketergantunganya terhadap sifat – sifat termal fluida, seperti: konduktivitas termal, kalor spesifik, dan densitas. Hal ini disebabkan karena viskositas mempengaruhi laju perpindahan energi di daerah dinding. Ada dua jenis perpandahan panas konveksi, yaitu : a. Perpindahan panas konveksi alami Fenomena ini tejadi karena fluida yang terjadi karena pemanasan, berubah densitasnya, sehingga fluidanya bergerak.

Gambar 2.3 Perpindahan Panas Konveksi Alamiah [12]


8

Tugas Akhir Teknik Mesin b. Perpindahan panas konveksi paksa Fenomena ini terjadi apabila sistim dimana fluida didorong oleh permukaan perpindahan kalor, atau melaluinya, fluida bergerak adanya faktor pemaksa. Sebagai gambaran adalah fenomena perpindahan panas aliran atau di dalam pipa yang dinyatakan sebagai :

=

.

.

= ℎ. 2 . (

−

)

.................................... [2] q

m.Cp Aliran 1

dx

Tb1

2 Tb2

L Gambar 2.4 Perpindahan Kalor Menyeluruh Dinyatakan Dengan Beda Suhu Limbak [2]

3.

Perpindahan Panas Radiasi Merupakan proses perpindahan panas dari benda bersuhu tinggi ke

benda bersuhu rendah bila benda – benda itu terpisah di dalam suatu ruangan bahkan bila terdapat suatu ruang hampa diantara benda – benda tersebut. Untuk radiasi diantara dua benda dapat dirumuskan :


9

Tugas Akhir Teknik Mesin =

.

. . (

−

) .......................................... [2]

Dimana : Fx = fungsi emisivitas Fg = fungsi geometeri A = luas permukaan bidang (m2) σ = konstanta Stefan Boltzman (5,669 x 10-8 W / m2 K4)

4.

Perpindahan Panas Gabungan Dinding datar seperti pada gambar 2.5 dimana pada suatu sisinya terda

pat luida panas A, dan pada sisi alinnya terdapat fluida B yang lebih dingin. Perpindahan kalor dinyatakan oleh :

=ℎ . (

−

) = . ⁄∆ (

=ℎ . (

−

) .......................................................... [2]

−

)

Proses perpindahan kalor dapat di gambarkan dengan jaringan tahanan seperti pada gambar 2.5. Perpindahan kalor gabungan dihitung dengan jalan membagi beda suhu menyeluruh dengan jumlah tahanan thermal :

= .

∆

.................................................... [2] .

.


10


TA Fluida A q

Fluida B T1

T2

h1

h2

TB Gambar 2.5 Perpindahan kalor gabungan melalui dinding datar [2]

Nilai 1/h. A digunakan untuk menunjukan tahanan konveksi. Aliran kalor menyeluruh sebagai hasil gabungan proses konduksi dan konveksi bisa dinyatakan dengan koevisien perpindahan kalor menyeluruh U, yang dirumuskan dengan hubungan :

= . . ∆ (menyeluruh) .............................................. [2]

Dimana A adalah luas bidang aliran kalor, koofisien perpindahan kalor menyeluruh adalah :

=

........................................................... [2]

∆

Sedangkan pada penukar kalor aliran silang, fluida yang mengalami pertukaran panas berjalan secara menyilang satu sama lain. Dalam penerapannya penukar kalor air silang, banyak dipakai untuk pemanasan dan pendinginan udara, gas atau air. Sebagai contoh adalah radiator yang


11

Tugas Akhir Teknik Mesin konstruksinya menggunakan saluran diantara sirip–sirip. Dengan luas permukaan yang sangat besar persatuan volume yang diwujudkan dalam bentuk konstruksi pipa dan sirip, maka akan memungkinkan terjadinya kontak langsung dengan udara secara lebih luas.

Gambar 2.6 Contoh – contoh Konvigurasi Penukar Kalor Kompak [2]

Keterangan : a. Penukar kalor tabung bersirip dengan tabung – tabung rata. b. Penukar kalor bersirip bundar dalam satuan konfigurasi. c dan d.

Menggambarkan cara

lain untuk

mendapatkan

luas

permukaan yang sangat besar pada kedua sisi penukar kalor.

2.2 Alat Penukar Kalor Alat penukar panas atau Heat Exchanger adalah alat yang digunakan untuk memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium pemanas dipakai adalah air yang dipanaskan sebagai Universitas Mercu Buana http://digilib.mercubuana.ac.id/

12

Tugas Akhir Teknik Mesin fluida panas dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water). Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung (direct contact). Salah satu contoh sederhana dari alat penukar panas adalah radiator mobil dimana cairan pendingin memindahkan panas mesin ke udara sekitar. Tipe aliran di dalam alat penukar panas ini ada 4 macam aliran, yaitu : 1. Counter current flow (aliran berlawanan arah) 2. Paralel flow/co current flow (aliran searah) 3. Cross flow (aliran silang) 4. Cross counter flow (aliran silang berlawanan)

Dalam perkembangannya, heat exchanger mengalami transformasi bentuk yang bertujuan meningkatkan efisiensi sesuai dengan fungsi kerjanya. Bentuk heat exchanger yang sering digunakan adalah shell and tube. Dengan berbagai pertimbangan, bentuk ini dinilai memiliki banyak keuntungan baik dari segi pabrikasi, biaya, hingga unjuk kerja [15].

Jenis – jenis penukar panas antara lain : 1.

Penukar panas pipa rangkap (double pipe heat exchanger) Salah satu jenis penukar panas adalah susunan pipa ganda. Dalam

jenis penukar panas dapat digunakan berlawanan arah aliran atau searah


13

Tugas Akhir Teknik Mesin aliran, baik dengan cairan panas atau dingin cairan yang terkandung dalam ruang annular dan cairan lainnya dalam pipa. Alat penukar panas pipa rangkap terdiri dari dua pipa logam standart yang di kedua ujungnya dilas menjadi satu atau dihubungkan dengan kotak penyekat [14]. Panjang pipa lurus dibatasi dengan maksimum sekitar 20 ft [13]. Fluida yang satu mengalir di dalam pipa, sedangkan fluida kedua mengalir di dalam ruang anulus antara pipa luar dengan pipa dalam. Alat penukar panas jenis ini dapat digunakan pada laju alir fluida yang kecil dan tekanan operasi yang tinggi [14].

Gambar 2.7 Penukar Panas Pipa Rangkap [13]

2.

Penukar panas cangkang dan buluh ( shell and tube heat exchanger ) Alat penukar panas cangkang dan buluh terdiri atas suatu bundel pipa

yang dihubungkan secara parallel dan ditempatkan dalam sebuah pipa mantel (cangkang ). Fluida yang satu mengalir di dalam bundel pipa, sedangkan


14

Tugas Akhir Teknik Mesin fluida yang lain mengalir di luar pipa pada arah yang sama, berlawanan, atau bersilangan.

Gambar 2.8 Penukar Panas Cangkang dan Buluh [13]

3.

Penukar Panas Plate and Frame ( plate and frame heat exchanger ) Alat penukar panas pelat dan bingkai terdiri dari pelat-pelat tegak

lurus, bergelombang, atau profil lain. Pemisah antara pelat tegak lurus dipasang penyekat lunak (biasanya terbuat dari karet). Pelat-pelat dan sekat disatukan oleh suatu perangkat penekan yang pada setiap sudut pelat (kebanyakan segi empat) terdapat lubang pengalir fluida. Melalui dua dari lubang ini, fluida dialirkan masuk dan keluar pada sisi yang lain, sedangkan fluida yang lain mengalir melalui lubang dan ruang pada sisi sebelahnya karena ada sekat [14]. Kelebihan plate and frame heat exchanger dibandingkan shell and tube heat exchanger antara lain :


15

Tugas Akhir Teknik Mesin 1.Kompak. 2.Biaya total murah. 3.Fouling kurang. 4.Mudah dicapai. 5.Fleksibel dalam hal jumlah plat di dalam alat penukar panas. 6.Beban panas dan efektivitas tinggi. 7.Waktu tinggal fluida tinggi Kekurangan plate and frame heat exchanger yaitu keterbatasan dalam hal tekanan dan suhu operasi yang disebabkan oleh gasketnya. Penggantian gasket yang terdapat di salah satu sisi atau kedua sisi plat dengan pengelasan laser dapat meningkatkan tekanan dan suhu operasi, modifikasi ini mengijinkan plate and frame heat exchanger dapat menangani fluida korosif [13].

Gambar 2.9 Penukar Panas Pelat dan Bingkai [16]

4.

Adiabatic Wheel Heat Exchanger Jenis penukar panas ini menggunakan intermediate cairan atau toko

yang solid untuk menahan panas, yang kemudian pindah ke sisi lain dari penukar panas akan dirilis. Universitas Mercu Buana http://digilib.mercubuana.ac.id/

16


Gambar 2.10 Adiabatic Wheel Heat Exchanger [17]

5.

Pillow Plate Heat Exchanger Pelat bantal memungkinkan untuk pendinginan di hampir daerah

seluruh permukaan tangki, tanpa sela yang akan terjadi antara pipa dilas ke bagian luar tangki. Pelat bantal dibangun menggunakan lembaran tipis dari logam-spot dilas ke permukaan selembar tebal dari logam. Pelat tipis dilas dalam pola teratur dari titik-titik atau dengan pola serpentin garis las. Setelah pengelasan ruang tertutup bertekanan dengan kekuatan yang cukup untuk menyebabkan logam tipis untuk tonjolan di sekitar lasan, menyediakan ruang untuk cairan penukar panas mengalir, dan menciptakan penampilan yang karakteristik bantal membengkak terbentuk dari logam.

Gambar 2.11 Pillow Plate Heat Exchanger [17]


17

Tugas Akhir Teknik Mesin 6.

Dynamic Scraped Surface Heat Exchanger Tipe lain dari penukar panas disebut "(dinamis) besot permukaan heat

exchanger". Ini terutama digunakan untuk pemanasan atau pendinginan dengan tinggi viskositas produk, proses kristalisasi, penguapan tinggi dan fouling aplikasi.

Gambar 2.12 Dynamic Scraped Surface Heat Exchanger [17]

7.

Phase – Change Heat Exchanger Selain pemanasan atau pendinginan cairan hanya dalam satu fasa,

penukar panas dapat digunakan baik untuk memanaskan cairan menguap (atau mendidih) atau digunakan sebagai kondensor untuk mendinginkan uap dan mengembun ke cairan. Pada pabrik kimia dan kilang, reboilers digunakan untuk memanaskan umpan masuk untuk menara distilasi sering penukar panas

.

Distilasi

set–up

biasanya

menggunakan

kondensor

untuk

mengkondensasikan uap distilasi kembali ke dalam cairan. Pembangkit tenaga listrik yang memiliki uap yang digerakkan turbin biasanya menggunakan penukar panas untuk mendidihkan air menjadi uap.


18


Gambar 2.13 Phase – Change Heat Exchanger [18]

2.3 Sistem Pendinginan Mesin Proses pembakaran yang berlangsung terus menerus dalam mesin mengakibatkan mesin dalam kondisi temperatur yang sangat tinggi. Temperatur sangat tinggi akan mengakibatkan desain mesin menjadi tidak ekonomis, sebagian besar mesin juga berada di lingkungan yang tidak terlalu jauh dengan manusia sehingga menurunkan faktor keamanan. Temperatur yang sangat rendah juga tidak terlalu menguntungkan dalam proses kerja mesin. Sistem pendinginan digunakan agar temperatur mesin terjaga pada batas temperatur kerja yang ideal. Prinsip pendinginan adalah melepaskan panas mesin ke udara, tipe langsung dilepaskan ke udara disebut pendinginan udara (air cooling), tipe menggunakan fluida sebagai perantara disebut pendinginan air. MacamMacam Sistem Pendingin, yaitu : 1.

Sistem Pendinginan Udara a. Pendinginan oleh aliran udara secara alamiah.


19

Tugas Akhir Teknik Mesin Pada sistem ini panas yang dihasilkan oleh pembakaran gas dalam ruang bakar sebagian dirambatkan keluar dengan menggunakan siripsirip pendingin (cooling fins) yang dipasangkan di bagian luar silinder (Gambar 2). Pada tempat yang suhunya lebih tinggi yaitu pada ruang bakar diberi sirip pendingin yang lebih panjang daripada sirip pendingin yang terdapat di sekitar silinder yang suhunya lebih rendah.

Gambar 2.14 Pendinginan Udara Secara Alamiah [4]

b. Pendinginan oleh tekanan udara Udara yang menyerap panas dari sirip – sirip pendingin harus berbentuk aliran atau udaranya harus mengalir agar suhu udara di sekitar sirip tetap rendah sehingga penyerapan panas tetap berlangsung sempurna. Hal ini dapat

dicapai dengan jalan

menggerakkan sirip pendingin atau udaranya. Bila sirip pendingin yang digerakkan atau mesinnya bergerak seperti pada sepeda motor. Pada mesin stasioner aliran udaranya diciptakan dengan cara menghembuskannya melalui blower yang dihubungkan langsung dengan poros engkol menunjukkan pendinginan udara menggunakan


20

Tugas Akhir Teknik Mesin kipas atau blower yang terpasang pada roda gila (flywheel fan). Agar aliran udara pendingin lebih dapat mendinginkan sirip – sirip digunakan pengarah.

Gambar 2.15 Kipas Udara Pada Roda Gila [4]

Gambar 2.16 Kipas Udara Pada Roda Gila Pengarah Aliran [5]

2.

Sistem Pendinginan Air Pada sistem ini sebagian panas dari hasil pembakaran dalam ruang

bakar diserap oleh air pendingin setelah melalui dinding silinder. Oleh karena itu di luar silinder dibuat mantel air (water jacket). Sistem pendingin yang menggunakan air ada yang hanya menggunakan air murni saja ada juga yang menggunakan cairan konsentrat (water coolant) yang merupakan campuran dari air dan bahan-bahan lain, diantaranya:


21

Tugas Akhir Teknik Mesin a.

Corrosion Resistor Fungsi corrosion resistor adalah untuk mencegah terjadinya endapan dan karat yang dapat menyebabkan saluran pada sistem pendingin tersumbat. Mekanisme kerja corrosion resistor adalah adanya isi suatu bahan kimia padat yang dapat larut dalam air. Bahan kimia tersebut akan larut setelah corrosion resistor dipasang pada sistem pendingin, kemudian bahan kimia tersebut akan terbawa oleh air melewati komponen engine block. Corrotion resistor ini juga berfungsi sebagai penyaring kotoran, karena terdapat kertas yang fungsinya untuk menangkap kotoran secara mekanis [26].

b.

Supplement Coolant Additive (SCA) Bahan kimia supplement atau tambahan yang berupa cairan untuk ditambahkan langsung ke dalam air radiator. Fungsinya serupa dengan corrosion resistor, sehingga air yang ada di dalam sistem menjadi mampu mengurangi kemungkinan terjadinya masalah yang ada di dalam sistem pendinginan ini. Sebelum ditambahkan SCA, ada tambahan lain yang berfungsi untuk menurunkan titik didih, ini dikenal dengan nama glycol. Glycol dicampurkan dengan air dan SCA yang sesuai dengan jumlah yang ditentukan akan menjadi larutan pendingin yang baik untuk alat berat [26].


22

Tugas Akhir Teknik Mesin c.

Fully Formulated Coolant Pada perkembangannya penambahan SCA dan Glycol secara manual akan menimbulkan banyak masalah. Kelebihan air akan berakibat pada banyaknya pengendapan, sementara kekurangan air akan berakibat berkurangnya perlindungan pada bagian yang dilewati pendingin tersebut. Akibat itu semua, munculah cara yang lebih praktis menggunakan cairan pendingin. Komposisi Glycol, SCA dan air yang sudah seimbang disatukan melalui proses di dalam pabrik, sehingga cairan coolant ini sangat baik dalam penggunaannya. Cara penggunaannya adalah dengan menuangkan langsung ke dalam radiator sampai semua sistem terisi cairan ini. Penggunaan air hanya diperbolehkan hingga 30% dari total kapasitas cairan yang ada dalam system [26].

Pada sistem pendinginan air ini air harus bersirkulasi. Adapun sirkulasi air dapat berupa 2 (dua) macam, yaitu: a.

Sirkulasi alamiah atau Thermo – siphon

b.

Sirkulasi dengan tekanan

Pada sistem pendinginan air dengan sirkulasi alamiah, air pendingin akan mengalir dengan sendirinya yang diakibatkan oleh perbedaan massa jenis air yang telah panas dan air yang masih dingin. Agar air yang panas dapat dingin, maka sebagai pembuang panas dipasangkan radiator. Air yang berada dalam mantel air dipanaskan oleh hasil pembakaran sehingga suhunya naik, sehingga massa jenisnya akan turun dan air ini didesak ke atas oleh air


23

Tugas Akhir Teknik Mesin yang masih dingin dari radiator. Agar pembuangan panas dari radiator terjadi sebesar mungkin maka pada sistem pendingin dilengkapi juga dengan kipas yang berfungsi untuk mengalirkan udara pada radiator agar panas pada radiator dapat dibuang atau diserap udara.

Gambar 2.17 Sirkulasi Alamiah Di Mesin [6]

Pada sirkulasi dengan tekanan pada prinsipnya sama dengan sirkulasi alam, tetapi untuk mempercepat terjadinya sirkulasi maka pada sistem dipasang pompa air.

Gambar 2.18 Sirkulasi Dengan Tekanan [5]

2.4 Komponen Sistem Pendingin Air Pada mobil yang menggunakan bahan bakar sebagai sumber tenaga, pasti menghasilkan panas. Hal tersebut normal, yang tidak normal adalah bila panas tersebut menjadi terlalu panas sehingga dapat menggangu kinerja mesin (overheating). Ciri – cirri overheating adalah knocking atau


24

Tugas Akhir Teknik Mesin menggelitik sampai dengan mesin mobil menjadi mati. Idealnya mesin mobil bekerja pada suhu 80 – 90 derajat celcius, dibawah itu juga tidak bagus karena mesin menjadi terlalu dingin atau overcooling dan kerja mesin menjadi tidak efisien. Dan jelas kuncinya ada di perawatan, berikut ini adalah komponen – komponen yang harus diperhatikan dan dirawat pada sistem pendinginan mobil.

1.

Waterpump Waterpump atau pomp air bertugas menyalurkan air dari radiator ke

mesin dan dari mesin ke radiator. Biasanya terbuat dari alumunium, dan ditempatkan di bagian kepala silinder.

Gambar 2.19 Waterpump 2.

Radiator Radiator ini merupakan tempat dimana air didinginkan menggunakan

jasa hembusan angin dari depan. Makanya letaknya biasanya didepan moncong mobil, komponen ini terbuat dari aluminium atau tembaga dengan banyak sekat dan didalamnya terdapat puluhan jalur air. Sekat fungsinya


25

Tugas Akhir Teknik Mesin untuk menangkap angin dan jalur air yang banyak supaya air lebih terpecah dan cepat didinginkan. Pada komponen inilah air dari mesin yang panas disalurkan ke radiator dan setelah dingin kembali masuk kedalam mesin dengan bantuan pompa air.

Gambar 2.20 Radiator [1]

3.

Kipas Radiator Dipasang di belakang radiator pada sisi paling dekat ke mesin adalah

satu atau dua kipas listrik di dalam perumahan yang dirancang untuk melindungi jari-jari dan untuk mengarahkan aliran udara. Ini fans yang ada untuk menjaga aliran udara melalui radiator saat kendaraan akan lambat atau berhenti dengan mesin menyala. Jika ini fans berhenti bekerja, setiap kali Anda berhenti, suhu mesin akan mulai naik. Pada sistem lama, kipas terhubung ke depan pompa air dan akan berputar setiap kali mesin itu berjalan karena digerakkan oleh sabuk kipas bukan sebuah motor listrik. Dalam kasus ini, jika driver akan melihat mesin mulai berjalan panas di berhenti dan pergi mengemudi, pengemudi mungkin menempatkan mobil di


26

Tugas Akhir Teknik Mesin netral dan putaran mesin untuk menghidupkan kipas angin cepat yang membantu mendinginkan mesin.

Gambar 2.21 Kipas Radiator [1] 4.

Tutup Radiator Sebagai pendingin menjadi panas, mengembang. Karena sistem

pendingin tertutup, ekspansi ini menyebabkan peningkatan tekanan dalam sistem pendingin, yang normal dan bagian dari desain. Ketika pendingin berada di bawah tekanan, suhu di mana cairan mulai mendidih jauh lebih tinggi. Tekanan ini, ditambah dengan titik didih lebih tinggi dari etilena glikol, memungkinkan pendingin untuk mencapai suhu aman lebih dari 250 derajat. Tutup tekanan radiator adalah perangkat sederhana yang akan mempertahankan tekanan dalam sistem pendinginan sampai titik tertentu. Jika tekanan menumpuk lebih tinggi dari titik tekanan yang ditetapkan, ada katup pegas dimuat, dikalibrasi dengan benar Pounds per inci persegi (psi), untuk melepaskan tekanan.


27


Gambar 2.22 Tutup Radiator [7]

5.

Termostat Termostat hanyalah sebuah katup yang mengukur suhu pendingin dan,

jika itu cukup panas, terbuka untuk memungkinkan pendingin mengalir melalui radiator. Jika pendingin tidak cukup panas, aliran ke radiator diblokir dan cairan diarahkan ke sistem bypass yang memungkinkan pendingin untuk kembali langsung kembali ke mesin.

Gambar 2.23 Katup Termostat [1]


28


Sistem Bypass Ini adalah bagian yang memungkinkan pendingin untuk memotong

radiator dan kembali langsung kembali ke mesin. Beberapa mesin menggunakan selang karet, atau tabung baja tetap. Di mesin lain, ada cast dalam bagian dibangun ke dalam pompa air atau depan perumahan. Dalam kasus apapun, ketika termostat tertutup, pendingin diarahkan untuk melewati ini dan disalurkan kembali ke pompa air, yang mengirimkan pendingin kembali ke mesin tanpa didinginkan oleh radiator.

7.

Kepala Paking, Gasket, dan Intake Manifold Semua mesin pembakaran internal memiliki blok mesin dan satu atau

dua kepala silinder. Dalam rangka untuk menutup blok ke kepala, kita menggunakan paking kepala. Gasket kepala memiliki beberapa hal yang dibutuhkan untuk menutup melawan. Hal utama adalah tekanan pembakaran pada silinder masing – masing. Minyak dan pendingin harus mengalir dengan mudah antara blok dan kepala dan itu adalah tugas dari paking kepala untuk menjaga cairan dari bocor keluar atau ke dalam ruang pembakaran, atau satu sama lain dalam hal ini. Sebuah paking kepala khas biasanya terbuat dari lembaran logam yang lembut yang dicap dengan pegunungan yang mengelilingi semua titik kebocoran. Ketika kepala ditempatkan di blok, paking kepala terjepit di antara mereka.


29


Heater Inti Pendingin panas juga digunakan untuk menyediakan panas untuk

interior kendaraan bila diperlukan. Ini adalah sistem sederhana dan lurus ke depan yang meliputi inti pemanas, yang terlihat seperti kecil versi radiator, terhubung ke sistem pendingin dengan sepasang selang karet. Satu selang pendingin membawa panas dari pompa air ke inti pemanas dan selang lainnya pendingin kembali ke atas mesin. Biasanya ada katup kontrol pemanas di salah satu selang untuk memblokir aliran pendingin ke dalam inti pemanas ketika penyejuk udara maksimum disebut untuk. Sebuah kipas, disebut blower, menarik udara melalui inti pemanas dan mengarahkan melalui saluran pemanas untuk interior mobil.

Gambar 2.24 Heater Inti

9.

Selang Ada

beberapa

selang

karet

yang

membentuk

pipa

untuk

menghubungkan komponen-komponen sistem pendingin. Selang utama disebut selang radiator atas dan bawah. Kedua selang sekitar 2 inci dan diameter pendingin langsung antara mesin dan radiator. Dua selang


30

Tugas Akhir Teknik Mesin tambahan, disebut selang pemanas, pendingin pasokan panas dari mesin ke inti pemanas. Ini selang sekitar 1 inci diameter. Salah satu selang mungkin memiliki katup kendali pemanas dipasang di garis untuk memblokir pendingin panas dari memasuki inti pemanas ketika AC diatur untuk max – dingin. Sebuah selang kelima, disebut selang bypass, digunakan untuk mengedarkan pendingin melalui mesin, melewati radiator, ketika termostat ditutup. Beberapa mesin tidak menggunakan selang karet. Sebaliknya, mereka mungkin menggunakan tabung logam atau memiliki bagian built-in di perumahan depan.

Gambar 2.25 Selang Radiator

2.5 Prinsip Kerja Sistem Pendinginan Air Pada sistem pendinginan air terdapat dua jenis sirkulasi yang digunakan untuk mendinginkan mesin, yaitu : sirkulasi alam dan sirkulasi tekan. Pada sirkulasi alam, prinsip kerjanya mengikuti sifat air. Sedangkan pada sirkulasi tekan, untuk mengalirkan air pendingin menggunakan bantuan pompa air (water pump). Sirkulasi tekan banyak digunakan pada mesin-mesin sekarang, karena proses sirkulasi air yang lebih cepat dan penggunaan


31

Tugas Akhir Teknik Mesin radiator yang lebih kecil. Adapun cara kerja dari sistem pendinginan air adalah sebagai berikut :

1.

Saat Mesin Hidup Saat mesin dihidupkan dan belum mencapai temperatur kerja mesin,

penyerapan panas oleh air pendingin belum diperlukan. Sirkulasi air hanya disekitar kantong air karena adanya termostat yang belum membuka saat temperatur air pendingin belum mencapai suhu kerja. Air pendingin pada kantong-kantong air yang dipompa akan mengalir melalui saluran by pass, sehingga akan kembali lagi ke kantong-kantong air. Air pendingin yang berada pada sistem pendingin akan selalu cenderung panas. Saat suhu mesin melebihi suhu optimal, maka termostat akan membuka dan air yang berada pada kantong-kantong air akan mengalir menuju radiator untuk didinginkan, sedangkan air yang dingin pada radiator akan mengantikan air pada kantong air untuk mendinginkan mesin.

2.

Saat Mesin Mati Saat mesin dimatikan, maka air pendingin yang berada pada kantong

air akan terus menyerap panas dari mesin. Saat mesin telah dingin, temperatur dan volume cairan pendingin akan berkurang dan membentuk ruangan vakum dalam radiator. Ketika terjadi kevakuman tersebut, maka vacum valve pada tutup radiator akan membuka secara otomatis, yang kemudian akan menghisap udara segar ataupun air dalam tanki cadangan untuk mengganti kevakuman dalam radiator.


32

Tugas Akhir Teknik Mesin 2.6 Perpipaan Pengetahuan perpipaan merupakan sarana dan dasar pengetahuan di dalam perhitungan, perencanaan, dan pelaksanaan perpipaan berikutnya. Hal apa saja yang perlu diketahui pada teknik perpipaan ini akan dapat dilihat pada keterangan berikut ini: 1.

Jenis Pipa Dari sekian jenis pembuatan pipa secara umum dapat dikelompokkan

menjadi dua bagian yaitu: a. Jenis pipa tanpa sambungan (pembuatan pipa tanpa sambungan pengelasan [20]. b. Jenis pipa dengan sambungan (pembuatan pipa dengan pengelasan) [20].

2.

Bahan-Bahan Pipa Secara Umum Bahan-bahan pipa yang dimaksudkan di sini adalah struktur bahan

baru pipa tersebut yang dapat dibagi secara umum sebagai berikut [20] :  Carbon steel  Carbon moly  Galvanees  Ferro nikel  Stainless steel  PVC (paralon)  Chrome moly


33

Tugas Akhir Teknik Mesin Sedang bahan-bahan pipa yang secara khusus dapat dikelompokkan sebagai berikut [20] :  Vibre Glass  Aluminium  Wrought Iron (besi tanpa tempa)  Cooper (Tembaga)  Red Brass (kuningan merah)  Nickel cooper = Monel ( timah tembaga)  Nickel chrom iron = inconel (besi timah chrom) 3.

Komponen Perpipaan Komponen perpipaan harus dibuat berdasarkan spesifikasi, standar

yang terdaftar dalam simbol dan kode yang telah dibuat atau telah dipilih sebelumnya. Komponen perpipaan yang dimaksud di sini meliputi [20] :  Pipes (pipa-pipa)  Flanges (flens-flens)  Fittings (sambungan)  Valves (katup-katup)  Boltings (baut-baut)  Gasket  Special items (bagian khusus)


34


Pemilihan Bahan Pemilihan bahan perpipaan haruslah disesuaikan dengan pembuatan

teknik perpipaan dan hal ini dapat dilihat pada ASTM (American Standard Testing and Material) serta ANSI (American National Standards Institute) dalam pembagian sebagai berikut [20]:  Perpipaan untuk pembangkit tenaga  Perpipaan untuk industri bahan gas  Perpipaan untuk penyulingan minyak mentah  Perpipaan untuk pengangkutan minyak  Perpipaan untuk proses pendinginan  Perpipaan untuk tenaga nuklir  Perpipaan untuk distribusi dan transmisi gas Selain dari penggunaan instalasi atau konstruksi seperti diterangkan di atas perlu pula diketahui jenis asliran temperatur, sifat korosi, faktor gaya serta kebutuhan lainnya dari aliran serta pipanya.

5.

Macam Sambungan Perpipaan Sambungan perpipaan dapat dikelompokan sebagai berikut:  Sambungan

dengan

menggunakan

pengelasan,

misalnya

pengelasan bahan stainless steel dengan las busur gas tungsten dan untuk pipa baja karbon dengan las logam [20].  Sambungan dengan menggunakan ulir, digunakan untuk pipa bertekanan tidak terlalu tinggi. Kebocoran dapat dicegah dengan menggunakan gasket (tape pipe) [20].


35

Tugas Akhir Teknik Mesin Selain sambungan seperti di atas, terdapat pula penyambungan khusus dengan menggunakan pengeleman (perekatan) serta pengkeleman (untuk pipa plastik dan pipa vibbre glass). Pada pengilangan umumnya pipa bertekanan rendah dan pipa di bawah 2” sajalah yang menggunakan sambungan ulir.

6.

Tipe Sambungan Cabang Tipe sambungan cabang (brance conection) dapat dikelompokan

sebagai berikut:  Sambungan langsung (stub in)

Gambar 2.26 Sambungan stub in [19] Sambungan dengan menggunakan fittings (alat penyambung)

Gambar 2.27 Sambungan Siku (ellbow) [19]


36


Gambar 2.28 Sambungan Te (tee) [19]

 Sambungan dengan menggunakan flanges (flens-flens)

Gambar 2.29 Sambungan dengan pelana kuda [19]

2.7 Tembaga 1.

Pengertian Tembaga Tembaga adalah logam merah-muda yang lunak, dapat ditempa, liat.

Ia melebur pada 1038 [22]. Karena potensial electrode standarnya positif (+0,34 V untuk pasangan Cu/Cu2+), ia tak larut dalam asam klorida dan asam


37

Tugas Akhir Teknik Mesin sulfat encer, meskipun dengan adanya oksigen ia bisa terlarut sedikit. Dalam tabel periodik unsur – unsur kimia, tembaga menempati posisi dengan nomor atom (NA)29 dan mempunyai bobot atau berat atom (BA)63,546. Tembaga sangat langka dan jarang sekali diperoleh dalam bentuk murni. Mudah didapat dari berbagai senyawa dan mineral. Penggunaan tembaga yaitu dalam bentuk logam merupakan paduan penting dalam bentuk kuningan, perunggu serta campuran emas dan perak. Banyak digunakan dalam pembuatan pelat, alat-alat listrik, pipa, kawat, pematrian, uang logam, alat-alat dapur, dan industry. Senyawa tembaga juga digunakan dalam kimia analitik dan penjernihan air, sebagai unsur dalam insektida, cat, obat-obatan dan pigmen. Kegunaan biologis untuk runutan dalam organisme hidup dan merupakan unsur penting dalam darah binatang berkulit keras.

2.

Paduan Tembaga Paduan Tembaga telah berkurang penggunaannya dari pada waktu

yang lampau. Harga tembaga yang meningkat dengan cepat, ditambah lagi denga kenyataan bahwa kualitas bahan murah yang lain telah meningkat akhir-akhir ini. Telah mengurangi penggunaan paduan tembaga untuk beberapa kebutuhan.Selain itu teknik pembuatannya telah diperbaiki sehingga menyebabkan bahan kurang (ductile) dapat dipakai, karena itu baja ringan kualitasnya baik yang sering digunakan. Tembaga membentuk larutan padat dengan unsur logam lain dalam daerah yang luas dan dipergunakan untuk berbagi keperluan, dan macam-macam paduan pada tembaga antara lain :


38

Tugas Akhir Teknik Mesin a) Perunggu Perunggu mempunyai kadar tembaga Cu 70-78 %, timah putih Sn 22-44 % dan selain itu campuran tambahan lain seperti Seng (Zn), Timbel (Pb), Aluminium (Al) dll. Perungu ialah : paduan kepal atau paduan tuang

yang tahan terhadap korosi. Selain itu

mempunyai daya luncur dan daya hantar yang baik untuk arus listrik [23].

b) Perunggu Bebas Seng Perunggu bebas seng yang dinamakan juga perunggu timah, yaitu perunggu tuang dari Cu ditambah 10%, 14%, atau 20% Sn tanpa campuran tambahan lain. Bahan itu digunakan untuk pentil yang harus mempunyai syarat tinggi terhadap korosi dan ketangguhan (10% Sn). Selain itu pada bantalan harus mempunyai syarat-syarat tinggi untuk sifat luncur (14% Sn) dan unutuk bantalan-bantalan tekan dengan syarat tinggi untuk kekerasan (20 % Sn ) [23].

c) Perunggu Bebas Seng Paduan Kepal Mempunyai 1,5 % sampai setinggi-tingginya 10 % timah putih dan selain itu Fosfor dalam persentase yang sangat kecil, yaitu setinggi-tingginya

0,3 % campuran ini dahulu dinamakan

perunggu Fosfor. Dipakai untuk profil-profil, batang-batang, kawat, plat, dan pipa yang dicanai dan ditarik [23].


39

Tugas Akhir Teknik Mesin d) Perunggu dan Seng Perunggu seng ialah : perungu tembaga timah dengan tambahan seng 2 % - 7 %. Bahan itu dipakai terutama untuk bantalanbantalan ( campuran tuang ) [23].

e) Perunggu Aluminium Perunggu Alumnium ialah : campuran tuang dan campuran kepal dari tembaga dengan Aluminium dengan besi dan bahan tambahan lain (perunggu dua zat). Perunggu dua zat (Al dan Ni) tahan korosi terhadap bahan kimia tertentu karena

itu dipakai

untuk

perlengkapan kimia. Perunggu Alumium tidak mempunyai fungsi lain dari perunggu bebas seng. Sifat-sifatnya kurang baik, jadi tidak banyak dipakai kecuali di negeri-negeri yang kurang akan timah [23].

f) Perunggu Silikon Perunggu Silikon baik sebagai paduan tuang maupun kepal mempunyai kadar (Si) 0,5 %-4,5 %. Selain itu ada bahan-bahan tambahan dari timah, nikel, mangan, besi dan seng dalam bermacam-macam

persenyawaan.

Sebagian

dapat

dijadikan

misalnya, cupoder yang mempunyai tahanan tarik dan kekerasan yang baik [23].

3.

Konduktivitas Termal Konduktivitas termal (k) difefinisikan sebagai laju panas pada suatu

benda dengan suatu gradien temperatur. Dengan kata lain konduktivitas termal menyatakan kemamouan bahan untuk menghantarkan kalor. Nilai Universitas Mercu Buana http://digilib.mercubuana.ac.id/

40

Tugas Akhir Teknik Mesin konduktivitas termal penting untuk menentukan jenis dari penghantar yaitu penhantar panas yang baik (konduktor) untuk nilai koefisien konduktivitas termal yang besar dan penghantar panas yang kurang baik (isolator) untuk nila koefisien konduktivitas termal yang kecil. Setiap

benda

mempunyai

konduktivitas

termal

(kemampuan

mengalirkan panas) tertentu yang akan mempengaruhi panas yang dihantarkan dari sisi yang panas ke sisi yang lebih dingin. Semakin tinggi nilai konduktivitas termal suatu benda, semakin cepat ia mengalirkan panas yang diterima dari satu sisi ke sisi yang lain. Begitu juga sebaliknya semakin rendah nilai konduktivitas termal suatu benda maka akan semakin lama ia mengalirkan panas [24]. Pada tabel 2.1 di bawah ini menunjukkan nilai koefisien konduktivitas termal dari setiap logam. Tabel 2.1 Koefisien Kondoktivitas Termal [25] Koefisien Kondoktivitas Termal Bahan Logam W/m.oC Perak (murni)

410

Tembaga (murni)

385

Aluminium (murni)

202

Nikel (murni)

93

Besi (murni)

73

Baja karbon, 1%C

43

Timbal (murni)

35

Baja krom-nikel, 18%Cr-8%Ni


16,3

41

Tugas Akhir Teknik Mesin 2.8 Metode Perhitungan NTU Dan LMTD 1.

Number of Transfer Unit atau NTU Metode

efektivitas

mempunyai

beberapa

keuntungan

untuk

menganalisis perbendingan berbagai jenis penukar kalor dalam memilih jenis yang

terbaik

untuk melaksanakan pemindahan kalor tertentu.

Efektifitas

penukar kalor (heat exchanger effectiveness) didefinisikan sebagai berikut :

∆ (

=

)

................ [2]

Perpindahan kalor yang sebenarnya (actual) dapat dihitung dari energi yang dilepaskan oleh fluida panas atau energi yang diterima oleh fluida dingin untuk penukar kalor aliran lawan arah :

=

(

−

)

=

(

−

) ................................................... [2]

Dimana : q = perpindahan panas m = laju aliran massa Ch = kalor spesifik fluida panas Cc = Kalor spesifik fluida dingin Th1 = suhu masuk fluida panas Th2 = suhu keluar fluida panas Tc1 = suhu masuk fluida dingin Tc2 = suhu keluar fluida dingin


42

Tugas Akhir Teknik Mesin Untuk menentukan perpindahan kalor maksimum bagi penukar kalor itu harus dipahami bahwa nilai maksimum akan didapat bila salah satu fluida mengalami perubahan suhu sebesar beda suhu maksimum yang terdapat dalam penukar kalor itu, yaitu selisih antara suhu masuk fluida panas dan fluida dingin. Fluida yang mungkin mengalami beda suhu maksimum ini ialah yang nilai mc – nya minimum, karena neraca energi mensyaratkan bahwa energi yang diterima oleh fluida yang satu mesti sama dengan energi yang dilepas oleh fluida yang satu lagi. Jika fluida yang mempunyai nilai mc yang lebih besar yang dibuat mangalmi beda suhu maksimum, maka tentu fluida yang satu lagi akan harus mengalami suhu yang lebih besar dari maksimum, dan ini tidak dimungkinkan. Jadi perpindahan kalor maksimum yang mungkin dinyatakan sebagai : =(

)

(

−

) .......................... [2]

Jika fluida dingin adalah fluida minimum, maka : = 2.

.................................................................................[2]

Log Mean Temperature difference atau LMTD Fluida dapat mengalir dalam aliran sejajar maupun aliran lawan arah,

dan profil suhu. Perpindahan kalor dalam susunan pipa ganda dapat dihitung memakai rumus : = . .∆

..................................................................... [2]

Dimana : U = koefisien perpindahan kalor menyeluruh A = luar permukaan perpindahan kalor yang sesuai dengan definisi U


43

Tugas Akhir Teknik Mesin Tm = beda suhu rata-rata yang tepat untuk digunakan dalam penukar kalor

Jadi rumus perhitungan Log Mean Temperature difference atau LMTD, yaitu : = . .

........................................................................ [2]

Dimana nilai LMTD didapat dari rumus sebagai berikut : =

−∆ ∆ ln (∆ )

∆

=∆

=

(

) ( (

)⁄ (

) )

....................................[21]


44

BAB II LANDASAN TEORI

Recommend Documents