MODUL PRAKTIKUM Mata Kuliah Perpindahan Kalor Konduksi dan Radiasi
Disusun oleh : Tito Hadji Agung S., ST, MT Teddy Nurcahyadi, S.T., M.Eng.
Program Studi S-1 Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Yogyakarta 2016
DAFTAR ISI
Aturan Pelaksanaan Praktikum Perpindahan Kalor Konduksi dan Radiasi . .
MODUL 1
3
KONDUKSI LINEAR
A. SUB-MODUL A (Konduksi Linear Tunak) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
B. SUB-MODUL B (Persamaan Fourier untuk Konduksi Linear) . . . .
9
C. SUB-MODUL C (Koefisien Perpindahan Kalor Keseluruhan) . . . . .
13
D. SUB-MODUL D (Konduktivitas Termal) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
E. SUB-MODUL E (Perbandingan Terbalik antara Gradien Suhu terhadap Luas Penampang) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
F. SUB-MODUL F (Pengaruh Tahanan Kontak terhadap Konduksi Kalor) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
G. SUB-MODUL G (Konduktivitas Termal & Aplikasi untuk Isolator) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
PENGUKURAN KONDUKTIVITAS THERMAL FLUIDA ….
29
LAMPIRAN ………………………………………………………………………
37
MODUL 2
1
ATURAN PELAKSANAAN PRAKTIKUM MATA KULIAH PERPINDAHAN KALOR KONDUKSI DAN RADIASI
A. Komponen Penilaian Bobot nilai praktikum ini adalah 30% dari total nilai Mata Kuliah Perpindahan Kalor Konduksi dan Radiasi. Komponen nilai praktikum adalah sebagai berikut : •
Nilai kedisiplinan dan keaktifan selama mengikuti praktikum (35%)
•
Nilai Responsi (40%)
•
Nilai Laporan (25%)
Mahasiswa / praktikan yang tidak mengikuti praktikum secara otomatis tidak akan mendapatkan nilai responsi dan nilai laporan.
Jika praktikan tidak dapat mengikuti
praktikum sesuai jadwal yang telah ditetapkan maka akan diberikan kesempatan selama 1 x 24 jam setelah jadwal yang ditetapkan bagi dirinya tersebut untuk meminta penjadwalan ulang dengan Ko-As yang telah ditugaskan.
B. Aturan Ketika Mengikuti Praktikum Aturan yang berlaku bagi praktikan ketika mengikuti praktikum adalah sebagai berikut: •
Praktikan wajib mengenakan jas lab selama berlangsungnya praktikum
•
Datang tepat waktu, disarankan 10 menit sebelum jadwal pelaksanaan praktikum
•
Ketika datang langsung meminta presensi kepada ko-Ass dengan menunjukkan KTM
•
Keterlambatan hadir sesuai jadwal digunakan untuk mengurangi nilai kedisiplinan dan keaktifan
•
Menaati aturan-aturan yang berlaku di Laboratorium Program Studi S-1 Teknik Mesin UMY
C. Mekanisme Responsi Responsi praktikum dilaksanakan dengan mekanisme sebagai berikut: •
Presentasi laporan praktikum dengan powerpoint
•
Alokasi waktu presentasi 20 menit, terjadwal, dan harus on-time (telat datang diganti kelompok selanjutnya)
•
Materi ujian : penguasaan metode eksperimen, penguasaan teori, analisa data
2
D. Aturan Pembuatan Laporan Praktikum Laporan praktikum disusun dengan aturan-aturan sebagai berikut: •
Satu kelompok menyerahkan 1 laporan
•
Kertas yang digunakan ukuran A4
•
Cover warna biru muda
•
Ditulis tangan dengan tinta biru
•
Gambar, tabel, dan grafik boleh diprint
•
Bagian dasar teori dan metode eksperimen boleh diprint / fotokopi
•
Dikumpulkan ketika responsi
E. Sistematika Laporan Praktikum Sistematika Laporan Praktikum ini ditetapkan sebagai berikut: •
Modul 1 : dasar teori , metode eksperimen, hasil eksperimen, analisa data, pembahasan
•
Modul 2 : dasar teori , metode eksperimen, hasil eksperimen, analisa data, pembahasan
3
MODUL 1 KONDUKSI LINEAR
Modul 1 dilayani oleh sebuah Basic Service Unit (BSU, lihat Gambar 1). BSU merupakan unit akuisisi data yang dilengkapi dengan software, sehingga pengoperasian ketiga modul selain dengan cara “Manual” (operasi & pembacaan data-data di panel BSU) juga dapat secara “Remote” (operasi & pembacaan data-data di layar komputer).
Gambar 1. Panel Basic Service Unit (BSU) – Heat Transfer Equipment
Keterangan: A. B. C. D.
Tombol Power On / Off Tombol operasi secara “Manual” atau “Remote” Tombol pengaturan Voltase heater (secara operasi “Manual”) Display pembacaan nilai parameter (Voltase, Arus, dsb) yang terkait dengan pengaturan tombol E (untuk operasi secara “Manual”) E. Tombol pengatur pembacaan nilai parameter (Voltase & Arus heater, dsb untuk operasi “Manual”)) F. Interface I/O Port untuk operasi & pembacaan data secara “Remote” 4
G. Tombol Selector Switch untuk pembacaan suhu tiap-tiap titik termokopel (untuk operasi “Manual”) H. Interface untuk koneksi dengan Chart Recorder (tidak digunakan) I. Port untuk pengukuran suhu-suhu termokopel (tidak digunakan) J. Display untuk melihat data suhu pengukuran termokopel yang terkait dengan selector switch (G) untuk operasi secara “Manual” K. Port untuk pengukuran suhu-suhu termokopel (digunakan) L. Port untuk pengukuran laju aliran air pendingin (tidak digunakan, karena unit tidak dilengkapi dengan sensor alat ukur debit air pendingin) M, N, O, P port instumentasi yang berkaitan dengan tombol E (tidak digunakan)
A. SUB-MODUL A (Konduksi Linear Tunak) A.1 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian Sub-Modul A ini adalah : 1. Untuk menentukan distribusi suhu pada kasus perpindahan panas konduksi tunak yang melalui pelat / dinding datar dengan material yang sama / seragam (uniform). 2. Untuk mendemostrasikan pengaruh perubahan aliran kalor.
A.2 Skema Peralatan Uji
Gambar 2. Skema Umum Alat Uji Modul Konduksi Linear
5
Keterangan: Spesimen pada modul konduksi linear terdiri dari 3 bagian, yaitu : bagian panas (heating section), bagian tengah (intermediate section) yang dapat diganti-ganti, dan bagian dingin (cooling section). Bagian panas, spesimen kuningan (brass) dipanaskan dengan pemanas listrik (electic heater). Bagian dingin, spesimen kuningan (brass) didinginkan dengan air pendingin. Terlihat kawat termokopel dipasang pada ketiga bagian untuk mengukur suhunya.
Gambar 3. Susunan Pengujian Modul 1A (Modul Konduksi Linear) A.3 Dasar Teori Pada skema peralatan uji (gambar 3) terlihat bahwa ada bagian panas (heating section) dan bagian yang dingin (cooling section). Kedua bagian diklem dengan erat & kedua permukaan yang bersinggungan diberi thermal paste supaya kontak permukaan baik (tidak ada rongga udara yang dapat menyebabkan tahanan termal kontak / contact resistance). Kedua bagian dapat dipandang sebagai sebuah dinding dengan luas penampang kontak dan material (kuningan / brass) yang seragam dan kontinyu. Sesuai dengan hukum Fourier tentang konduksi panas, jika sebuah dinding datar dengan ketebalan (x) dan luas permukaan perpindahan kalor (A) terdapat beda suhu (T), maka laju perpindahan kalor (Q) secara konduksi berlaku:
Q ~ A.
T x
Q berbanding lurus terhadap A dan ΔT, namun berbanding terbalik terhadap Δx. C = suatu konstan dan A = nilainya konstan
6
QC.
T x
Obyek dari pengujian modul 1A ini untuk menunjukkan bahwa untuk sebuah dinding datar sederhana (dengan material dan luas permukaan perpindahan kalor konstan) berlaku : Q ~
T x
Gambar 4. Distribusi Suhu & Aliran Kalor pada Suatu Bidang Datar
A.4 Prosedur Pengujian Prosedur pengujian sebagai berikut : 1. Susun alat uji seperti skema pengujian (gambar 3). Oleskan thermal paste ke permukaan-permukaan spesimen secara merata, kemudian klem kedua bagian tersebut. 2. Pasang termokopel dari Modul Konduksi Linear ke Basic Service Unit (BSU). 3. Pasang kabel heater ke bagian belakang BSU. 4. Alirkan air pendingin ke modul alat konduksi linear. 5. Nyalakan BSU & komputer. 6. Jalankan program Heat Transfer Armfield & pilih Modul Konduksi Linear, Exercise A. 7. Set posisi tombol di BSU ke “REMOTE” untuk pengaturan / penggujian melalui program komputer. 8. Siapkan stopwatch untuk menentukan waktu. 9. Set voltase heater ke posisi 9 V dengan mengatur-atur heater control. 10. Catat / rekam data-data pengujian yang meliputi : voltase & arus heater, serta suhu-suhu termokopel dengan menekan icon GO pada program. 7
11. Data disimpan (di-save) untuk menit ke – 0, 1, 2, 3, dan 5. Data pada menit ke - 0 di-save saat voltase heater sudah menunjukkan setting voltase heater seperti yang diinginkan (9 Volt). 11. Ulangi lagi pengambilan data dengan voltase heater : 12V, 17V, dan 21V.
Keterangan: -
Pengukuran pada menit ke – 0, 1, 2, 3, 4, dan 5 untuk mengetahui kondisi transien (sejarah waktu / time history)
-
Untuk analisis data, dilakukan pada menit ke – 5 (karena keterbatasan waktu, diasumsikan bahwa kondisi tunak sudah tercapai pada menit ke – 5)
A.5 Pengamatan Data Data-data yang diambil pada pengujian sub-modul 1A ini dapat dilihat pada lampiran Tabel 1A.
A.6 Perhitungan & Analisis Berdasarkan data pengamatan, hitung parameter sebagai berikut: a.
Aliran kalor ke heater
Q V.I b.
Beda suhu bagian panas (hot) Thot T1 - T3
c.
Beda suhu bagian dingin (cold) Tcold T6 - T8
(masukkan perhitungan ke Tabel Perhitungan pada lampiran Tabel 1A). d.
Plot grafik suhu terhadap lokasi (jarak) masing-masing termokopel untuk tiap aliran kalor ke heater (Q) (Grafik Distribusi Suhu Grafik T - x)
e.
Hitung gradien tiap garis (T/x) dan tunjukkan bahwa Q
gradien
adalah konstan
(C).
Keterangan: Distribusi suhu akan terlihat seperti gambar 5.
8
Gambar 5. Kurva Distribusi Suhu pada Material Homogen (Modul 1A)
A.7 Problem Jawab pertanyaan berikut ini: 1.
Berapa nilai konstanta C untuk material pada bagian yang panas dan pada bagian yang dingin?
2.
Apa artinya jika nilai C kedua bagian (heating section & cooling section) sama atau tidak sama?
3.
Berdasarkan nilai C di atas, material bagian mana yang konduktivitas termalnya lebih tinggi? Mengapa?
B. SUB-MODUL B (Persamaan Fourier untuk Konduksi Linear) B.1 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian Sub-Modul A ini adalah : 1. Untuk memahami penggunaan hukum Fourier dalam menentukan laju perpindahan kalor melalui material padat untuk aliran kalor tunak 1 dimensi.
9
B.2 Skema Peralatan Uji
Gambar 6. Susunan Pengujian Konduksi Linear pada Material Homogen (Modul 1B)
B.3 Dasar Teori Pada skema peralatan uji terlihat bahwa ada bagian panas (heating section), bagian tengah (intermediate), dan bagian yang dingin (cooling section). Ketiga bagian diklem dengan erat sehingga kedua pasang permukaan (yang diberi thermal paste) berada dalam kondisi kontak yang baik. Ketiga bagian dapat dipandang sebagai sebuah dinding homogen dengan luas penampang kontak dan material (kuningan / brass) yang seragam dan kontinyu. Sesuai dengan hukum Fourier tentang konduksi panas, jika sebuah dinding datar dengan ketebalan (x) dan luas permukaan perpindahan kalor (A) terdapat beda suhu (T), maka laju perpindahan kalor (Q) secara konduksi berlaku: Q ~ A.
T x
dengan : x x b - x a
Jika material dinding adalah homogen dan mempunyai konduktivitas termal (k) yang sama, maka: Q - k.A.
T x
(Tanda minus / - disebabkan karena aliran kalor dalam arah penurunan suhu. Kalor mengalir dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah.)
10
Gambar 7. Simbol Parameter & Aliran Kalor pada Bidang Datar
B.4 Prosedur Pengujian Prosedur pengujian sebagai berikut : 1. Prosedur pengujian analog seperti pada Sub-Modul A di atas, hanya di bagian tengah disisipkan spesimen tambahan berupa Brass (kuningan, berdiameter besar). 2. Set voltase heater ke posisi 9V, 12V, dan 17V dengan mengatur-atur heater control.
B.5 Pengamatan Data Data-data yang diambil pada pengujian sub-modul 1A ini dapat dilihat pada lampiran Tabel 1B.
B.6 Perhitungan & Analisis Berdasarkan data pengamatan, hitung parameter sebagai berikut: a.
Aliran kalor ke heater
Q V.I b.
Luas penampang perpindahan kalor A
c.
. D2 4
Beda suhu bagian panas (hot) Thot T1 - T3
d.
Konduktivitas termal material bagian panas (hot) k hot
x 13 . Q Thot . A hot
11
e.
Beda suhu bagian tengah (intermediate) Tint T4 - T5
f.
Konduktivitas termal material bagian tengah (intermediate) k int
g.
x 45 . Q Tint . A int
Beda suhu bagian dingin (cold) Tcold T6 - T8
h.
Konduktivitas termal material bagian dingin (cold) k cold
x 68 . Q Tcold . A cold
(masukkan semua perhitungan ke Tabel Perhitungan pada lampiran Tabel 1B). i.
Plot grafik suhu terhadap lokasi (jarak) masing-masing termokopel untuk tiap aliran kalor ke heater (Q) (Grafik Distribusi Suhu Grafik T - x)
Gambar 8. Distribusi Suhu Pada Material yang Homogen
B.7 Problem 1.
Bagaimana perbandingkan nilai konduktivitas termal (k) kuningan (brass) yang ada di ketiga bagian untuk suatu aliran kalor (Q) yang sama ?
2.
Bagaimana perbandingkan nilai konduktivitas termal (k) kuningan (brass) yang ada di ketiga bagian untuk suatu aliran kalor (Q) yang bervariasi ?
3.
Berapa nilai konduktivitas termal (k) pada ketiga bagian (ambil pada menit ke-5 saja, asumsi pada kondisi yang sudah tunak) ?
12
4.
Material ketiga bagian adalah sama yaitu kuningan (brass) sehingga mestinya nilai k akan sama. Apa yang menyebabkan nilai k ketiga bagian tidak sama?
5.
Nilai k material kuningan secara umum nilainya 121 W/m.oC. Bagaimana nilai k kuningan terhadap nilai k referensi ini ?
C. SUB-MODUL C (Koefisien Perpindahan Kalor Keseluruhan) C.1 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian Sub-Modul A ini adalah : 1. Untuk menentukan distribusi suhu pada kasus perpindahan panas konduksi tunak yang melalui pelat / dinding datar dengan material yang berbeda (komposit). 2. Untuk menentukan koefisien perpindahan kalor keseluruhan (U) dinding komposit.
C.2 Skema Peralatan Uji
Gambar 9. Susunan Pengujian Konduksi Linear dengan Material Kurang Konduktif (Baja Tahan Karat, Modul 1C) C.3 Dasar Teori Pada skema peralatan uji terlihat bahwa ada bagian panas (heating section), bagian tengah (intermediate), dan bagian yang dingin (cooling section). Material di bagian
13
tengah (stainless steel) berbeda dengan material bagian panas dan dingin (brass). Ketiga bagian diklem dengan erat sehingga kedua pasang permukaan (yang diberi thermal paste) berada dalam kondisi kontak yang baik sehingga membentuk susunan dinding komposit. Aliran kalor (Q) pada kondisi tunak yang melewati ketiga bagian adalah sama, sehingga hukum Fourier dapat diterapkan pada ketiga bagian sebagai berikut: Q k hot . Thot k int . Tint k cold . Tcold A x hot x int x cold
Beda suhu antara bagian ujung (antara termokopel 1 dan 8) dapat ditulis sbb:
T1 - T8
Thot Tint Tcold
Q x hot x int x cold . A k hot k int k cold
atau: Q U . T1 - T8 A
dengan: x hot x int x cold 1 R U k hot k int k cold
Keterangan: U adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan dan 1/U adalah tahanan termal gabungan (R).
Gambar 10. Simbol Parameter & Distribusi Suhu pada Material Kurang Konduktif (Baja Tahan Karat)
C.4 Prosedur Pengujian Prosedur pengujian sebagai berikut :
14
1. Prosedur pengujian analog seperti pada Sub-Modul A & B di atas, hanya di bagian tengah disisipkan spesimen tambahan berupa Stainless Steel (Baja Tahan Karat). 2. Set voltase heater ke posisi 9V, 12V, dan 17V dengan mengatur-atur heater control.
C.5 Pengamatan Data Data-data yang diambil pada pengujian sub-modul 1A ini dapat dilihat pada lampiran Tabel 1C.
C.6 Perhitungan & Analisis Berdasarkan data pengamatan, hitung parameter sebagai berikut: a.
Aliran kalor ke heater
Q V.I b.
Luas penampang perpindahan kalor A
c.
. D2 4
Beda suhu bagian panas hingga bagian dingin T18 T1 - T8
d.
Tahanan termal dinding komposit (ke-3 spesimen) R
x hot x int x cold 1 U k hot k int k cold
Untuk material kuningan (brass) gunakan nilai k hasil pengujian yang didapatkan pada modul sebelumnya. Untuk material stainless steel gunakan nilai k = 25 W/m.oC. e.
Hitung nilai U = 1/R
f.
Koefisien perpindahan kalor keseluruhan hasil eksperimen (Uexp) U exp
Q A . T1 - T8
(masukkan semua perhitungan ke Tabel Perhitungan pada lampiran Tabel 1C). g.
Plot grafik distribusi suhu (grafik T – x) sepanjang dinding komposit.
15
Gambar 11. Distribusi Suhu pada Material Kurang Konduktif (Baja Tahan Karat)
C.7 Problem 1.
Bandingkan nilai U antara cara perhitungan nomor d dan e di atas. Mengapa nilai U dapat berbeda ?
2.
Mengapa pada grafik distribusi suhu, pada material stainless steel lebih curam daripada gradien suhu pada material brass pada bagian panas & dingin ? Apa artinya ?
3.
Bagaimana pengaruh variasi fluks kalor (dengan variasi daya heater) terhadap gradien suhu ?
D. SUB-MODUL D (Konduktivitas Termal) D.1 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian Sub-Modul A ini adalah : 1. Untuk menentukan konduktivitas termal (k) material konduktor.
16
D.2 Skema Peralatan Uji
Gambar 12. Susunan Pengujian Konduksi Linear pada Material Konduktif (Aluminium, Modul 1D) D.3 Dasar Teori
Laju perpindahan kalor pada material di bagian tengah dapat ditulis sbb:
Q k int . A int .
Tint x int
Dengan: Tint Thot face - Tcold face k int
x panjang Aluminium
Q . x int A int . Thot face - Tcold face
Thot face T3 -
T2 - T3
Tcold face T6
2
T6 - T7 2
17
Gambar 13. Simbol Parameter & Distribusi Suhu pada Material Konduktif (Aluminium) D.4 Prosedur Pengujian Prosedur pengujian sebagai berikut : 1. Prosedur pengujian analog seperti pada Sub-Modul A, B & C di atas, hanya di bagian tengah disisipkan spesimen tambahan berupa Aluminium. 2. Set voltase heater ke posisi 9V, 12V, dan 17V dengan mengatur-atur heater control.
D.5 Pengamatan Data Data-data yang diambil pada pengujian sub-modul 1A ini dapat dilihat pada lampiran Tabel 1D.
D.6 Perhitungan & Analisis Berdasarkan data pengamatan, hitung parameter sebagai berikut: a.
Aliran kalor ke heater
Q V.I b.
Luas penampang perpindahan kalor A
c.
. D2 4
Suhu permukaan sisi panas (Thot face) Thot face T3 -
d.
T2 - T3 2
Suhu permukaan sisi dingin (Tcold face)
Tcold face T6
T6 - T7 2
18
e.
Beda suhu antara 2 permukaan (sisi panas & sisi dingin, Tint) Tint Thot face - Tcold face
f.
Konduktivitas termal material Aluminium k int
Q . x int A int . Thot face - Tcold face
(masukkan perhitungan ke Tabel Perhitungan pada lampiran Tabel 1D). g.
Plot grafik distribusi suhu (grafik T – x) sepanjang dinding komposit.
Gambar 14. Distribusi Suhu pada Material Konduktif (Aluminium)
D.7 Problem 1.
Mengapa gradien suhu pada material aluminium cenderung lebih landai daripada untuk material brass pada bagian panas & dingin ? Apa artinya ?
2.
Bagaimana pengaruh fluks kalor terhadap gradien suhu ?
3.
Berapa nilai konduktivitas termal k untuk material aluminium ?
4.
Dari ke-4 modul pengujian yang sudah dilakukan, material mana yang konduktivitas termalnya paling besar & paling kecil ?
E. SUB-MODUL E (Perbandingan Terbalik antara Gradien Suhu terhadap Luas Penampang)
E.1 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian Sub-Modul A ini adalah :
19
1. Untuk mendemonstrasikan bahwa gradien suhu (T/x) berbanding terbalik dengan luas penampang perpindahan kalor (A).
E.2 Skema Peralatan Uji
Gambar 15. Susunan Pengujian Pengaruh Variasi Luas Permukaan Perpindahan Kalor (Modul 1E) E.3 Dasar Teori
Laju perpindahan kalor konduksi linear dapat dituliskan sbb:
Q k.A.
T x
atau
T
Q . x k.A
Sehingga: Thot
Q . x hot k hot . A hot
Tint
Q . x int k int . A int
Tcold
Q . x cold k cold . A cold
20
Gambar 16. Simbol Parameter & Distribusi Suhu pada Pengujian Variasi Luas Permukaan Perpindahan Kalor E.4 Prosedur Pengujian Prosedur pengujian sebagai berikut : 1. Prosedur pengujian seperti pada Sub-Modul A, B,C & D di atas, hanya di bagian tengah disisipkan spesimen tambahan berupa Brass (Kuningan, berdiameter kecil. 2. Set voltase heater ke posisi 9V, 12V, dan 17V dengan mengatur-atur heater control.
E.5 Pengamatan Data Data-data yang diambil pada pengujian sub-modul 1A ini dapat dilihat pada lampiran Tabel 1E.
E.6 Perhitungan & Analisis Berdasarkan data pengamatan, hitung parameter sebagai berikut: a.
Aliran kalor ke heater
Q V.I b.
Luas penampang perpindahan kalor sisi panas A hot
c.
4
Luas penampang perpindahan kalor bagian tengah A red
d.
. D 2hot
. D 2red 4
Beda suhu bagian panas Thot T1 - T3
21
e.
Gradien suhu bagian panas Grad hot
f.
Thot x hot
Suhu permukaan sisi panas (Thot face) Thot face T3 -
d.
T2 - T3
Suhu permukaan sisi dingin (Tcold face)
Tcold face T6 e.
2
T6 - T7 2
Beda suhu antara 2 permukaan (sisi panas & sisi dingin, Tred) Tred Thot face - Tcold face
f.
Gradien suhu bagian tengah Grad red
g.
Tred x red
Rasio gradien suhu Rasio Gradien Suhu
h.
Grad red Grad hot
Rasio luas penampang perpindahan kalor Rasio Luas Penampang
A red A hot
(masukkan perhitungan ke Tabel Perhitungan pada lampiran Tabel 1E). g.
Plot grafik distribusi suhu (grafik T – x) sepanjang dinding komposit.
Gambar 17. Distribusi Suhu pada Pengujian Pengaruh Variasi Luas Permukaan Perpindahan Kalor 22
E.7 Problem 1.
Bagaimana pengaruh perbedaan luas permukaan perpindahan kalor pada distribusi suhu ? Apa arti gradien suhu yang berbeda tersebut ?
2.
Bagaimana pengaruh fluks kalor terhadap distribusi suhu ?
F. SUB-MODUL F (Pengaruh Tahanan Kontak terhadap Konduksi Kalor) F.1 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian Sub-Modul A ini adalah : 1. Untuk mendemonstrasikan pengaruh tahanan kontak (contact resistant) pada konduksi termal antara material yang saling bersinggungan. F.2 Skema Peralatan Uji
Gambar 18. Susunan Pengujian Contact Resistance (Modul 1F)
F.3 Dasar Teori Permukaan suatu benda secara mikro tidaklah datar sehingga jika dua 2 benda datar ditempelkan akan terjadi rongga udara di antara permukaannya. Sehingga rongga udara tersebut akan menyebabkan tahanan kontak (contact resistant) yang menghambat aliran kalor dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Untuk memperbaiki perpindahan kalor, pada 2 permukaan tersebut dioleskan thermal paste yang bersifat konduktif (menghantarkan kalor).
23
Gambar 19. Celah Udara akibat Tidak Adanya Thermal Paste
F.4 Prosedur Pengujian Prosedur pengujian sebagai berikut : 1. Prosedur pengujian seperti pada Sub-Modul A, B, C, D & E di atas, hanya di bagian tengah disisipkan spesimen tambahan berupa Brass (Kuningan, berdiameter besar). 2. Pada kontak permukaan bagian panas (atas), thermal paste dibersihkan / dihilangkan, sedangkan pada kontak permukaan bagian dingin (dingin) diberikan thermal paste. 3. Set voltase heater ke posisi 9V, 12V, dan 17V dengan mengatur-atur heater control.
F.5 Pengamatan Data Data-data yang diambil pada pengujian sub-modul 1A ini dapat dilihat pada lampiran Tabel 1F.
F.6 Perhitungan & Analisis Berdasarkan data pengamatan, hitung parameter sebagai berikut: a.
Aliran kalor ke heater
Q V.I (masukkan perhitungan ke Tabel Perhitungan pada lampiran Tabel 1F). b.
Plot grafik distribusi suhu (grafik T – x) sepanjang spesimen.
24
Gambar 20. Distribusi Suhu pada Pengujian Pengaruh Termal Paste (Contact Resistance)
F.7 Problem 1.
Bagaimana pengaruh pemberian thermal paste terhadap distribusi suhu? Mengapa dapat terjadi demikian ?
2.
Bagaimana pengaruh variasi fluks kalor terhadap distribusi suhu ?
G. SUB-MODUL G (Konduktivitas Termal & Aplikasi untuk Isolator) G.1 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian Sub-Modul A ini adalah : 1. Untuk memahami aplikasi suatu isolator termal (insulation). 2. Untuk menentukan konduktivitas termal (k) suatu isolator.
25
G.2 Skema Peralatan Uji
Gambar 21. Susunan Pengujian Konduksi Linear dengan Isolator (Modul 1G)
G.3 Dasar Teori
Fluks kalor (perpindahan kalor per satuan luas) dapat dituliskan sbb :
Q k ins .
Tins x ins
dengan :
Tins Thot face - Tcold face
Sehingga: k ins
Q
A ins . Thot face - Tcold face
Thot face T3 -
indeks ins insulation (isolator)
T2 - T3
Tcold face T6
2
T6 - T7 2
26
Gambar 22. Parameter & Distribusi Suhu pada Isolator
G.4 Prosedur Pengujian Prosedur pengujian sebagai berikut : 1. Prosedur pengujian seperti pada Sub-Modul A, B, C, D, E & F di atas, hanya di bagian tengah disisipkan spesimen tambahan berupa Isolator (Kertas & Karet). 2. Pada kontak permukaan bagian panas (atas) dan bagian dingin (dingin) dibersihkan dari thermal paste. 3. Set voltase heater ke posisi 1,5V dan 12V dengan mengatur-atur heater control.
G.5 Pengamatan Data Data-data yang diambil pada pengujian sub-modul 1A ini dapat dilihat pada lampiran Tabel 1G.
G.6 Perhitungan & Analisis Berdasarkan data pengamatan, hitung parameter sebagai berikut: a.
Aliran kalor ke heater
Q V.I b.
Luas penampang perpindahan kalor A
c.
2 . D ins
4
Suhu permukaan sisi panas (Thot face)
Thot face T3 -
T2 - T3 2 27
d.
Suhu permukaan sisi dingin (Tcold face) Tcold face T6
e.
T6 - T7 2
Beda suhu antara 2 permukaan (sisi panas & sisi dingin, Tins) Tins Thot face - Tcold face
f.
Konduktivitas termal material isolator k ins
Q . x ins A ins . Tins
(masukkan perhitungan ke Tabel Perhitungan pada lampiran Tabel 1G). g.
Plot grafik distribusi suhu (grafik T – x) sepanjang spesimen.
Gambar 23. Contoh Distribusi Suhu pada Isolator
G.7 Problem 1.
Bagaimana distribusi suhu yang terjadi pada isolator ? Mengapa dapat terjadi demikian ?
2.
Berapa nilai konduktivitas termal material kertas & karet (ambil pada menit ke-5 yang diasumsikan sudah tunak) ?
3.
Bandingkan nilai k material karet & kertas dengan nilai k untuk material kuningan, stainless steel, & aluminium ! Apa artinya ?
28
MODUL 2 PENGUKURAN KONDUKTIVITAS THERMAL FLUIDA
2.1 DASAR TEORI Perpindahan kalor adalah perpindahan energi panas yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur. Perpindahan kalor dapat terjadi dengan tiga mekanisme: konduksi, konveksi, dan radiasi. Konduksi adalah perpindahan kalor yang terjadi tanpa adanya gerakan makroskopis dari mediumnya. Konduksi tidak hanya dapat terjadi pada medium padat saja. Konduksi dapat terjadi juga pada medium cair atau gas asalkan cairan atau gas tersebut dalam kondisi diam. Masing-masing jenis medium memiliki kemampuan memindahkan kalor secara konduksi yang berbeda-beda sebagaimana ditunjukkan pada grafik di Gambar 24. Kemampuan suatu medium untuk memindahkan kalor secara konduksi disebut sebagai konduktivitas thermal.
Gambar 24. Variasi konduktivitas thermal berbagai jenis benda padat, cair, dan gas pada berbagai temperatur
Data konduktivitas thermal dari suatu benda (padat, cair, ataupun gas) sangat berguna dalam perhitungan laju perpindahan kalor konduksi yang dapat dilakukan dengan menggunakan
29
persamaan 2.1.
Selain itu, data konduktivitas thermal fluida dapat juga digunakan dalam
perhitungan angka Nusselt suatu aliran, sebagaimana ditunjukkan pada persamaan 2.2.
... (2.1)
... (2.2)
2.2 METODE EKSPERIMEN 2.2.1. Bahan Bahan yang digunakan dalam pengukuran konduktivitas thermal dalam praktikum ini adalah air mineral dan udara.
2.2.2 Alat Alat yang digunakan untuk menguji konduktivitas termal fluida ini adalah : 1.
Thermal Conductivity of Liquids And Gases Unit.
2.
Suntikan
3.
Kran air
1.
Thermal Conductivity of Liquids And Gases Unit. Thermal Conductivity of Liquids And Gases Unit adalah alat yang dikeluarkan oleh P.A. Hilton LTD H111H yang berfungsi untuk mengetahui konduktivitas termal suatu fluida cair dan gas. Thermal Conductivity of Liquids And Gases Unit terdiri dari dua bagian yaitu Modul dan Heater a. Heat Transfer Unit Heat transfer unit adalah alat untuk mendeteksi dan membaca suhu dari heater melalui thermocouple yang dihubungkan dari heater ke Heat transfer unit dan mengatur arus dan voltase.
30
Gambar 25. Heat transfer unit b. Heater. Heater adalah alat untuk memanaskan fluida uji, mempunyai dua thermocouple plug dan jacket yang akan dihubungkan ke Heat transfer unit sehingga temperatur Plug (T1), dan jacket (T2) akan terbaca oleh Heat transfer unit.
Gambar 26. Heater
31
32
dh Gambar 3.4. Skema Seksi Uji
Gambar 27. Plug and Jacket Assembly
Gambar 28. Bagian-bagian Heater Bagian – bagian Heater 1. Cooling water in/out
7.
2. Jacket
8. Test fluid inlet
3. Thermocouple T2 Jacket
9. O ring
4. Test Fluid Vent
10. Cooling water in/out
5. Thermocouple T1 Plug
11. Penutup Heater
6. Dudukan/penyangga heater
12. Plug
Diameter Jacket
= 39,6 mm
Diameter Plug
= 39 mm
Panjang efektif plug dan jacket
= 108,6 mm
Baut pengunci
33
2. Suntikan Suntikan digunakan untuk memasukkan fluida uji kedalam heater, suntikan yang digunakan adalah suntikan yang berkapasitas 60 ml.
Gambar 29. Suntikan
3. Kran air Kran air digunakan untuk mengalirkan pendingin ke dalam heater pada saat pengujian.
1.2.3
Prosedur Pengujian Pengukuran konduktivitas thermal fluida dilakukan dengan prosedur sebagai berikut : 1.
Siapkan bahan uji yang berupa air mineral
2.
Siapkan alat thermal conductivity of liquid and gasses dan suntikan.
3.
Rangkai / hubungkan bagian-bagian alat dan mengalirkan pendingin.
4.
Masukkan salah satu fluida yang akan diuji ke dalam heater dengan menggunakan suntikan.
5.
Nyalakan Heat transfer unit untuk memanaskan fluida didalam heater.
6.
Variasi temperatur plug (T1) dengan temperatur 40oC, 50oC, dan 60oC dengan mengatur suplai daya listrik heater
7.
Catat data temperatur jacket (T2) , arus (I), dan voltase (V) yang terbaca pada Heat transfer unit di tabel pengambilan data yang ada di Tabel 2A modul ini.
34
8.
Matikan Heat transfer unit
9.
Kuras bahan uji di dalam heater hingga bersih supaya tidak terjadi pencampuran fluida apabila akan melakukan pengujian dengan fluida lain, dan supaya heater tidak berkarat.
2.2.4 Analisa Data Pada proses penelitian ini terjadi variasi suhu Plug (T1) , suhu jacket (T2), Voltase dan Arus. Hasil pengamatan tersebut dihitung dengan rumus-rumus sebagai berikut : (2.3) (2.4) (2.5)
(2.6)
Keterangan : T1 T2 V I Qe ∆t ∆r Qi Qc A k
= Temperatur plug (0C) = Temperatur Jacket (0C) = Voltage (V) = Current (A) = Elemen Heat input (W) = Temperatur different (K) = radial clearance (mm) = 0.34 mm = Incidental heat transfer rate (W) = Conduction Heat Transfer Rate (W) = Luas efektif antara flug dan jacket (m2) = 0.0133 m2 = Thermal conductivity (W/m.k)
Qi adalah seluruh perpindahan kalor dari unsur-unsur yang terdapat dalam heater yang digunakan untuk memanaskan plug. Nilai Qi dapat dilihat pada grafik kalibrasi yang terdapat di Grafik 1 (lampiran).
35
2.3. PEMBAHASAN DATA HASIL EKSPERIMEN Tampilkan data variasi konduktivitas thermal air dan udara di dalam dua grafik yang berbeda. Di masing-masing grafik tersebut tampilkan juga kurva konduktivitas thermal yang didapatkan dari tabel properties thermal fluida dari buku ”Heat Transfer A Practical Approach” karya Yunus Cengel. Bandingkanlah kurva konduktivitas thermal hasil pengukuran di praktikum ini dengan kurva kurva konduktivitas thermal dari tabel properties tersebut. Jelaskanlah faktorfaktor apa sajakah yang menyebabkan terjadinya perbedaan harga konduktivitas thermal tersebut.
36
LAMPIRAN
37
38
39
40
41
42
Grafik 1 Kalibrasi Qi
43
