PENGARUH KOEFISIEN PERPINDAHANKALOR KONVEKSI DAN BAHAN TERHADAP LAJU ALIRAN KALOR, EFEKTIVITAS DAN EFISIENSI SIRIP DUA DIMENSI KEADAAN TAK TUNAK

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

i

PENGARUH KOEFISIEN PERPINDAHANKALOR KONVEKSI DAN BAHAN TERHADAP LAJU ALIRAN KALOR, EFEKTIVITAS DAN EFISIENSI SIRIP DUA DIMENSI KEADAAN TAK TUNAK TUGAS AKHIR Untuk memenuhi sebagian persyaratan Memperoleh gelar Sarjana Teknik

Diajukan oleh : ANTONIUS MONTANUS DEE NIM : 095214042

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2016 i


ii

THE EFFECT OF CONVECTION HEAT TRANSFER COEFFICIENT AND MATERIAL TO THE HEAT TRANSFER, EFFECTIVENESS AND EFFICIENCY ON TWO DIMENTIONAL FIN ON UNSTEADY STATE CASE FINAL ASSIGNMENT Presented as partial fulfillment of the requirement as to obtain the SarjanaTeknik Degree in Mechanical Engineering

by

ANTONIUS MONTANUS DEE Student Number : 095214042

MECHANICAL ENGINEERING PROGRAM MECHANICAL ENGINERING DEPARTMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2016 ii


iii


iv


v


vi

INTISARI

Sirip banyak digunakan di motor bakar, peralatan elektronik, alat penukar kalor dll. Penggunaan sirip sangat luas dan penting. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh bahan sirip dan pengaruh nilai koefisien perpindahan kalor konduksi terhadap waktu yang diperlukan sirip untuk mencapai keadaan tunak, laju aliran kalor, efisiensi dan efektivitas sirip. Benda uji berupa sirip utuh dengan ukuran 20 cm x 20 cm x 0,1 cm dengan ukuran dasar sirip 10 cm x 10 cm yang berada di tengah sirip. Variasi bahan yang digunakan berupa tembaga, alumunium, besi dan nikel. Sirip dikondisikan pada lingkungan dengan suhu awal sirip (To) 30 oC, suhu dasar sirip (Tdasar) 100 oC dan suhu fluida disekitar sirip (Tf) 30 oC dengan variasi nilai koefisien perpindahan kalor konveksi yaitu 25 W/m2 oC, 50 W/m2 oC, 100 W/m2 o C dan 200 W/m2 oC. Asumsi yang digunakan adalah perpindahan kalor konduksi terjadi pada dua arah yaitu arah X dan arah Y, suhu disekitar sirip tetap dan merata dari waktu ke waktu dan selama proses sirip tidak berubah bentuk. Perhitungan penelitian dilakukan secara komputasi dengan metode beda hingga cara eksplisit. Dari hasil perhitungan dan analisa pembahasan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa untuk nilai koefisien perpindahan panas konveksi 50 W/m2 oC (a) waktu yang diperlukan sirip berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel untuk mencapai keadaan tunak berturut turut adalah 45 detik, 47 detik, 83 detik dan 87 detik, (b) laju aliran kalor yang dilepas sirip berbahan berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel berturut turut adalah 160 W, 133 W, 86 W dan 97 W, (c) efisiensi sirip berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel berturut turut adalah 75%, 62%, 41% dan 46 %, (d) efektivitas sirip berbahan berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel berturut turut adalah 115, 95, 62 dan 69. Untuk sirip tembaga (e) waktu yang diperlukan untuk mencapai keadaan tunak dengan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 W/m2 oC, 50 W/m2 oC, 100 W/m2 oC dan 200 W/m2 oC berturut-turut adalah 52 detik, 45 detik, 37 detik dan 27 detik, (f) laju aliran kalor yang dilepas sirip dengan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 W/m2 oC, 50 W/m2 oC, 100 W/m2 oC dan 200 W/m2 oC berturutturut adalah 91 W, 160 W, 263 W dan 401 W, (g) efisiensi sirip dengan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 W/m2 oC, 50 W/m2 oC, 100 W/m2 oC dan 200 W/m2 oC berturut-turut adalah 86%, 76%, 62% dan 47%, (h) efektivitas sirip dengan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 W/m2 oC, 50 W/m2 oC, 100 W/m2 oC dan 200 W/m2 oC berturut-turut adalah 130, 115, 94 dan 72. Kata kunci: sirip, laju aliran kalor, efisiensi, efektivitas

vi


vii


viii

KATA PENGANTAR Puji dan syukur senantiasa kepada Tuhan Yang Maha Esa karena rahmat yang diberikan dalam penyusunan Tugas Akhir ini sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik. Tugas Akhir ini merupakan sebagai salah satu syarat yang wajib untuk setiap mahasiswa Jurusan Teknik Mesin. Tugas Akhir ini dilaksanakan dalam rangka memenuhi syarat untuk mendapatkan gelar sarjana S-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Berkat bimbingan, dukungan dan nasihat dari berbagai pihak, akhirnya Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Pada kesempatan ini dengan segenap kerendahan hati penulis menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Sudi Mungkasi, Ph. D., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. 2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta dan Dosen Pembimbing Tugas Akhir. 3. Wibowo Kusbandono, S.T., M.T., selaku Dosen pembimbing akademik. 4. Michael Dee dan Roberta Mai selaku orang tua penulis, karena kebaikan dan kerendahan hati memberikan semangat pada penulis. Keluarga penulis yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah mendukung penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir.

viii


ix

5. Yulius Martinus Dee yang telah membantu dalam pengetikan tulisan ini. 6. Teman-teman Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma dan teman-teman lainnya yang tidak dapat disebutkan satu per satu, terima kasih atas segala bantuanya. Penulis menyadari dalam penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Segala kritik dan saran yang membangun akan sangat penulis harapkan demi penyempurnaan dikemudian hari. Akhir kata seperti yang penulis harapkan semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua.

Yogyakarta, 12 Februari 2016

Penulis

ix


x

DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL...............................................................................................i TITLE PAGE.........................................................................................................ii HALAMAN PENGESAHAN...............................................................................iii DAFTAR DEWAN PENGUJI ............................................................................iv PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ..................................................v INTISARI .............................................................................................................vi LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ..........................................vii KATA PENGANTAR ........................................................................................viii DAFTAR ISI ..........................................................................................................x DAFTAR GAMBAR ..........................................................................................xiii DAFTAR TABEL ..............................................................................................xiv BAB I PENDAHULUAN ......................................................................................1 1.1

Latar Belakang...........................................................................................1

1.2

Rumusan Masalah......................................................................................2

1.3

Tujuan........................................................................................................2

1.4

Batasan Masalah........................................................................................3

1.5

Manfaat Penelitian.....................................................................................4

BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA ....................................5 2.1

Perpindahan Kalor.....................................................................................5

x


xi

2.1.1 Kalor..........................................................................................................5 2.1.2 Perpindahan Kalor Konduksi.....................................................................5 2.1.3 Perpindahan Kalor Konveksi.....................................................................6 2.2

Sirip..........................................................................................................11

2.2.1 Efisiensi Sirip...........................................................................................11 2.2.2 Efektivitas Sirip.......................................................................................12 2.3

Tinjauan Pustaka......................................................................................13

BAB III METEDOLOGI PENELITIAN ..........................................................15 3.1

Diagram Alur Penelitian..........................................................................15

3.2

Alat Penelitian..........................................................................................16

3.3

Objek Penelitan........................................................................................16

3.4

Variabel Penelitian...................................................................................17

3.5

Penurunan Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol...........................17

3.5.1 Penurunan Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol Di Tengah Sirip..........................................................................................................18 3.5.2 Penurunan Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol Di Rusuk Sirip........................... ..............................................................................21 3.5.3 Penurunan Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol Di Sudut Sirip..........................................................................................................24 3.6

Metode Penelitian....................................................................................27

3.7

Cara Pengambilan Data, Pengolahan dan Pembahasan...........................28

3.8

Pengambilan Kesimpulan dan Saran........................................................28 xi


xii

BAB IV DATA DAN PEMBAHASAN ..............................................................29 4.1

Data Pengamatan......................................................................................29

4.1.1 Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Laju Aliran Kalor, Efisiensi dan Efektivitas Sirip.......................................................................................29 4.1.2 Pengaruh Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap Laju Aliran Kalor, Efisiensi dan Efektivitas Sirip..................................32 4.2

Pembahasan..............................................................................................34

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ..............................................................43 5.1

Kesimpulan..............................................................................................43

5.2

Saran........................................................................................................44

DAFTAR PUSTAKA ..........................................................................................46 LAMPIRAN .........................................................................................................47

xii


xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Ukuran Sirip ................................................................................ .......4 Gambar 2.1 Perpindajhan Kalor Secara Konduksi .................................................6 Gambar 3.1 Diagram Alur Penelitian .................................................................. 14 Gambar 3.2 Sirip yang Akan Diteliti ................................................................... 16 Gambar 3.3 Node-node Pada Seperempat Bagian Sirip ...................................... 18 Gambar 3.4 Volume Kontrol dan Perpindahan Kalor Di Node Posisi Tengah ... 19 Gambar 3.5 Volume Kontrol dan Perpindahan Kalor Di Node Posisi Rusuk ..... 22 Gambar 3.6 Volume Kontrol dan Perpindahan Kalor Di Node Posisi Sudut ...... 25 Gambar 4.1 Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Kalor Yang Dilepas Sirip ............ 36 Gambar 4.2 Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Efisiensi Sirip .............................. 37 Gambar 4.3 Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Efektivitas Sirip ........................... 38 Gambar 4.4 Pengaruh Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap Kalor Yang Dilepas Sirip ................................................................. 39 Gambar 4.5 Pengaruh Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap Efisiensi Sirip ................................................................................... 40 Gambar 4.6 Pengaruh Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap Efektivitas Sirip...................... ......................................................... 41

xiii


xiv

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1

Bilangan Nusselt Untuk Dinding Vertikal ............................................10

Tabel 4.2

Sifat Bahan Sirip yang Diuji Dalam Penelitian ....................................29

Tabel 4.2

Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Laju Aliran Kalor Sirip Dari Waktu ke Waktu ...................................................................................30

Tabel 4.3

Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Efisiensi Sirip Dari Waktu ke Waktu............. .......................................................................................31

Tabel 4.4

Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Efektivitas Sirip Dari Waktu ke Waktu..................... ...............................................................................31

Tabel 4.5

Pengaruh Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap Laju Aliran Kalor Sirip Berbahan Tembaga Dari Waktu Ke Waktu.......... ..........................................................................................33

Tabel 4.6

Pengaruh Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap Efisiensi Sirip Berbahan Tembaga Dari Waktu Ke Waktu ..................33

Tabel 4.7

Pengaruh Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap Efektivitas Sirip Berbahan Tembaga Dari Waktu Ke Waktu ...............34

xiv


1

BAB I PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang Sirip adalah suatu instrumen penting yang sering dijumpai sehari-hari.

Fungsi sirip sendiri adalah untuk memperluas permukaan agar laju perpindahan kalor secara konveksi semakin besar. Contoh penggunaan sirip dapat dilihat pada motor bakar, alat-alat elektronik, alat-alat penukar kalor seperti kondensor, evaporator, dan radiator. Pada motor bakar dengan adanya sirip laju perpindahan konveksi semakin besar sehingga suhu dari piston bisa terjaga. Bila suhu dari piston terlalu tinggi maka akan terjadi pemuaian piston yang dapat membuat piston tidak dapat bergerak bila tanpa adanya oli. Pada alat-alat elektronik dengan adanya sirip membuat suhu dari komponen-komponennya dapat terjaga sehingga tidak terjadi kendala saat beroperasi. Pada alat penukar kalor semakin besar laju perpindahan konveksi semakin meningkat performanya dan hal ini bisa diperoleh dengan bantuan sirip. Melihat dari pentingnya penggunaan sirip yang sudah dipaparkan di atas, penulis merasa tertarik untuk melakukan penelitian tentang sirip. Penelitian yang penulis lakukan adalah penelitian secara komputasi. Dibandingkan dengan penelitian

yang dilakukan secara eksperimen di laboratorium, penelitian

1


2

komputasi lebih memberikan keuntungan seperti: lebih murah, lebih cepat dan bisa dilakukan dimana saja. Selain itu belum banyak refrensi tentang perhitungan efisiensi dan efektivitas sirip dengan menggunakan metode komputasi 1.2

Rumusan Masalah Kesulitan utama dalam proses perpindahan kalor pada sirip adalah

penyelesaian perhitungan besarnya laju aliran kalor, efisiensi, dan efektivitas sirip. Penelitian ini ditujukan untuk mengetahui besarnya perpindahan kalor, efektivitas sirip dan efisiensi sirip dengan metode komputasi beda-hingga secara eksplisit. 1.3

Tujuan Tujuan dari penelitian ini adalah:

a.

Membuat program untuk dipergunakan dalam perhitungan distribusi suhu, perpindahan kalor, efektivitas dan efisiensi sirip.

b.

Mengetahui pengaruh bahan sirip terhadap waktu yang diperlukan sirip untuk mencapai keadaan tunak.

c.

Mengetahui pengaruh bahan sirip terhadap besar laju aliran kalor yang dilepas sirip.

d.

Mengetahui pengaruh bahan sirip terhadap besar efisiensi sirip.

e.

Mengetahui pengaruh bahan sirip terhadap besar efektivitas sirip.

f.

Mengetahui pengaruh nilai koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap waktu yang diperlukan sirip untuk mencapai keadaan tunak.

g.

Mengetahui pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap besar laju aliran kalor yang dilepas sirip.


3

h.

Mengetahui pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap besar efisiensi sirip.

i.

Mengetahui pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap besar efektivitas sirip.

1.4

Batasan Masalah Batasan masalah dari penelitian ini adalah:

a.

Sirip yang diteliti adalah sirip dua dimensi

b.

Penelitian dilakukan dengan asumsi: Kondisi tak tunak atau suhu sirip berubah dari waktu ke waktu Sifat-sifat bahan sirip di setiap posisi tetap, tidak berubah terhadap suhu. Selama proses, sirip tidak berubah-ubah bentuk. Suhu lingkungan sirip tidak berubah-ubah Perpindahan kalor secara radiasi diabaikan

c.

Sirip yang diteliti memiliki panjang 20 cm, lebar 20 cm dan tebal 0,1 cm sesuai dengan Gambar 1.1

Gambar 1.1 Ukuran sirip


4

1.5

Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini adalah:

a.

Hasil penelitian dapat dipergunakan untuk menambah kasanah ilmu pengetahuan dan sebagai refrensi yang ditempatkan di perpustakaan Perguruan Tinggi

b.

Menjadi acuan pemilihan sirip berdasarkan efektivitas dan efisiensi yang dihasilkan.


5

BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA 2.1.

Perpindahan Kalor

2.1.1. Kalor Kalor adalah energi yang dipindahkan di antara sistem fisika dengan lingkungannya akibat perbedaan temperatur. Ada tiga cara proses perpindahan kalor, secara konduksi, secara konveksi dan secara radiasi. 2.1.2. Perpindahan Kalor Konduksi Perpindahan kalor konduksi yaitu perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut, yang dapat dirumuskan dengan persamaan (2.1)

q = k.A.

....................................................................................................... (2.1)

Pada persamaan (2.1) k

= konduktivitas thermal (

)

A

= luas penampang (

ΔT

= beda suhu permukaan 1 dan permukaan 2 dari benda (

)

= T1 – T2 Δx

= tebal benda (m)

5


6

A k T1 T2

q ∆x

Gambar 2.1 Perpindahan kalor secara konduksi Perpindahan kalor konduksi dapat berlangsung pada benda padat, cair, dan gas. Untuk perpindahan pada zat cair dan gas, syaratnya adalah dalam keadaan diam. 2.1.3. Perpindahan Kalor Konveksi Perpindahan kalor konveksi yaitu perpindahan kalor pada suatu zat yang disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut. Perpindahan kalor konveksi dapat terjadi pada fluida mengalir (zat cair dan gas). Perpindahan kalor konveksi terdiri dari dua macam yaitu perpindahan kalor konveksi paksa dan perpindahan kalor konveksi bebas. a.

Perpindahan Kalor Konveksi Paksa Perpindahan kalor konveksi paksa ditandai dengan adanya fluida yang

bergerak disebabkan oleh peralatan bantu. Alat bantu untuk menggerakan fluida dapat berupa kipas angin, blower, pompa dll. Prosedur untuk menghitung laju perpindahan panas konveksi paksa adalah:


7

Menentukan jenis aliran laminar atau turbulen dengan menghitung bilangan Reynold yang dirumuskan dengan persamaan (2.2) Re =

.........................................................................

(2.2)

syarat aliran laminar Re< 100.000 syarat aliran turbulen 500.000
= bilangan reynold

ρ

= massa jenis fluida (kg/m3)

U∞

= kecepatan fluida (m/det)

L

= panjang (m)

μ

= viskositas (kg/m.s) Menghitung nilai bilangan Nusselt Untuk aliran laminar perhitungan bilangan Nusselt mempergunakan persamaan (2.3) Nu= 0,664 Re1/2 Pr1/3 .................................................................................. (2.3) Untuk aliran turbulen perhitungan bilangan Nusselt mempergunakan persamaan (2.4) Nu =( 0,037 Re4/5 – 871)Pr1/3 ..................................................................... (2.4)


8

Pada persamaan( 2.3) dan (2.4): Nu = bilangan Nusselt Re = bilangan Reynold Pr

= bilangan Prandtl

Menghitung nilai koefisien perpindahan panas konveksi menggunakan persamaan (2.5)

h=

...................................................................................... (2.5)

Pada persamaan (2.5) h

= Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 oC)

Nu = bilangan Nusselt L

= panjang dinding (m)

kf

= Koefisien perpindahan panas konduksi fluida (W/oC)

Menghitung laju perpindahan kalor konveksi paksa menggunakan persamaan (2.6) q = h A (Ts - T∞) .......................................................................................... (2.6) Pada persamaan (2.6): q

= laju perpindahan kalor konveksi paksa (Watt)

h

= koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m2oC)

A

= luas permukaan yang bersentuhan dengan fluida (m2)


9

Ts = suhu benda (oC) T∞ = suhu fluida (oC) b. Perpindahan Kalor Konveksi Bebas Perpindahan kalor konveksi bebas ditandai dengan adanya fluida bergerak yang disebabkan karena perbedaan massa jenisnya. Jadi pergerakan aliran fluida tidak disebabkan karena adanya alat bantu pergerakan. Prosedur untuk menghitung laju pepindahan kalor konveksi bebas adalah: Menghitung Rayleigh number yang dinyatakan dengan persamaan (2.7) Ra =Gr Pr =

β=

........................................................... (2.7a)

, dengan Tf =

......................................................(2.7b)

Pada persamaan (2.7): g

= percepatan grafitasi (9,81 m/s2)

δ

= panjang karakteristik (m)

Ts = suhu dinding (oC) T∞ = suhu fluida (oC) v

= viskositas kinematik (m2/detik)

Pr = bilangan prandtl


10

Menghitung bilangan Nusselt

Tabel 2.1 Bilangan Nusselt untuk dinding vertikal

Geometri

Panjang Karekteristik

Ts

Ra

Nusselt (Nu)

104 s.d 109

Nu = 0,59

109 sd 1013

Nu = 0,1

L

δ=L

Untuk semua Ra Nu =

*koompleks tetapi lebih akurat

Menghitung koefisien perpindahan kalor sesuai dengan persamaan (2.8) h=

.......................................................................................................... (2.8)

Pada persamaan (2.8):

h

= koefisien perpidahan kalor konveksi (W/m2 oC)

k

= koefisien perpindahan kalor konduksi fluida (W/ m oC)

Menghitung laju perpindahan kalor konveksi bebas sesuai persamaan (2.9) q = h A (Ts - T∞)........................................................................................... (2.9)


11

Pada persamaan (2.9): q

= laju peprpindahan kalor konveksi bebas (q)

h

= koefisien perpidahan kalor konveksi (W/m2 oC)

A

= luas permukaan yang besentuhan dengan fluida (m2)

Ts = suhu benda (oC) T∞ = suhu fluida (oC)

2.2.

Sirip Fungsi sirip (fin) secara umum adalah untuk memperluas permukaan

benda, agar laju perpindahan kalor konveksi dapat diperbesar, sehingga dapat mempercepat proses pelepasan panas.

2.2.1. Efisiensi Sirip Efisiensi sirip merupakan perbandingan antara panas sesungguhnya yang dilepas sirip dengan kalor maksimum yang dapat dilepas sirip atau dapat dinyatakan dengan persamaan (2.10) η=

=

.............................................................................. (2.10)

Pada persamaan (2.10): η

= Efisiensi sirip

qactual

= panas sesungguhnya yang dilepas sirip (Watt)

qmax

= panas maksimal yang dilepas sirip (Watt)


12

h

= koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m2 oC)

A

= luas permukaan yang bersentuhan dengan fluida (m2)

Ts T∞

= suhu benda (oC) = suhu fluida (oC)

2.2.2. Efektivitas Sirip Efektivitas sirip merupakan perbandingan

panas yang dilepas seluruh

permukaan benda bersirip dengan permukaan benda jika tanpa sirip. Efektivitas sirip dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.11) ε=

=

............................................................ (2.11)

Pada Persamaan (2.11): ε

= efektivitas sirip

qactual = panas sesungguhnya yang dilepas sirip (Watt) qnofin

= panas yang dilepaskan tanpa sirip (Watt)

h

= koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m2 oC)

Anofin = luas benda jika tanpa sirip (m2) Ts

= suhu benda (oC)

T∞

= suhu fluida (oC)


13

2.3.

Tinjauan Pustaka Nuryanto (2002) meneliti tentang laju perpindahan kalor dan efektivitas

pada sirip tiga dimensi keadaan tak tunak. Tujuan penelitian untuk menentukan besarnya laju perpindahan kalor yang dilepas sirip dan efektivitas sirip pada keadaan tak tunak dengan berbagai nilai koefisien perpindahan kalor konveksi dan berbagai bahan sirip. Perpindahan konduksi pada sirip ditinjau dalam tiga dimensi (arah x, arah y dan arah z). Penelitian dilakukan secara komputasi. Hasil penelitian menujukkan semakin besar nilai perpindahan kalor konveksi semakin besar laju aliran kalor yang dilepas sirip dan semakin kecil nilai efektivitas sirip. Yohana (2004) meneliti tentang laju perpindahan kalor dan efektivitas pada sirip tiga dimensi keadaan tak tunak. Tujuan penelitian untuk mengetahui laju aliran kalor dan efektivitas sirip tiga dimensi pada keadaan tak tunak pada sirip berongga. Perpindahan konduksi pada sirip ditinjau dalam tiga dimensi (arah x, arah y dan arah z). Penelitian dilakukan secara komputasi. Hasil penelitian: (a) Semakin besar nilai koefisien konveksi di luar sirip (h1) maka semakin besar laju perpindan kalor dan efektivitas menurun. (b) semakin besar nilai koefisien konveksi di dalam sirip (h2) maka laju perpindahan dan efektivitas sirip semakin besar. (c) semakin besar nilai h1 =h2 maka laju perpindahan kalor dan efektivitas sirip semakin kecil. (d) Sifat bahan sirip mempengaruhi laju aliran kalor dan efektivitas sirip. Andi (2012) meneliti tentang Perbandingan laju perpindahan kalor, efisiensi dan efektivitas sirip dua dimensi utuh dan berlubang pada keadaan tak


14

tunak. Tujuan penelitian untuk mengetahui perbandingan laju aliran kalor, efisiensi dan efektivitas sirip antara sirip berlubang dan sirip utuh. Perpindahan konduksi pada sirip ditinjau dalam dua dimensi (arah x dan arah y). Hasil penelitian (a) Besar laju perpindahan kalor pada sirip utuh lebih tinggi dibandingkan dengan laju perpindahan kalor sirip berlubang. (b) Efisiensi sirip utuh lebih besar dari efisiensi sirip berlubang. (c) Efektivitas sirip utuh lebih besar dibanding dengan efektivitas sirip berlubang.


15

BAB III METEDOLOGI PENELITIAN 3.1. Diagram Alur Penelitian Diagram alur penelitian disajikan pada Gambar 3.1 di bawah ini Mulai

menentukan bentuk sirip yang akan diteliti

Diskritisasi pada sirip Pernurunan persamaan numerik pada setiap node untuk kasus dua dimensi

Membuat program untuk menghitung distribusi suhu pada sirip sesuai dengan persamaan

Membuat program untuk menghitung kalor yang dilepas sirip

Menghitung efisiensi dan efektivitas sirip dengan mengubah nilai h dan variasi bahan agar mendapat efektivitas dan efisiensi yang berbeda sesuai nilai h dan Menganalisis, menarik kesimpulan dan membuat saran

Selesai Gambar 3.1 Diagram Alur Penelitian

15


16

3.2. Alat Penelitian Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini : a.

b.

Komputer portable dengan spesifikasi Merk

: Compaq

Tipe

: 510

Prosesor

: Intel core duo

Software Microssoft Office Excel 2007

3.3. Objek Penelitian Objek penelitian ini adalah sebuah sirip yang memiliki ukuran panjang 20 cm, lebar 20 cm dan tebal 0,1 cm sesuai Gambar 3.2 .

(a)

(b)

Gambar 3.2 Sirip yng akan diteliti (a) tampak atas, (b) tampak samping


17

3.4. Variabel Penelitian Variabel pada penelitian ini dibagi menjadi tiga yaitu : a.

Variabel tetap yaitu variabel yang dipertahankan tetap ; Suhu pipa kalor/suhu dasar (Tb) Suhu udara sekitar (Tf) Suhu awal sirip (To)

b.

Variabel tak tetap yaitu variabel yang sengaja diubah-ubah Nilai h Nilai k

c.

Variabel yang diamati yaitu variabel yang dibandingkan dan diamati sesuai perubahan variabel tak tetap Distribusi suhu pada setiap node pada setiap perubahan waktu Laju perpindahan kalor pada setiap node Efisiensi Efektivitas

3.5. Penurunan Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol Penyelesaian metode komputasi diselesaikan dengan membagi sirip menjadi elemen-elemen kecil. Pada pengujian ini dinyatakan bahwa dx = dy = 1cm. Untuk mempermudah penelitian, sirip yang diamati hanya seperempat bagianya saja, sehingga sirip dapat dibagi menjadi 96 volume kontrol seperti yang tersaji pada Gambar 3.3


18

1

2

3

12 23 34 45 56 67 73 79 85 91

13 24 35 46 57 68 74 80 86 92

14 25 36 47 58 69 75 81 87 93

4

15 26 37 48 59 70 76 82 88 94

5

6

7

8

9

10

11

16 27 38 49 60 71 77 83 89 95

17 28 39 50 61 72 78 84 90 96

18 29 40 51 62

19 30 41 52 63

20 31 42 53 64

21 32 43 54 65

22 33 44 55 66

Gambar 3.3 Node-node pada seperempat bagian sirip Penurunan persamaan numerik berdasarkan pada prinsip kesetimbangan energi pada setiap volume kontrol. Pada pengujian ini volume kontrol dengan nomor 61, 62, 63, 64, 65, 66, 72, 78, 84, 90 dan 96 berada pada dasar sirip. Sehingga volume kontrol pada dasar sirip tidak dilakukan penurunan persamaan numerik karena suhu pada volume kontrol tersebut sama dengan suhu pada dasar sirip. Maka penurunan persamaan numerik dilakukan pada volume kontrol yang berada di tengah sirip, rusuk sirip dan sudut sirip 3.5.1

Persamaan numerik pada volume kontrol di tengah sirip Volume kontrol di tengah sirip adalah volume kontrol yang tidak

bersinggungan dengan udara sekitar pada arah x dan y seperti yang tersaji pada gambar 3.3 di atas. Volume kontrol yang berada ditengah sirip antara lain volume kontrol dengan nomor 13 s/d 22, 24 s/d 33, 35 s/d 44, 46 s/d 55, 57 s/d 60 68 s/d 71, 74 s/d 77, 80 s/d 83, 86 s/d 89, 92 s/d 95. Pada volume kontrol posisi tengah


19

perpindahan kalor konduksi terjadi pada arah sumbu x dan sumbu y yaitu q 1 s/d q4 sedangkan perpindahan kalor konveksi terjadi pada arah sumbu z (dari arah atas dan bawah) yaitu q5 dan q6, seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.4

(a)

(b)

Gambar 3.4 Volume kontrol dan perpindahan kalor di node posisi tengah (a) Tampak atas (b) tampak samping


20

Sehingga dapat diketahui nilai

q1 = k A1 (

)

q2 = k A2 (

)

= k (dy t) (

= k (dy t) (

)

)

= k (dx t) (

= k (dx t) (

q3 = k A3 (

)

= k (dx t) (

)

q4 = k A4 (

)

= k (dx t) (

)

) .............. (3.1)

) ............................. (3.2)

=k (dx t) (

) ............ (3.3)

= k (dx t) (

) ............ (3.4)

q5 = q6 = h A5 (Tf – Ti,j ) =h (dx dy) (Tf – Ti,jn ) = h (dx dx) (Tf – Ti,jn ) ........ (3.5) dengan menggunakan prinsip kesetimbangan energi =mc

............................................................................................ (3.6)

q1 + q2 + q3 + q3 + q4 + q5 + q6 = (ρV) c k (dx t) (

) += k (dx t) (

................................................ (3.7) ) + k (dx t) (

+ 2h(dx dx)(Tf-Ti,jn) = ρc(dx dy t) dari persamaan (3.8) dikalikan (dx t) (

–

)=

+

+

.............................................. (3.8)

–

) + (dx t) (

(dx dx t)

dari persamaan (3.9) dikalikan +

)

maka menjadi :

) + (dx t) (

(dx dx) (Tf –

+2

) + k (dx t) (

+ 2Bi

–

–

) +(dx t) (

dx ............................. (3.9)

maka menjadi: Tf -

( 4 + 2Bi

)=

(

-

)

........................................................................................................................ (3.10) Dengan nilai B1 =

, α=

dan

=

)


21

Dari persamaan (3.10) dikalikan Fo maka menjadi = Fo(

+

+

+

+ 2Bi

Tf ) -

( 4Fo + 2Bi

Fo-1)

........................................................................................................................ (3.11) dengan syarat stabilitas :  (4Fo + 2Bi  - Fo (4+2Bi  Fo (4+2Bi maka Fo ≤ 3.5.2

Fo-1) ≥ 0 ) ≥ -1 )≤1 ......................................................................................... (3.12)

Persamaan numerik pada volume kontrol di rusuk sirip Volume kontrol di rusuk sirip adalah volume kontrol yang berada pada

tepi sirip yang besinggungan dengan udara dari arah luar ke dalam sirip pada sumbu y dan dari arah sumbu z (dari arah atas dan arah bawah) seperti yang tersaji pada Gambar 3.3 Volume kontrol yang berada di rusuk sirip antara lain volume kontrol dengan nomor 2 s/d 11, 12, 23, 34, 45, 56, 67, 73, 79, 85 dan 91. Pada volume kontrol di rusuk sirip perpindahan kalor konduksi terjadi pada arah sumbu x yaitu q1 dan q2 serta dari arah sirip ke luar (lingkungan sekitar) pada sumbu y yaitu q3. Sedangkan perpindahan kalor konveksi terjadi dari luar (lingkungan sekitar) ke sirip pada arah sumbu y yaitu q4 dan pada sumbu z (dari arah atas dan bawah) yaitu q5 dan q6, seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.5


22

(a)

(b)

Gambar 3.5 Volume kontrol dan perpindahan kalor di node posisi rusuk. tampak atas, (b) tampak samping Sehingga dapat diketahui nilai q1 = k A1 (

) = k (0,5dy t) (

) = k (0,5dx t) (

).......... (3.13)

q2 = k A2 (

) = k (0,5dy t) (

) = k (0,5dx t) (

) .......... (3.14)


23

q3 = k A3 (

) = k (dx t) (

q4 = h A4 (Tf –

) = k (dx t) (

) =h (dx t) (Tf –

q5 = q6 = h A5 (Tf –

) = h (dx t) (Tf –

) =h (dx 0,5dy) (Tf –

) .................. (3.15) ) ...................... (3.16)

) = h (0,5dx dx) (Tf –

)

........................................................................................................................ (3.17) dengan menggunakan prinsip kesetimbangan energi =mc

............................................................................................. (3.18)

q1 + q2 + q3 + q3 + q4 + q5 + q6 = (ρV) c k (0,5dx t) (

) + k (0,5dx t) (

(Tf –

h (dx t)

................................................ (3.19) ) + k (dx t) (

) + 2h(0,5dx dx) (Tf –

)+

)= ρ c (dx 0,5dy t)

........................................................................................................................ (3.20) dari persamaan (3.20) dikalikan (0,5dx t) ( (Tf –

–

)+2

maka menjadi :

) + (0,5dx t) (

–

(0,5 dx dx) (Tf –

)=

) + (dx t) ( (0,5dx dx t)

–

)+

(dx t)

dx

........................................................................................................................ (3.21) dari persamaan (3.20) dikalikan + (

+2 -

maka menjadi

+ 2Bi Tf + 2B1

Tf - Ti,jn (4 +2Bi + 2B1

) =

)................................................................................................. (3.22)

dengan nilai B1 =

, α=

dan

=

dari persamaan (3.22) dikalikan Fo maka menjadi:


24

=

(

+

+2

+ 2Bi Tf + 2B1

Tf) -Ti,jn(4Fo+2Bi Fo+ 2B1 Fo-1)

........................................................................................................................ (3.23) syarat stabilitas :  -(4Fo+2Bi Fo+ 2B1 Fo-1) ≥ 0  1-4Fo - 2Bi Fo -2B1 Fo ≥ 0  - (4 +2Bi +2B1 ) ≥ -1 

(4 +2Bi +2B1 ) ≤ 1

maka Fo ≤ 3.5.3

................................................................................ (3.24)

Persamaan numerik pada volume kontrol di sudut sirip Volume kontrol di sudut sirip adalah volume kontrol yang berada pada tepi

sirip yang besinggungan dengan udara dari arah luar ke dalam sirip pada sumbu y dan sumbu x dari arah sumbu z (dari arah atas dan arah bawah) seperti yang tersaji pada gambar 3.3. Volume kontrol yang berada di sudut sirip adalah volume kontrol dengan nomor 1. Pada volume kontrol di sudut sirip, perpindahan kalor konduksi terjadi pada sumbu x dan sumbu y dari arah dalam sirip menuju ke luar (lingkungan sekitar) yaitu q1 dan q2. Sedangkan perpindahan kalor konveksi terjadi pada sumbu x dan sumbu y dari arah luar (lingkungan sekitar) menuju sirip serta dari arah sumbu z (arah atas dan arah bawah) sesuai dengan Gambar 3.6 .


25

(a)

(b)

Gambar 3.6 Volume kontrol dan perpindahan kalor di node posisi sudut (a) Tampak atas, (b) tampak samping Sehingga dapat diketahui nilai q1 = k A1 (

) = k (0,5dy t) (

q2 = k A2 (

) = k (0,5dx t) (

)= k (0,5dx t) ( ) = k (0,5dx t) (

) ....... (3.25) ) .......... (3.26)

q3 = h A3 (Tf – Ti,j) = h (0,5 dx t) (Tf – Ti,j) = h (0,5 dx t) (Tf – Ti,j) ........... (3.27)


26

q4 = h A4 (Tf –

) = h (0,5 dy t) (Tf –

q5 =q6 = h A5 (Tf –

) = h (0,5 dx t) (Tf –

) = h (0,5 dx 0,5dy) (Tf –

).......... (3.28)

) = h (0,25 dx dx) (Tf –

)

........................................................................................................................ (3.29) dengan menggunakan prinsip kesetimbangan energi =mc

............................................................................................. (3.30)

q1 + q2 + q3 + q3 + q4 + q5 + q6 = (ρV) c

................................................. (3.31)

k (0,5dx t) (

) + h (0,5 dx t) (Tf –

(Tf –

) + k (0,5dx t) (

) + 2 h (0,25 dx dx) (Tf –

) + h (0,5 dx t)

) = ρ c (dx 0,5dy t)

........................................................................................................................ (3.32) dari persamaan (3.22) dikalikan –

(0,5dx t) (

maka menjadi : –

) + (0,5dx t)(

(0,25 dx dx) (Tf –

)=

=

+ (

)+ 2

dx ..................... (3.33)

maka menjadi : Tf ) - Ti,jn (4 + 4 Bi + 2 Bi

+ 2 Bi Tf + Bi -

(0,5dx t) (Tf –

(0,5dx dx t)

dari persamaan (3.33) dikalikan 2(

)+2

)

) .......................................................................................... (3.34)

dengan nilai B1 =

, α=

dan

=

dari persamaan (3.34) dikalikan Fo maka menjadi: == 2Fo(

+

+ 2 Bi Tf + Bi

Tf ) -

(4 Fo + 4 Bi Fo + 2 Bi

Fo-1)

........................................................................................................................ (3.35)


27

Syarat stabilitas :  -(4 Fo + 4 Bi Fo + 2 Bi

Fo-1) ≥ 0

 1- 4 Fo + 4 Bi Fo + 2 Bi

Fo ≥ 0

 -Fo (4 + 4 Bi + 2 Bi

) ≥ -1

 Fo (4 + 4 Bi + 2 Bi

)≤1

maka Fo ≤

................................................................................. (3.36)

3.5. Metode Penelitian Penelitian ini dilakukan secara komputasi dengan menggunakan metode beda

hingga

secara

eksplisit.

Langkah-langkah

yang

dilakukan

untuk

mendapatkan metode beda hingga secara eksplisit sebagai berikut: a.

Memilih seperempat bagian dari benda uji sirip untuk diamati dan membagi seperempat bagian dari benda uji sirip tersebut menjadi elemen-elemen kecil seperti yang ditunjukan pada gambar 3.2. Suhu pada elemen-elemen kecil tersebut mewakili suhu volume kontrol elemen kecil tersebut.

b.

Menuliskan persamaan numerik pada setiap volume kontrol dengan metode beda hingga eksplisit berdasarkan prinsip kesetimbangan energi pada sirip.

c.

Membuat program komputasi untuk mendapatkan distribusi suhu, laju aliran kalor, efisiensi dan efektivitas dari waktu ke waktu pada benda uji sirip.

d.

Memasukan data yang diperlukan untuk dapat mengetahui hasil dari pengolahan data yang dijalalankan dari program yang telah dibuat.


28

Pengujian pada sirip dilakukan dengan variasi bahan yang telah ditentukan untuk dapat mengetahui perbedaan distribusi suhu, laju aliran kalor, efisiensi dan efektivitas dari variasi bahan tersebut. 3.6. Cara Pengambilan Data, Pengolahan dan Pembahasan. Pengambilan data dilakukan dengan membuat program terlebih dahulu pada microsoft office excel sesuai dengan metode yang digunakan, kemudian memasukan data kedalam program yang telah dibuat. Hasil perhitungan dari program yang telah dibuat berupa distribusi suhu, laju aliran kalor efisiensi dan efektivitas. Hasil perhitungan dari program yang didapat kemudian diolah untuk dapat ditampilkan dalam grafik. Grafik yang ditampilkan adalah grafik : a.

Laju aliran kalor dari waktu ke waktu

b.

Efesiensi dari waktu ke waktu

c.

Efektivitas dari waktu ke waktu

Pembahasan dapat dilakukan berdasarkan grafik-grafik yang disajikan sehingga dapat diambil kesimpulan dari penelitian. Dalam melakukan pembahasan, memperhatikan juga hasil-hasil penelitian yang terkait. 3.7. Pengambilan Kesimpulan dan Saran Kesimpulan dibuat berdasarkan pembahasan yang telah dilakukan dan kesimpulan merupakan jawaban dari tujuan penelitian. Saran diberikan agar penelitian yang dilakukan berikut dapat dijalankan dengan lebih baik.


29

BAB IV DATA DAN PEMBAHASAN

4.1.

Data Pengamatan Percobaan dilakukan untuk mengetahui pengaruh bahan sirip dan

pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap laju aliran kalor, efisiensi dan efektivitas sirip pada keadaan tak tunak. 4.1.1.

Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Laju Aliran Kalor, Efisiensi dan Efektivitas Sirip Pengaruh bahan sirip terhadap laju aliran kalor, efisiensi dan efektivitas

sirip dapat diketahui dengan melakukan empat variasi bahan yaitu alumunim, besi nikel dan tembaga . Sifat-sifat dari keempat bahan yang diamati disajikan dalam Tabel 4.1. Tabel 4.1 Sifat bahan sirip yang diuji dalam penelitian Sifat-sifat bahan Kondukvitas Kalor Massa No Bahan Termal k Jenis c Jenis ρ (watt/moC) (J/kgoC) (kg/m3)

Difusivitas Termal α (m2/s)

1

Alumunium

204

900

2707

8,37 x 10-5

2

Besi

73

460

7897

2,01 x 10-5

3

Nikel

93

454

8906

2,3 x 10-5

4

Tembaga

398

390

8954

1,13 x 10-4

29


30

Percobaan dilakukan dengan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi yang sama yaitu 50 watt/m2oC. Percobaan dilakukan dengan kondisi sebagai berikut : : 30 ˚C

suhu awal sirip (To)

suhu dasar sirip (Tdasar) : 100 ˚C suhu lingkungan (Tf)

: 30 ˚C

Hasil penelitian disajikan dalam Tabel 4.2 sampai dengan Tabel 4.4. Tabel 4.2 Pengaruh bahan sirip terhadap laju aliran kalor sirip dari waktu ke waktu Laju Aliran kalor (watt) No

Waktu (detik)

Tembaga

Alumunium

Besi

Nikel

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

0 0,12 0,24 0,48 0,72 1,20 2,40 3,60 7,20 10,80 18 24 30 45 60 90 120 150

14,7 18,99 22,66 28,85 34,04 42,70 59,36 72,43 100,86 119,56 140,86 149,77 154,62 159,16 160,17 160,45 160,46 160,46

14,7 17,81 20,59 25,44 29,60 36,61 50,05 60,44 82,87 97,79 115,27 122,85 127,12 131,36 132,40 132,71 132,73 132,73

14,7 15,46 16,19 17,61 18,95 21,44 26,81 31,29 41,58 49,15 60,00 66,38 71,18 78,79 82,76 85,95 86,86 86,86

14,7 15,55 16,37 17,95 19,44 22,20 28,08 32,97 44,22 52,58 64,77 72,08 77,66 86,69 91,54 95,62 96,85 96,85


31

Tabel 4.3 Pengaruh bahan sirip terhadap efisiensi sirip dari waktu ke waktu Efisiensi (%) waktu No (detik) Tembaga Alumunium besi Nikel 1 0 6,91 6,91 6,91 6,91 2 0,12 8,92 8,37 7,26 7,31 3 0,24 10,65 9,68 7,61 7,69 4 0,48 13,56 11,95 8,27 8,44 5 0,72 15,99 13,91 8,90 9,14 6 1,2 20,07 17,20 10,08 10,43 7 2,4 27,90 23,52 12,60 13,20 8 3,6 34,03 28,40 14,70 15,49 9 7,2 47,40 38,94 19,54 20,78 10 10,8 56,18 45,96 23,10 24,71 11 18 66,20 54,17 28,20 30,44 12 24 70,38 57,73 31,20 33,87 13 30 72,66 59,74 33,45 36,49 14 45 74,80 61,73 37,03 40,74 15 60 75,27 62,22 38,89 43,02 16 90 75,40 62,37 40,39 44,93 17 120 75,40 62,37 40,82 45,51 18 150 75,40 62,37 40,82 45,51

Tabel 4.4 No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pengaruh bahan sirip terhadap efektivitas sirip dari waktu ke waktu Efektivitas waktu (detik) Tembaga Alumunium Besi Nikel 0,00 10,50 10,50 10,50 10,50 0,12 13,56 12,72 11,04 11,11 0,24 16,19 14,71 11,57 11,70 0,48 20,60 18,17 12,58 12,82 0,72 24,31 21,14 13,54 13,89 1,20 30,50 26,15 15,32 15,85 2,40 42,40 35,75 19,15 20,06 3,60 51,73 43,17 22,35 23,55 7,20 72,05 59,19 29,70 31,58 10,80 85,40 69,85 35,11 37,56


32

Tabel 4.4 Lanjutan

4.1.2.

Efektivitas

No

Waktu (detik)

Tembaga

Alumunium

Besi

Nikel

11 12 13 14 15 16 17 18

18 24 30 45 60 90 120 150

100,62 106,98 110,44 113,69 114,41 114,60 114,61 114,61

82,34 87,75 90,80 93,83 94,57 94,80 94,81 94,81

42,86 47,42 50,85 56,28 59,11 61,40 62,05 62,05

46,27 51,48 55,47 61,92 65,38 68,30 69,18 69,18

Pengaruh Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap Laju Aliran Kalor, Efektivitas dan Efisiensi Sirip Pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap laju aliran

kalor, efisiensi dan efektivitas sirip dapat diketahui dengan melakukan empat variasi, setiap percobaan yang dilakukan menggunakan variasi nilai koefisien perpindahan kalor konveksi yang berbeda-beda yaitu 25 watt/m2 oC, 50 watt/m2 o

C, 100 watt/m2 oC dan 200 watt/m2 oC . Percobaan dilakukan pada bahan sirip

yang sama yaitu tembaga . Percobaan dilakukan dengan kondisi sebagai berikut: suhu awal sirip (To)

: 30 ˚C

suhu dasar sirip (Tdasar)

: 100 ˚C

suhu lingkungan (Tf)

: 30 ˚C

Hasil penelitian disajikan dalam Tabel 4.5 sampai dengan Tabel 4.7.


33

Tabel 4.5 Pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap laju aliran kalor sirip dari waktu ke waktu Laju Aliran Kalor (watt) Waktu No h = 25 h = 50 h = 100 h = 200 (detik) watt/m2 oC watt/m2 oC watt/m2 oC watt/m2 oC 1 0 7,35 14,70 29,40 58,80 2 0,12 9,49 18,99 37,97 75,95 3 0,24 11,34 22,66 45,30 90,47 4 0,48 14,44 28,85 57,54 114,49 5 0,72 17,06 34,04 67,75 134,22 6 1,2 21,45 42,70 84,61 166,12 7 2,4 30,00 59,36 116,26 223,21 8 3,6 36,82 72,43 140,19 263,38 9 7,2 52,19 100,86 188,88 334,80 10 10,8 62,86 119,56 217,57 368,61 11 18 75,99 140,86 245,68 393,24 12 24 82,07 149,77 255,26 398,78 13 30 85,68 154,62 259,60 400,52 14 45 89,58 159,16 262,73 401,29 15 60 90,66 160,17 263,17 401,33 16 90 91,05 160,45 263,24 401,33 17 120 91,08 160,46 263,24 401,33 18 150 91,08 160,46 263,24 401,33

Tabel 4.6 Pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap efisiensi sirip dari waktu ke waktu Efisiensi (%) waktu N0 h = 25 h = 50 h = 100 h = 200 (detik) 2o 2o 2o watt/m C watt/m C watt/m C watt/m2 oC 1 0 6,91 6,91 6,91 6,91 2 0,12 8,92 8,92 8,92 8,92 3 0,24 10,65 10,65 10,64 10,63 4 0,48 13,57 13,56 13,52 13,45 5 0,72 16,03 15,99 15,92 15,77 6 1,2 20,16 20,07 19,88 19,52 7 2,4 28,20 27,90 27,32 26,22 8 3,6 34,61 34,03 32,94 30,94


34

Tabel 4.6 Lanjutan No

Waktu (detik)

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

7,2 10,8 18 24 30 45 60 90 120 150

h = 25 watt/m2 oC 49,05 59,08 71,42 77,13 80,53 84,19 85,21 85,57 85,60 85,60

Efisiensi (%) h = 50 h =100 watt/m2 oC watt/m2 oC 47,40 44,38 56,18 51,12 66,20 57,73 70,38 59,98 72,66 61,00 74,80 61,73 75,27 61,84 75,40 61,85 75,40 61,85 75,40 61,85

h = 200 watt/m2 oC 39,33 43,31 46,20 46,85 47,05 47,14 47,15 47,15 47,15 47,15

Tabel 4.7 Pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap Efektivitas sirip dari waktu ke waktu NO

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

waktu (detik) 0 0,12 0,24 0,48 0,72 1,2 2,4 3,6 7,2 10,8 18 24 30 45 60 90 120 150

h = 25 watt/m2 oC 10,50 13,56 16,19 20,63 24,37 30,64 42,86 52,60 74,56 89,80 108,56 117,24 122,41 127,97 129,52 130,07 130,11 130,11

Efektivitas h= 50 h = 100 2o watt/m C watt/m2 oC 10,50 10,50 13,56 13,56 16,19 16,18 20,60 20,55 24,31 24,20 30,50 30,22 42,40 41,52 51,73 50,07 72,05 67,46 85,40 77,71 100,62 87,74 106,98 91,16 110,44 92,72 113,69 93,83 114,41 93,99 114,60 94,01 114,61 94,02 114,61 94,02

h = 200 watt/m2 oC 10,50 13,56 16,16 20,45 23,97 29,66 39,86 47,03 59,79 65,82 70,22 71,21 71,52 71,66 71,67 71,67 71,67 71,67


35

4.2.

Pembahasan Penelitian tentang pengaruh bahan sirip terhadap laju perpindahan kalor

sirip digambarkan dengan grafik seperti yang tersaji pada Gambar 4.1. Grafik pada Gambar 4.1 menunjukkan bahwa seiring dengan pertambahan waktu laju aliran kalor yang dilepas sirip semakin meningkat, hingga mencapai keadaan tunak yaitu pada saat laju aliran kalor yang dilepas sirip tidak berubah-ubah lagi terhadap waktu. Laju aliran kalor sirip mencapai keadaan tunak seperti yang dirumuskan pada persamaan (4.1 ) x 100% ≤ 1%................................................................................... (4.1) Pada sirip berbahan tembaga, laju aliran kalor menjadi tunak setelah detik ke 45. Pada sirip berbahan alumunium, laju aliran kalor menjadi tunak setelah detik ke 47. Pada sirip berbahan besi, laju aliran kalor menjadi tunak setelah detik ke 83. Pada sirip berbahan nikel, laju aliran kalor menjadi tunak setelah detik ke 87. Dengan demikian untuk mencapai keadaan tunak tercepat dimiliki oleh tembaga kemudian diikuti berturut-turut sirip dari bahan alumunium, besi dan nikel. Grafik pada Gambar 4.1 menunjukkan bahwa bahan sirip berpengaruh terhadap laju aliran kalor yang dilepas sirip. Pada penelitian ini laju aliran kalor terbesar

yang dilepas sirip dimiliki oleh bahan tembaga, kemudian diikuti

berturut-turut dari bahan alumunium, nikel dan besi. Ketika keadaan sudah tunak besar laju aliran kalor yang dilepas sirip dari bahan tembaga, alumunium, besi dan nikel berturut-turut sebesar: 160 watt, 133 watt, 86 watt dan 97 watt.


Laju Aliran Kalor (watt)

36

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

tembaga alumunium besi nikel 0

50

100

150

waktu (detik)

Gambar 4.1 Pengaruh bahan sirip terhadap laju aliran kalor yang dilepas sirip Penelitian tentang pengaruh bahan sirip terhadap efisiensi sirip digambarkan dengan grafik seperti yang tersaji pada Gambar 4.2. Grafik pada Gambar 4.2 menunjukkan bahwa seiring dengan pertambahan waktu nilai efisiensi sirip semakin meningkat, hingga mencapai keadaan tunak yaitu pada saat efisiensi sirip tidak berubah-ubah lagi terhadap waktu. Laju efisiensi sirip mencapai keadaan tunak seperti yang dirumuskan pada persamaan (4.2 ) x 100% ≤ 1%................................................................................... (4.2) Pada sirip berbahan tembaga, efisiensi sirip menjadi tunak setelah detik ke 45. Pada sirip berbahan alumunium, efisiensi sirip menjadi tunak setelah detik ke 47. Pada sirip berbahan besi, efisiensi sirip menjadi tunak setelah detik ke 83. Pada sirip berbahan nikel, efisiensi sirip menjadi tunak setelah detik ke 87. Grafik pada Gambar 4.2 menunjukkan bahwa bahan sirip berpengaruh terhadap efisiensi. Pada penelitian ini laju aliran kalor terbesar yang dilepas sirip dimiliki oleh bahan tembaga kemudian diikuti berturut-turut dari bahan alumunim, nikel dan besi.


37

Ketika keadaan sudah tunak besar efisiensi sirip dari bahan tembaga,

Efisiensi (%)

alumunium, besi dan nikel berturut-turut sebesar: 75%, 62%, 41% dan 46%.

80 70 60 50 40 30 20 10 0

tembaga alumunium besi nikel 0

50

100

150

waktu (detik)

Gambar 4.2 Pengaruh bahan sirip terhadap efisiensi sirip

Penelitian tentang pengaruh bahan sirip terhadap efektivitas sirip digambarkan dengan grafik seperti yang tersaji pada Gambar 4.3. Grafik pada Gambar 4.3 menunjukkan bahwa seiring dengan pertambahan waktu efektivitas sirip semakin meningkat, hingga mencapai keadaan tunak yaitu pada saat efektivitas sirip tidak berubah-ubah lagi terhadap waktu. Laju efektivitas sirip mencapai keadaan tunak seperti yang dirumuskan pada persamaan (4.3 ).

x 100% ≤ 1% ................................................................................... (4.3)

Pada sirip berbahan tembaga, efektivitas sirip menjadi tunak setelah detik ke 45. Pada sirip berbahan alumunium, efektivitas sirip menjadi tunak setelah detik ke 47. Pada sirip berbahan besi, efektivitas sirip menjadi tunak setelah detik ke 83. Pada sirip berbahan nikel, efektivitas sirip menjadi tunak setelah detik ke 87


38

Grafik pada Gambar 4.3 menunjukkan bahwa bahan sirip berpengaruh terhadap efektivitas sirip. Pada penelitian ini efektivitas sirip terbesar dimiliki oleh bahan tembaga kemudian diikuti berturut-turut dari bahan alumunium, nikel dan besi. Ketika keadaan sudah tunak besar efektivitas sirip dari bahan tembaga, alumunium, besi dan nikel berturut-turut sebesar: 115, 95, 62 dan 69. 140

Efektivitas

120 100 80

tembaga

60

alumunium

40

besi

20

nikel

0 0

50

100

150

waktu (detik)

Gambar 4.3 Pengaruh bahan terhadap efektivitas sirip Penelitian tentang pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap laju perpindahan kalor sirip digambarkan dengan grafik seperti tersaji pada Gambar 4.4. Dari Gambar 4.4 untuk bahan sirip tembaga terlihat bahwa laju aliran kalor sirip untuk nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/ m2 oC akan mencapai tunak setelah detik ke 52, nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 50 watt/m2 oC akan mencapai tunak setelah detik ke 45, nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 100 watt/ m2 oC akan mencapai tunak setelah detik ke 37, nilai koefisien perpindahan panas konveksi 200 watt/ m2 oC akan mencapai tunak setelah detik ke 27. Dengan demikian untuk mencapai keadaan tunak tercepat ketika nilai koefisien perpindahan panas konduksi sebesar 200 watt/ m2


39

o

C kemudian diikuti berturut-turut 100 200 watt/ m2 oC , 50 200 watt/ m2 oC dan

25 200 watt/ m2 oC. Grafik

pada

Gambar

4.4

menunjukkan

bahwa

nilai

koefisien

peprpindahan kalor konveksi berpengaruh terhadap laju aliran kalor yang dilepas sirip. Pada penelitian ini laju aliran kalor terbesar yang dilepas sirip dari bahan tembaga ketika nilai koefisien perpindahan kalor konveksi sebesar 200 watt/m 2 oC kemudian diikuti berturut-turut 100 watt/ m2 oC, 50 watt/ m2 oC dan 25 watt/m2oC. Ketika keadaan sudah tunak besar laju aliran kalor yang dilepas sirip dari bahan tembaga

pada saat nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25

watt/m2oC, 50 watt/ m2 oC, 100 watt/ m2 oC dan 200 watt/ m2 oC berturut-turut

Laju Aliran Kalor(watt)

sebesar: 91 watt, 160 watt, 263 Watt dan 401 watt. 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

h= 25 W/m² ˚C h=50 W/m² ˚C h=100 W/m² ˚C h=200 W/m² ˚C 0

50

100

150

waktu (detik)

Gambar 4.4 Pengaruh nilai koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap laju aliran kalor sirip bahan tembaga Penelitian tentang pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap efisiensi sirip digambarkan dengan grafik seperti tersaji pada Gambar 4.5. Dari Gambar 4.5 untuk bahan sirip tembaga terlihat bahwa efisiensi sirip untuk nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/ m2 oC akan mencapai


40

tunak setelah detik ke 52, nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 50 watt/m2oC akan mencapai tunak setelah detik ke 45, nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 100 watt/ m2 oC akan mencapai tunak setelah detik ke 37 dan nilai koefisien perpindahan panas konveksi 200 watt/ m2 oC akan mencapai tunak setelah detik ke 27. Grafik pada Gambar 4.5 menunjukkan bahwa nilai koefisien perpindahan kalor konveksi berpengaruh terhadap efisiensi sirip. Pada penelitian ini efisiensi terbesar sirip dari bahan tembaga, ketika nilai koefisien perpindahan kalor konveksi sebesar 25 watt/ m2 oC kemudian diikuti berturut-turut 50 watt/ m2 oC, 100 watt/ m2 oC dan 200 watt/ m2 oC. Ketika keadaan sudah tunak besar efisiensi sirip dari bahan tembaga pada saat nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/ m2 oC, 50 watt/ m2 o

C, 100 watt/ m2 oC dan 200 watt/ m2 oC berturut-turut sebesar: 86%, 75%, 62%

Efisiensi (%)

dan 47%. 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

h=25 W/m² ˚C h=50 W/m² ˚C h=100 W/m² ˚C h=200 W/m² ˚C 0

50

100

150

waktu (detik)

Gambar 4.5 Pengaruh nilai koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap efisiensi sirip bahan tembaga


41

Penelitian tentang pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap efektivitas sirip digambarkan dengan grafik seperti tersaji pada Gambar 4.6. Grafik pada Gambar 4.6 untuk bahan sirip tembaga terlihat bahwa laju efektivitas sirip untuk nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/ m2 oC akan mencapai tunak setelah detik ke 52, nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 50 watt/m2 oC akan mencapai tunak setelah detik ke 45, nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 100 watt/ m2 oC akan mencapai tunak setelah detik ke 37 dan nilai koefisien perpindahan panas konveksi 200 watt/ m2 oC akan mencapai tunak setelah detik ke 27. 140 120 Efektivitas

100 80

h=25 W/m² ˚C

60

h=50 W/m² ˚C

40

h=100 W/m² ˚C

20

h=200 W/m² ˚C

0 0

50

100

150

waktu (detik)

Gambar 4.6 Pengaruh nilai koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap efektivitas sirip bahan tembaga

Grafik pada Gambar 4.6 menunjukkan bahwa nilai koefisien perpindahan kalor konveksi berpengaruh terhadap efektivitas sirip. Pada penelitian ini efektivitas sirip terbesar dari bahan tembaga ketika nilai koefisien perpindahan


42

kalor konveksi sebesar 25 watt/m2 oC,

kemudian diikuti berturut-turut 50

watt/m2 oC, 100 watt/m2 oC dan 200 watt/m2oC. Ketika keadaan sudah tunak besar efektivitas sirip dari bahan tembaga pada saat nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/m2 oC, 50 watt/m2oC, 100 watt/ m2 oC dan 200 watt/ m2 oC berturut-turut sebesar: 130, 115, 94 dan 72.


43

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1

Kesimpulan Dari hasil penelitian dan pembahasan yang telah dilakukan pada sirip

dengan variasi bahan dan koefisien perpindahan panas konveksi dapat diambil kesimpulan bahwa : a.

Telah berhasil dibuat program dari Microsoft Ofice Excel untuk menghitung distribusi suhu, laju aliran

perpindahan kalor sirip,

efektivitas dan efisiensi sirip. b.

Laju aliran kalor, efisiensi dan efektivitas sirip berubah-ubah terhadap waktu hingga mencapai keadaan tunak. Waktu yang diperlukan sirip berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel untuk mencapai keadaan tunak pada nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 50 watt/m2 oC berturut-turut adalah 45 detik, 47 detik, 83 detik dan 87 detik.

c.

Besar laju aliran kalor sirip berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel saat keadaan tunak pada nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 50 watt/m2 oC berturut-turut adalah 160 watt, 133 watt, 86 watt dan 97 watt.

d.

Besar efisiensi sirip berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel saat keadaan tunak pada nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 50 watt/m2 o

C berturut-turut adalah 75%, 62%, 41% dan 46%.

43


44

e.

Besar efektivitas sirip berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel saat keadaan tunak pada nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 50 watt/m2 o

C berturut-turut adalah 115, 95, 62 dan 69.

f.

Waktu yang dibutuhkan sirip berbahan tembaga untuk mencapai keadaan tunak pada nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/m2 oC, 50 watt/m2 oC, 100 watt/m2 oC dan 200 watt/m2 oC adalah 52 detik, 45 detik, 37 detik dan 27 detik.

g.

Besar laju aliran kalor sirip berbahan tembaga saat keadaan tunak pada koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/m2 oC, 50 watt/m2 oC, 100 watt/m2 oC dan 200 watt/m2 oC berturut-turut adalah 91 watt, 160 watt, 263 watt dan 401 watt.

h.

Besar efisiensi sirip berbahan tembaga saat keadaan tunak pada koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/m2 oC, 50 watt/m2 oC, 100 watt/m2 oC dan 200 watt/m2 oC berturut-turut adalah 86%, 75%, 62 % dan 47%.

i.

Besar efektivitas sirip berbahan tembaga saat keadaan tunak pada koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/m2 oC, 50 watt/m2 oC, 100 watt/m2 oC dan 200 watt/m2 oC berturut-turut adalah 130, 115, 94 dan 72

5.2

Saran Saran yang perlu dikemukakan untuk penelitian yang lebih lanjut tentang

sirip adalah:


45

a. Hasil penelitian akan lebih akurat jika volume kontrol yang digunakan lebih kecil. b. Penelitian akan lebih akan lebih cepat dan mudah jika menggunakan komputer dengan prosesor yang lebih baik c. Penelitian dapat dilakukan dengan variasi bahan dan bentuk sirip yang yang berbeda.


46

DAFTAR PUSTAKA Cengel, Yunus A.2002.Heat Transfer A Practical Approach, M C Graw-Hill. New York. Holman, J.P.1997.Heat Transfer,M C Graw-Hill. New York. Kuncoro,A.S.2012.Perbandingan Laju Perpindahan Kalor,Efisiensi dan Efektivitas Sirip Dua Dimensi Utuh dan Berlubang Pada keadaan Tak Tunak dengan Variasi Bahan.Universitas Sanata Dharma.Yogyakarta Nuryanto,Y.D.2002.Laju Perpindahan Kalor dan Efektivitas Sirip Keadaan Tak Tunak. Universitas Sanata Dharma. Yogyakarta. Yohana,S.2004.Laju Perpindahan Kalor dan Efektivitas Sirip Pada Kasus Tiga Dimensi Keadaan Tak Tunak.Universitas Sanata Dharma.Yogyakarta.

46


47

LAMPIRAN

Lampiran 1. Massa Jenis dan Kalor Jenis beberapa Bahan

47


48

Lampiran 2. Koefisien Perpindahan Kalor Konduksi Beberapa Bahan

48

PENGARUH KOEFISIEN PERPINDAHANKALOR KONVEKSI DAN BAHAN TERHADAP LAJU ALIRAN KALOR, EFEKTIVITAS DAN EFISIENSI SIRIP DUA DIMENSI KEADAAN TAK TUNAK

Recommend Documents