SEMINAR NASIONAL ke 8 Tahun 2013 : Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi

SEMINAR NASIONAL ke 8 Tahun 2013 : Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH JUMLAH DAN DIAMETER LUBANG PADA SIRIP SEKELILING SILINDER LUAR TERHADAP LAJU PERPINDAHAN KALOR Joko Winarno Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Janabadra Jalan TR. Mataram No. 55 – 57 Yogyakarta email : [email protected]

ABSTRACT An experimental study was conducted to investigate the effect of number and diameter of the hole on the outside cylinder fin to the rate of heat transfer for given hole number in the blowing air. The model of the outside cylinder fin made of aluminium were employed in this work. The radial rectangular profile fin in 19,5 mm length with thikness of 2,1 mm were mounted on heating cylinder with outside diameter of 19,9 mm. Multipurpose air duct was used for providing blowing air. The experimental results showed that rate of heat transfer of the outside cylinder fin increased in given situation by increasung the value of the Reynlods number for all cases of the fin. For the first case, rate of heat transfer of the outside cylinder fin increased by increasung the value of diameter of the hole, but the limit is reached when the area ratio approximate 0,07 mm, and for the second case, rate of heat transfer of the outside cylinder fin increased by increasung the number of the hole, but the limit is reached when the area ratio was about 0,09 mm The friction factor reduced by increasung the value of the Reynlods number and increased by increasing the value of the number and diameter of the hole on the outside cylinder fin. The value of effectiveness was above 2 for all cases of the fin. Keywords : The outside cylinder fin, Friction factor, Reynolds Number, Heat transfer rate

PENDAHULUAN Saat ini banyak kasus aplikasi di bidang teknik memerlukan komponen-komponen perpindahan kalor dengan unjuk kerja tinggi dengan berat, volume dan biaya yang lebih rendah. Pada umumnya aplikasi yang sering dijumpai untuk mendapatkan peningkatan laju aliran kalor adalah penggunaan permukaan yang menonjol (extended surface) dalam bentuk sirip. Sebagai contoh penggunaan sirip, misalnya untuk proses pendinginan silinder pada motor pembakaran dalam, pendinginan silinder kompresor, pendinginan peralatan elektrikal seperti transformator dan lain sebagainya. Permukaan yang menonjol dalam bentuk sirip ini juga digunakan secara luas dalam alat penukar kalor (heat exchangers), terutama penukar kalor jenis pipa bersirip aliran silang, untuk memperbesar luas permukaan perpindahan kalor, sehingga daya guna alat tersebut dapat meningkat. Berbagai kajian analitis telah banyak dilakukan terhadap rancangan sirip yang optimum untuk mendapatkan komponen perpindahan kalor dengan unjuk kerja tinggi, ringan dan kompak. Arslanturk (2005) melakukan optimasi rancangan dari sirip dilakukan melalui dua pendekatan, yakni meminimalkan volume atau massa sirip pada tugas termal tertentu dan memaksimalkan laju aliran kalor pada volume atau massa sirip yang telah ditentukan Sedangkan optimasi rancangan geometri dari aransemen (susunan) sirip dapat dilakukan melalui pendekatan Hukum Kedua Termodinamika dengan

meminimalkan pembangkitan entropi (Taufiq, et.al., 2006). Berkaitan dengan pengurangan berat atau volume sirip, Fuji. et.al. (1998) telah melakukan penelitian terhadap sirip radial berlubang pada sebuah alat penukar kalor. Dari hasil penelitiannya diperoleh bahwa terjadi peningkatan laju perpindahan kalor pada permukaan sirip berlubang yang disebabkan oleh aliran yang melewati permukaan sirip berlubang akan terbagi menjadi dua komponen dan terjadi pusaran yang akan mempercepat terjadinya turbulensi. Gardner dalam Kreith (1994) telah menganalisa efisiensi dari sirip radial berprofil segiempat dan sirip radial berprofil segitiga, sedangkan Kern dan Kraus (1972) melakukan kajian teoritis terhadap sirip dengan berbagai macam profil dan diketahu bahwa sirip dengan profil parabolik cekung mempunyai kemampuan mentransfer kalor yang maksimum. Webb (1994) dan Kraus et.al. (2002) juga melakukan analisis terhadap berbagai profil dari sirip dan hasilnya dapat diketahui bahwa sirip dengan profil hiperbolik mempunyai kemampuan mentransfer kalor yang hampir sama dengan sirip dengan profil parabolik cekung. Sementara itu Yeh (1997) melakukan studi analitis terhadap sirip berprofil segiempat dengan mempertimbangkan koefisien perpindahan yang berubah-ubah terhadap temperatur dan perpindahan kalor dari ujung sirip. Berkaitan dengan koefisien perpindahan kalor dari sirip, Mokheimer (2002) juga melakukan kajian analitis terhadap berbagai profil

SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013

M

122


sirip radial dengan koefisien perpindahan kalor lokal yang berubah-ubah. Peningkatan laju perpindahan kalor akibat penambahan lubang pada permukaan perpindahan kalor juga dilaporkan oleh Schlichting (1979). Penelitian yang sama juga dilakukan oleh Supriatno (1998). Dari kedua penelitian tersebut diketahui bahwa penambangan lubang pada sirip dapat mengakibatkan terjadinya peningkatan laju perpindahan kalor.

Penelitian ini dimaksudkan untuk mengetahui unjuk kerja termal dari sirip sekeliling silinder luar (sirip radial) dengan berbagai diameter dan jumlah lubang dalam suatu aliran udara. Penelitian dilakukan pada efek parameter geometri lubang pada sirip terhadap koefisien perpindahan kalor atau Bilangan Nusselt, dan faktor gesekan yang dihasilkan oleh sirip untuk mengetahui karakter besarnya laju perpindahan kalor. Dari penelitian ini diharapkan dapat diperoleh karakteristik luas permukaan sirip berlubang terhadap laju aliran kalor.

TUJUAN PENELITIAN DASAR TEORI Kalor yang diserap oleh udara dirumuskan sebagai berikut :

Qa  mu .c pu .Tout  Tin 

Di mana :

mu  u . As .Vu

Tout 

;

(1)

T

oui

S

;

Tin 

T

ini

(4)

S

Semua sifat-sifat udara dievaluasi pada temperatur borongan rata-rata :

T  Tar 

Tout  Tin 2

(5)

Sedangkan besarnya rugi-rugi kalor dari silinder bersirip adalah :

Q  hc . Aw .Twr  T 

Di mana :

Twr 

Tbr  T fr 2

; Tbr 

(6)

Tbi

S

; T fr 

T fi

S

(7)

Efektifitas dari sirip adalah :



Qw Ab .hb .Tb  T 

(8)

Besarnya koefisien perpindahan kalor konveksi rata-rata dihitung dengan :

hc 

mu .c pu (Tout  Tin )

(9)

Aw .(Twr  T )

Luas total permukaan perpindahan kalor (Aw) silinder bersirip tanpa lubang:





Aw  ( Ac  2 N .rb w)  2 (re2  rb2 )  2. .re .w N

+ 2 N .re w

(10)

Luas total permukaan perpindahan kalor (Aw) sirip berlubang adalah :





Aw  ( Ac  2 N .rb w)  2 (re2  rb2 )  2. .re .w N  1 4 M DL 

2

(11)

Untuk analisis digunakan parameter-parameter tak-berdimensi berikut ini : a. Nusselt Number dan Bilangan Reynolds :

Nu 

hc D0 VD0 dan Re  k v

(12)

b. Faktor gesek dan efektifitas sirip

f 

Qdengansirip 2 g.P.D dan  f  2 Qtanpa sirip V .L

(13)

Ah Af

(14)

c. Rasio luas 




M

123


METODE PENELITIAN Susunan dari peralatan pengujian

Heater

Benda uji

Blower

Seksi uji

Wind Tunnel

Panel control

Amperemeter Voltmeter

Voltage Reagulator

Gambar 1 : Susunan peralatan pengujian 10 mm

12 mm

164 mm

2 mm Gambar 2 : Rancangan model silnder bersirip 40 mm 80 mm


M

124


HASIL DAN PEMBAHASAN

0.35 TANPA LUBANG JML LUBANG 8 JML LUBANG 12 JML LUBANG 16 JML LUBANG 24 Expon. (JML LUBANG 8) Expon. (TANPA LUBANG) Expon. (JML LUBANG 12) Expon. (JML LUBANG 24) Expon. (JML LUBANG 16)

0.30

a. Penelitian Pengaruh diameter lubang 0.25 400

Laju Aliran Kalor (Q), Watt

300

250

Faktor Gesek, f

350

TANPA LUBANG DIA. LUBANG 5 mm DIA. LUBANG 6 mm DIA. LUBANG 7 mm DIA. LUBANG 8 mm DIA. LUBANG 9 mm DIA. LUBANG 10 mm Log. (TANPA LUBANG) Log. (DIA. LUBANG 5 mm) Log. (DIA. LUBANG 6 mm) Log. (DIA. LUBANG 7 mm) Log. (DIA. LUBANG 8 mm) Log. (DIA. LUBANG 10 mm) Log. (DIA. LUBANG 9 mm)

0.20

0.15

0.10

200

0.05

150

100

0.00 1800

2300

2800

3300

50

0 1800

2300

2800

3300

3800

4300

4800

5300

Koef. Perpindahan Kalor Konveksi (hc), Watt/m2.C

1600

1000

TANPA LUBANG DIA. LUBANG 5 mm DIA. LUBANG 6 mm DIA. LUBANG 7 mm DIA. LUBANG 8 mm DIA. LUBANG 9 mm DIA. LUBANG 10 mm Log. (TANPA LUBANG) Log. (DIA. LUBANG 5 mm) Log. (DIA. LUBANG 6 mm) Log. (DIA. LUBANG 7 mm) Log. (DIA. LUBANG 8 mm) Log. (DIA. LUBANG 9 mm) Log. (DIA. LUBANG 10 mm)

800

600

5800

f/St

TANPA LUBANG JML LUBANG 8 JML LUBANG 12 JML LUBANG 16 JML LUBANG 24 Expon. (TANPA LUBANG) Expon. (JML LUBANG 8) Expon. (JML LUBANG 12) Expon. (JML LUBANG 16) Expon. (JML LUBANG 24)

0.001

0.0008

0.0006

0.0004

0.0002

0

800

1000

1200

200

2300

2800

3300

3800

4300

4800

5300

5800

Gambar 4 Grafik koefisien perpindahan kalor konveksi rata-rata pada berbagai bil. Reynolds

0.30 TANPA LUBANG DIA. LUBANG 5 mm DIA. LUBANG 6 mm DIA. LUBANG 7 mm DIA. LUBANG 8 mm DIA. LUBANG 9 mm DIA. LUBANG 10 mm Expon. (DIA. LUBANG 9 mm) Expon. (DIA. LUBANG 5 mm) Expon. (DIA. LUBANG 6 mm) Expon. (DIA. LUBANG 7 mm) Expon. (DIA. LUBANG 8 mm) Expon. (DIA. LUBANG 10 mm) Expon. (TANPA LUBANG)

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

1800

2300

2800

3300

3800



4300

4800

5300

5800

Bilangan Reynolds, Re

Gambar 5 Grafik faktor gesek pada berbagai  bilangan Reynold b. Penelitian Pengaruh jumlah lubang 350

300

250

TANPA LUBANG JML LUBANG 8 JML LUBANG 12 JML LUBANG 16 JML LUBANG 24 Poly. (TANPA LUBANG) Poly. (JML LUBANG 8) Poly. (JML LUBANG 12) Poly. (JML LUBANG 24) Poly. (JML LUBANG 16)

200

150

100

50

0 1800

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600



Faktor Gesek, f

5300

400

0 1800

Laju Aliran Kalor (Q), Watt

4800

0.0012

Rasio Faktor Gesek Terhadap Bilangan Stanton,

Gambar 3 Grafik laju aliran kalor dari silinder bersirip pada berbagai bilangan Reynolds

1200

4300

Gambar 7 Grafik faktor gesek pada berbagai bilangan Reynolds

5800


1400

3800


2300

2800

3300

3800

4300

4800

5300

5800


Gambar 6 Grafik laju aliran kalor pada berbagai bilangan Reynolds

Gambar 8 Grafik Rasio faktor gesek terhadap bilangan Stanton Pada berbagai bilangan Reynolds PEMBAHASAN Pada grafik yang ditunjukkan oleh gambar 3 dan gambar 4 dapat diketahui bahwa laju aliran kalor dari semua kasus sirip yang diuji mengalami kenaikan seiring dengan naiknya Bilangan Reynolds. Kecenderungan kenaikan laju aliran kalor ini disebabkan pada Bilangan Reynolds yang semakin besar, hambatan gesekan permukaan benda akan semakin kecil dan gaya lembam akan semakin besar. Hal ini dapat menyebabkan terjadinya pusaran turbulensi di bagian belakang benda uji. Di samping itu pada kecepatan aliran udara yang semakin besar dapat menyebabkan lapis batas laminer pada permukaan benda menjadi turbulen, sehingga koefisien perpindahan kalor konveksi rata-rata akan meningkat seiring dengan naiknya bilangan Reynolds. Dari kedua grafik tersebut juga dapat diketahui bahwasanya laju aliran kalor dari sirip yang diberi lubang lebih besar daripada sirip tanpa lubang pada berbagai bilangan Reynolds untuk semua kasus diameter dan jumlah lubang yang diujikan pada sirip. Hal ini karena dengan adanya lubang pada permukaan sirip dapat menyebabkan timbulnya gangguan aliran pada permukaan sirip. Gangguan ini disebabkan adanya aliran yang melewati lubang-lubang pada permukaan sirip di mana gangguan aliran ini dapat menyebabkan proses percampuran arus aliran yang lebih baik dan mempercepat terjadinya aliran turbulen pada


M

125


permukaan benda terutama pada sisi bagian belakang dari sirip radial, yakni pada arus ikut pusaran turbulen. Dari grafik yang ditunjukkan oleh gambar 5 diketahui bahwa seiring dengan kenaikan diameter lubang sampai diameter lubang tertentu juga diikuti dengan kenaikan laju aliran kalor, akan tetapi pada diameter yang lebih besar dari 9 mm (yakni 10 mm) laju aliran kalor mengalami penurunan walaupun masih di atas laju aliran kalor dari sirip tanpa lubang. Hal ini karena pada diameter lubang sampai diameter lubang tertentu (yakni 9 mm), besarnya kenaikan koefisien perpindahan konveksi rata-rata yang terjadi lebih dominan daripada pengurangan luas permukaan sirip karena adanya lubang pada sirip. Fenomena ini juga diperlihatkan pada hasil penelitian yang ditunjukkan oleh garfik pada gambar 6 di mana dari grafik tersebut diketahui seiring dengan kenaikan jumlah lubang sampai jumlah tertentu juga diikuti dengan kenaikan laju aliran kalor, akan tetapi pada jumlah yang lebih besar dari 24 mm laju aliran kalor tidak mengalami peningkatan laju aliran kalor yang berarti bahkan mempunyai kecenderungan untuk turun. Hal ini karena sampai pada jumlah lubang KESIMPULAN 1.

2.

3.

Laju perpindahan kalor dari sirip radial di sekeliling silinder luar dengan berbagai diameter dan jumlah lubang lebih tinggi dari laju perpindahan kalor dari sirip radial tanpa lubang pada berbagai Bilangan Reynlods. Besarnya laju aliran kalor pada sirip radial berlubang mengalami kenaikan seiring dengan kenaikan diameter lubang hingga diameter lubang tertentu, setelah akan mengalami penurunan Besarnya laju aliran kalor pada sirip radial berlubang juga mengalami kenaikan seiring dengan kenaikan jumlah lubang pada sirip hingga jumlah lubang tertentu, dan setelah itu akan mengalami penurunan

DAFTAR PUSTAKA

Incropera, F.P., D.P. DeWitt, 1993, “Introduction to Heat Transfer”, Third Ed., John Wiley & Sons. Incropera, F.P., DeWitt, D.P., 2002, “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”, Fifth ed., John Wiley & Sons. Janna, W.S., 1986, “Engineering Heat Transfer”, PWS Engineering, Boston. Kern, D.Q., Kraus, A.D., 1972, “Extended Surface Heat Transfer”, McGraw-Hill, New York. Kraus, A.D., Aziz, A., Welty, J., 2001, “Extended Surface Heat Transfer”, Wiley, New York. Kreith, F., 1994, “Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas”, Edisi Ketiga, Penerbit Erlangga Jakarta. Kundu, B., Das, P.K., 2001, “Performance Analysis and Optimization of Annular Fin With a Step Change in Thickness”, Journal of Heat Transfer, Vol. 123, No. 3, pp. 601–604. Elsevier Science Ltd Mokheimer, E.M.A., 2002, “Performance of annular fins with different profiles subject to variable heat transfer coeffcient”, Int. J. Heat Mass Transfer 45 (2002) 3631–3642, Elsevier Science Ltd. Ozisik, M.N., 1981, “Basic Heat Transfer”, McGraw- Hill, Kogakusha, Tokyo, Japan. Supriatno, 1998, “Pengaruh Pembuatan Lubang Pada Sirip Radial Berprofil Segiempat Terhadap Laju Perpindahan Kalor Pada Silinder Bersirip”, Prosiding Seminar, Nasional Perpindahan Panas dan Massa, Jurusan Teknik Kimia, FT-UGM, Hal. 33-78. Taufiq, B.N., , Masjuki, H.H., Mahlia, T.M.I., Saidur, R., Faizul, M.S., Mohamad, E.N., “Second law analysis for optimal thermal design of radial fin geometry by convection”, www.sciencedirect.com, Applied Thermal Engineering 27 (2007) 1363–1370, Elsevier Science Ltd. Webb, R.L., 1994, “Principles of enhanced heat transfer”, Wiley, New York. Yeh, R.H., 1997, “An analytical study of the optimum dimensions of rectangular fins and cylindrical pin fins”, Int. J. Heat Mass Transfer. Vol. 40, No. 15, pp. 3607-3615, Elsevier Science Ltd

Arslanturk, C., 2005, “Simple correlation equations for optimum design of annular fins with uniform thickness”, www.sciencedirect.com, Applied Thermal Engineering 25 (2005) 2463–2468, Elsevier Science Ltd. Gardner, K.A., 1945, “Efficiency of extended surfaces”, Trans. ASME J. Heat Transfer 67 (1945) 621–631. Holman, J.P., 1981, “Heat Transfer”, Fifth Edition, McGraw Hill Inc.


M

126

SEMINAR NASIONAL ke 8 Tahun 2013 : Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi

Recommend Documents