STUDI PERPINDAHAN PANAS PADA ALAT BANTU PENDINGINAN PRA RADIATOR PADA ENGINE STAND BENSIN DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM CFD ABSTRAK

POLITEKNOSAINS VOL. XI NO. 2

Maret 2013

STUDI PERPINDAHAN PANAS PADA ALAT BANTU PENDINGINAN PRA RADIATOR PADA ENGINE STAND BENSIN DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM CFD Taufiq Hidayat 1) ,Arif Setyo Nugroho 2) 1)

Universitas Nahdatul Ulama Surakarta, Akademi Teknologi Warga Surakarta

2)

ABSTRAK Over heating that occurs in motor fuel is often caused due to sub-optimal performance of the radiator. One other solution that is very simple to do is to utilize the initial cooling before entering the radiator with the addition of a tool that is a finned channel. To prove the extent to which the effectiveness of the tool (finned channel) in combustion using CFD program. CFD simulation is one that is used with the help of Fluent software to explain the heat transfer phenomena that occur on the channel that is placed pre finned radiator. The results showed a reduction in the use of CFD temperature by using a finned channel with a variable number of fins 6 and 11 respectively are 740C, 730C, whereas the amount of direct research fins 6 and 11 respectively are 74.570C, 73.570C. Keywords: CFD, Radiator, finned Channels, Number of fins, Engine Stand I. PENDAHULUAN Parameter performance sebuah mesin otomotif adalah salah satunya “Heat Balance”. Komponenkomponen “Heat Balance” antara lain kerugian panas karena pelumasan, pendinginan, pembuangan, pembakaran yang tidak sempurna. Kerugian panas akibat sistem pendinginan memegang sekitar 30% dari panas hasil pembakaran. Gangguan yang terjadi pada sistem pendinginan menyebabkan indikator suhu mesin menunjukan gejala over heating. Kondisi dengan suhu mesin yang sangat extrim ini menyebabkan gangguan pada komponen komponen Studi Perpindahan Panas…

mesin lain yang sangat meningkatkan kemungkinan terjadi gangguan. Terjadinya over heating pada saat pemakaian ditandai dengan mesin mati dengan sendirinya. Terbukanya katup thermostat pada saat suhu mesin mencapai suhu kerja yang berkisar 85-900C, sedang apabila suhu mesin masih dibawah suhu kerja aliran air akan melalui bypass. Arismunandar ( 2002) menjelaskan dalam penelitiannya bahwa pada dasarnya performa sistem pendinginan dapat dikontrol dari warna air, apabila sudah keruh saat dijalankan maka dapat dikatakan radiator kotor dan

63


perlu dilakukan pengkondisian ulang (Arismunandar, 2002). Pemakian air radiator yang berasal dari air sumur sering menyebabkan permasalahan pada radiator, solusinya adalah dengan penambahan coolant radiator. Selain penambahan coolant radiator cara lain yang bisa dilakukan antara lain mengganti kipas dengan jumlah sudu. Pemilihan sudu yang lebih banyak akan mengakibatkan serapan tenaga ke mesin menjadi bertambah besar sehingga dampak secara langsung adalah mesin menjadi lebih boros. Solusi lain yang telah dilakukan guna meningkatkan performa radiator adalah penambahan alat pendingin pra radiator yang berupa saluran bersirip dengan penambahan PCM (Phase Change Material), maupun non PCM yang berupa saluran yang dilengkapi dengan sirip. Penambahan PCM pada saluran masuk radiator mampu menurunkan suhu air masuk radiator turun sebesar 100C. (Giyanto, 2007). Sedangkan pemakaian sirip dengan

Maret 2013

jumlah 6 dan11 tanpa memakai parafin (PCM) mampu menurunkan suhu yang akan masuk ke radiator turun sebesar 3 – 80 (Rochmadi, 2005). Penurunan suhu mesin dengan modifikasi pengkondisian saluran oli oleh Tedjo (2006) dalam penelitianya perubahan saluran bersirip dari pabrikan ke modifikasi mampu menurunkan suhu mesin sebesar 180C, yang diukur di dalam ruang carter oli mesin. II. BAHAN DAN METHODE A. BAHAN Bahan yang digunakan adalah a. Satu set PCM b. Engine stand ( bensin) c. Alat ukur suhu d. Disain komputasi dalam gambit. Simulasi CFD yang dilakukan adalah dengan mempergunakan bentuk geometri saluran bersirip dengan ukuran seperti pada gambar 2 (a), 2 (b) dan 2 (c).

8

Studi Perpindahan Panas… input

output

64


25 mm

80 mm

Maret 2013

25 mm

130 mm

Ø32 mm

Ø 60 mm

3

1

4 2 5

(c) Peletakan saluran bersirip Gambar 2. Saluran bersirip Keterangan gambar Gambar 2 (a) adalah gambar 1. Suhu input radiator pandangan samping saluran 2. Radiator bersirip dengan ukuran detail 3. Suhu out put mesin ukuran panjang dan jarak 4. Saluran bersirip sirip, gambar 2 (b) adalah 5. Saluran bersirip input no gambar pandangan depan 1- 11 dengan ukuran diameter pipa 6. Saluran bersirip out put. dan sirip sedangkan gambar 2 Studi Perpindahan Panas…

65


(c) adalah gambar penempatan saluran bersirip pada engine stand L 300 bensin. Pada simulasi CFD jumlah sirip divariabelkan 6 dan 11. Dimensi jarak sirip 11 seperti tampak pada gambar 2 (a) dan jarak sirip 6 pada di dua sisi luar berjarak sama sedangkan jarak antar sirip tengah berjarak 16 mm. Pada Simulasi CFD material yang diambil adalah fluida air

Maret 2013

dengan temperatur masuk saluran bersirip 3500K (diambil dari pengukuran langsung). B. METHODE Metodologi penelitian ini disajikan sebagaimana pada diagram alir, prosedur simulasi sebagaimana terlihat dalam gambar 3.

Gambar 2 diagram alir penelitia

III. KAJIAN PUSTAKA Perpindahan kalor serta penurunan tekanan (pressure drop) yang terjadi sangat bergantung pada karakteristik inti radiator. Cairan pendingin (air) yang dipompakan masuk ke dalam radiator pada temperatur ± Studi Perpindahan Panas…

80 0C akan melepaskan kalornya akibat adanya perbedaan temperatur yang lebih rendah yaitu antara temperatur air dengan dinding pipa radiator bagian dalam, yang berpindah secara konveksi. Selanjutnya perbedaan temperatur yang lebih rendah 66


Maret 2013

antara dinding pipa bagian dalam air yang diinginkan maka dengan dengan dinding pipa bagian luar bantuan kipas (fan), udara akan memicu terjadinya ditiupkan pada arah menyilang perpindahan panas secara terhadap radiator sehingga konduksi, dan perpindahan panas perbedaan temperature antara dengan cara yang sama akan sirip dan dinding pipa bagian luar diteruskan lagi pada sirip-sirip terhadap udara tersebut kembali yang sengaja disambungkan pada memicu terjadinya perpindahan dinding pipa bagian luar. Untuk panas secara konveksi. mendapatkan penyerapan panas ro 1. Konduksi panas melalui = jari-jari luar dinding rata (m) = jari-jari r1 .................................................................... (1) dalam (m) Dimana : 3. Perpindahan panas q = konduksi konveksi atau aliran panas melalui dinding rata ................................ (W) Dimana k = konduktivitas Q = laju kalor (W/m.k) perpindahan panas A = luas konveksi (W) 2 penampang (m ) H = koefisiensi ∆x = tebal dinding perpindahan panas (m) o (W/m2 C) T1 = temperatur A = Luas pada dinding luar bagian penampang kiri (°K) Tw = temperatur = temperatur T2 permukaan dinding (oK) pada dinding luar bagian T∞ = temperatur kanan (°K) fluida (oK) 2. Konduksi panas melalui 4. Perpindahan panas silinder konveksi pada pipa .......................................................................... Untuk menentukan (2) pola aliran, ditentukan dengan Dimana : angka Reynolds. Q = laju .................................................. perpindahan panas konveksi (W) Dimana T1 = temperatur Re = angka dinding dalam (oK) Reynold = temperatur T2 = massa jenis dinding luar (oK) fluida (kg/m3) Studi Perpindahan Panas…

67


Maret 2013

= diameter dal = suhu dinding am pipa (m) (K) = viskositas = suhu fluida dinamika (kg/m.s) gas (K) 7. Keseimbangan energy di = kecepatan pemanas udara rata-rata Q udara = Q gas buang Jika bilangan Reynold ≤ 2300 aliran laminar Jika bilangan Reynold ≥ 4000 aliran turbulen …………………………… Jika bilangan Reynold . (7) 2300 ≤ Re ≤ 4000 aliran Dimana transisi. = Laju aliran 5. Bilangan Nusselt tipe udara turbulen untuk perpindahan = Panas Jenis panas secara turbulen. rata- rata udara .................................................................... (5) – = Suhu rata Dimana rata udara Nu = bilangan = Laju aliran Nusselt gas Pr = bilangan = Panas jenis Prandlt rata – rata gas N = 0,3 untuk = Suhu rata – pendingin ; 0,4 untuk rata gas pemanas Re = Reynolds 6. Perpindahan kalor konveksi persatuan panjang

angka

IV HASIL DAN PEMBAHASAN A. HASIL Hasil iterasi yang diambil adalah countur temperatur pada saluran .................................................................. (6) input, temperatur pada saluran Dimana output dan temperatur pada sirip. = perpindahan Perpindahan panas yang terjadi pada saluran bersirip (suhu air ke panas konveksi persatuan sirip) adalah jenis Konduksi. panjang (W/m) Aliran fluida yang berupa air dari = koefisiensi kepala silinder dengan suhu perpindahan panas 2 sebesar 3500K pada engine stand konveksi (W/m .C) L 300 bensin dan V air diambil = diameter sebesar 0.025 m/s. Setelah dalam pipa (m) digambar dan dilakukan

Studi Perpindahan Panas…

68


perhitungan dengan mempergunakan CFD diperoleh hasil sebagai berikut: 1. Pengaruh Suhu pada saluran 6 sirip Hasil besaran suhu pada saluran bersirip yang diambil mulai dari input, dinding saluran masuk (wall kiri), sirip 1 (wall 1) sampai sirip 6 (wall 6), dinding saluran output (wall Komponen inlet_air (H20) wall_kiri (Dinding pipa kiri) wall_1 (sirip ke 1) wall_2 (sirip ke 2) wall_3 (sirip ke 3) wall_4 (sirip ke 4) wall_5 (sirip ke 5) wall_6 (sirip ke 6) wall_kanan (Dinding pipa kanan) outlet_air

Maret 2013

kanan), output adalah seperti tampak pada tabel 1. Pengambilan data didasarkan pada hasil iterasi program fluent . Tabel 1. Hasil besaran suhu pada saluran sirip 6 T (0K) 349.56958 345.58218 345.05725 345.98087 346.24896 346.34756 346.39032 346.41199 346.41962 346.43274

Gambar 3 pengaruh suhu hasil komputasi

Hasil perubahan suhu pada saluran bersirip yang diambil mulai dari input, dinding saluran masuk (wall kiri), sirip 1 (wall 1) sampai sirip 11 (wall 11), dinding saluran output (wall kanan), output adalah seperti tampak pada tabel 1. Tabel 2. Hasil perubahan suhu pada saluran sirip 11 Komponen T (0K) Studi Perpindahan Panas…

69


inlet_air (H20) wall_kiri (Dinding pipa kiri) wall_1 (sirip ke 1) wall_2 (sirip ke 2) wall_3 (sirip ke 3) wall_4 (sirip ke 4) wall_5 (sirip ke 5) wall_6 (sirip ke 6) wall_7 (sirip ke 7) wall_8 (sirip ke 8) wall_9 (sirip ke 9) wall_10 (sirip ke 10) wall_11 (sirip ke 11) wall_kanan (Dinding pipa kanan) outlet_air

Maret 2013

348.55130 332.16250 332.90900 334.66321 335.71848 336.47183 337.05481 337.52670 337.91983 338.25415 338.54282 338.79498 339.01752 339.93408 341.03278

Gambar 4 pengaruh suhu hasil komputasi

B. PEMBAHASAN Tabel 1 dan gambar 3 merupakan data hasil dari iterasi fluent saluran 6 sirip. Pada saluran pipa masuk temperatur masuknya sebesar Studi Perpindahan Panas…

349.5700K dan suhu keluar 346.4330K). Penurunan yang cukup besar terjadi dsari input ke dinding saluran masuk (wall kiri) sampai ke sirip 1 (wall 1). Suhu sirip terjadi peningkatan dimulai 70


Maret 2013

dari wall 2 (sirip 2) sampai output. suhu keluar dari saluran bersirip Suhu pada saluran output sebesar sebesar 346.4330K. Jadi penurunan 346.4330K. Jadi saluran dengan dengan mempergunakan 6 sirip mempergunakan 6 sirip suhu air adalah sebesar 3.140K masuk sebesar 349.5700K dan Tabel 3: Suhu Hasil Penelitian dan Hasil CFD (Sirip 6) JML T input (0K) T output (0K) P F P F SIRIP 6 350 350 347.57 346.433 Ket: P : Hasil penelitian ; F: Hasil dengan mempergunakan CFD

Dari uraian diatas dapat disimpulkan dengan besaran suhu input yang sama 3500K. Penelitian langsung dengan memeprgunakan mesin L300 bensin (gambar 2 c) didapat hasil 347.570K sedangkan dengan mempergunakan CFD didapat 3470K. Tingkat perbedaan hasil dari saat penelitian langsung pada engine dengan mempergunakan program CFD sebesar 1.1370K, faktor utamanya adalah pemakaian alat ukur pengambil data suhu.

Tabel 2 dan Gambar 4 merupakan data hasil dari iterasi fluent sirip.saluran 11 sirip. Pada pipa di dekat input, saluran suhu pipa sebesar 332.16250K. Temperatur masuk sebesar 348.55130K dan suhu keluar sebesar 341.0330K. Suhu terjadi penurunan yang drastis dari suhu input menuju dinding kiri dan dari dinding kiri samapai ke output terjadi peningkatan secara perlahan. Suhu pada saluran output sebesar 3410K. Jadi penurunan dengan mempergunakan 11 sirip adalah sebesar 7.520K Tabel 4: Suhu Hasil Penelitian dan Hasil CFD JML T input (0C) T output (0C) SIRIP P F P F 348.551 341.033 346.57 11 350 Ket: P : Hasil penelitian ; F : Hasil dengan mempergunakan CFD

Dari uraian diatas dapat disimpulkan dengan besaran suhu input yang sama 3500K. Penelitian langsung dengan mempergunakan mesin L300 bensin (gambar 2 c) didapat hasil 346.570K sedangkan dengan mempergunakan CFD didapat 341.0330K.

Studi Perpindahan Panas…

Tingkat perbedaan hasil dari saat penelitian langsung pada engine dengan mempergunakan program CFD, faktor utamanya adalah pemakaian alat ukur pengambil data suhu. Jadi dari jumlah sirip mempengaruhi dari hasil transfer panas melalui sirip, besaran output suhu antara sirip 6 dan 11 terjadi perbedaan tingkat 71


penurunan suhu suhu output pada sirip 6 sebesar 346.4330K dan sirip 11 sebesar 341.0330K. Jumlah sirip sangat mempengaruhi hal ini sesuai dengan rumus dari Changel (2002), jumlah sirip mempengaruhi besaran luasan perpindahan panas yaitu luas sejumlah sirip ditambah luas dinding silinder yang tidak diberi sirip. V. KESIMPULAN Hasil simulasi dengan mempergunakan CFD suhu input saluran bersirip sebesar 3500K didapat suhu out put pada saluran dengan jumlah sirip 6 adalah 346.4330K, sirip 11 adalah 341.0330K. Hasil dari penelitian langsung pada saluran dengan jumlah sirip 6 adalah 347.570K, sirip 11 adalah 346.570K. Jadi dengan mempergunakan program CFD hasil yang didapat mendekati dari hasil dari penelitian langsung, sirip 6 adalah 347.570K dan sirip 11 adalah 341.0330K. Jadi akurasi penggunaan program CFD (fluent) dibandingkan dengan penelitian langsung untuk 6 sirip dan 11 sirip sebesar 99.673% dan 98.560%. VI. DAFTAR PUSTAKA Giyanto dan Suparmin Tedjo, (2007), “Studi Modifikasi Saluran In Put Radiator Dengan Studi Perpindahan Panas…

Maret 2013

PCM (Phase Change Material) Terhadap Efektivitas Kinerja Radiator Dan Tingkat Penurunan Suhu Engine”, LP2M POLSA, NOMOR: 006/SP2H/PP/DP2M/II I/2007,TANGGAL 29 MARET 2007. Hailing Wua, Diana Mab dan Massoud Kaviany, (2007)” Peripheral Fins For Blockage Robustness”. International Journal of Heat and Mass Transfer 50 (2007) 2514–2520. Joko Rochmadi, Taufiq Hidayat dan Sudalto, (2005), “Pengaruh Penambahan Sirip Pada Saluran Pendingin Terhadap Tingkat Penurunan Pendinginan Pada Mobil”, LP2M POLSA, NOMOR: 140/SPPP/PP/DP3M/I V/2005 Mohan R. dan Govindarajan P. (2010).” Thermal Analysis of CPU with variable Heat Sink Base Plate Thickness using CFD”. International Journal of the Computer, the Internet and Management, Vol. 18 No.1 (January-April, 2010), pp 27-36. India. 72


Osamu Tonomura, Manabu Kano, Shinji Hasebe dan Iori Hashimoto. (2002).” CFD-Based Analysis of Heat Transfer and Flow Pattern in Plate-Fin Micro Heat Exchangers”. Proceeding of International Symposium on Design Operation and Control of Chemical Plant (PSE Asia 2002) pp 109-114, Taipei. Taiwan. Dec. 46 (2002). Jader R. Barbosa, Jr., Christian J. L. Hermes dan Cláudio Melo, (2010) “ CFD Analysis Of Tube-Fin ‘No-Frost’ Evaporators”. Copyright © 2010 by ABCM OctoberDecember 2010, Vol. XXXII, No. 4. Brazil. Suparmin Tedjo, Giyanto dan Taufiq Hidayat, (2006). Laporan PDM: “Studi Modifikasi Fin Saluran Oli Ke Silinder/Piston Hubungannya Dengan Tingkat Penurunan Suhu Engine Sepeda Motor”. Nomor: 162/SP3/PP/DP2M/II/2 006, LP3M POLSA. Tanggal 01 Pebruari 2006 Sunardi, Sutrisno, 2007, Laporan PDM: “Studi Studi Perpindahan Panas…

Maret 2013

Modifikasi Fin Spiral Saluran Oli Ke Sistem Mekanisme Katup Hubungannya Dengan Tingkat Penurunan Suhu Engine Sepeda Motor”. Nomor: 006/SP2H/PP/DP2M/II I/2007. LP3M POLSA. 29 Maret 2007. Yunus A. Chengel, (2002), “Heat Tranfer”, www.mhhe.com/cengel .

73

STUDI PERPINDAHAN PANAS PADA ALAT BANTU PENDINGINAN PRA RADIATOR PADA ENGINE STAND BENSIN DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM CFD ABSTRAK

Recommend Documents