KERJA PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN RADIATOR OTOMOTIF

Transkripsi

1 PENGARUH KECEPATAN UDARA TERHADAP UNJUK KERJA PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN RADIATOR OTOMOTIF SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh: HINDRAWAN NIM: I JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2013 commit ii to user

2 commit iii to user

3 PENGARUH KECEPATAN UDARA TERHADAP UNJUK KERJA PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN RADIATOR OTOMOTIF Disusun oleh : Hindrawan NIM. I Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II Wibawa Endra J, ST., MT. Tri Istanto, ST., MT. NIP NIP Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari... tanggal Ubaidillah, S.T., M.Sc.... NIP Eko Prasetyo B., ST., MT.... NIP Mengetahui: Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir commit ii to user

4 MOTTO Karena sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan. Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan (Al Insyirah : 5 6) Allah tidak membebani seseorang melainkan sesuai dengan kemampuannya (QS. Al Baqarah : 86) Sesungguhnya shalat itu mencegah dari (perbuatan-perbuatan) keji dan mungkar (QS. Al Ankabut (29) ; 45). Senyumam kepada saudaramu adalah sedekah (Sabda Nabi Muhammad S.A.W) Jika engkau tidak memahami sahabatmu dalam semua kondisi, makaengkau tidak akan pernah memahaminya. (Kahlil Gibran) commit iii to user

5 Pengaruh Kecepatan Udara Terhadap Unjuk Kerja Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan Radiator Otomotif Hindrawan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia Abstrak Penelitian ini dilakukan untuk menguji unjuk kerja perpindahan panas dan penurunan tekanan radiator otomotif dengan memvariasikan kecepatan udara antara 1-3 m/s dengan kenaikan sebesar 0,5m/s. Seksi uji berupa radiator dengan louver fin with corrugated louver with rectangular channelyang terbuat dari aluminium. Temperatur air masuk pipa radiator dijaga konstan 80 C.Temperatur udara melewati radiator ±30 C.Hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin meningkatnya bilangan Reynolds udara maka koefisien perpindahan panas sisi udara dan laju perpindahan panas sisi udara semakin meningkat.faktor gesekan semakin menurun seiring meningkatnya bilangan Reynold udara. Penurunan tekanan semakin meningkat seiring meningkatnya nilai bilangan Reynolds udara. Kata kunci :bilanganreynoldsudara,heat transfer, pressure drop,louver fin. Effect of Air Speed Performance Against Heat Transfer and Pressure drop Automotive Radiator Hindrawan Department of Mechanical Engineering University of Sebelas Maret Surakarta, Indonesia Abstract This study was conducted to test the performance of heat transfer and pressure drop by varying the speed of automotive radiator air between 1-3 m/s with a rise of 0.5 m/s. The test section of the radiator with a louver fin with corrugated louver with rectangular channel which is made of aluminum.the temperature of incoming water pipe the radiator guarded constant 80 C.Temperature of the air through the radiator 30 C.The results show that increasing the Reynolds number air heat transfer coefficient of air side and the air side of the heat transfer rate increases. Friction factor decreases with increasing Reynolds number air. The pressure drop increases with increasing value of the Reynolds number of air. Keywords: air Reynolds number, heat transfer, pressure drop, louver fin. commit iv to user

6 KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah SWT karena berkat rahmat, dan hidayah- Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.adapun tujuan penulisan skripsi ini adalah untuk memenuhi sebagian persyaratan untuk mencapai gelar Sarjana Teknik di Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta. Penulis menyampaikan terima kasih yang sangat mendalam kepada semua pihak yang telah berpartisipasi dalam penelitian dan penulisan skripsi ini, khususnya kepada : 1. Bapak Wibawa E.J, S.T., M.T.selaku dosen pembimbing I yang dengan ikhlas dan sabar memberikan banyak bantuan dalam penelitian dan penulisan skripsi ini. 2. Bapak Tri Istanto, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing II yang telah memberikan banyak masukan dalam penelitian dan penulisan skripsi ini. 3. Kedua orang tua penulis, bapak (Maswan) dan ibu (Harnati), yang selalu mendoakan serta mengajarkan tentang tanggung jawab dan kesabaran, saudara-saudara tercinta Listianigsih dan Varatri Apriliani serta seluruh keluarga terima kasih atas do a, kasih sayang, dan semangat yang diberikan sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. 4. Emmy Velida yang telah memberikan motifasi, dukungan dan semangat yang besar hingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Selalu sabar dan tidak pernah berhenti memberi teguran dan masukan. Terima kasih juga atas do anya dan perhatianya,terima kasih banyak. 5. Berbagai pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu, atas bantuan dan dorongan semangat serta do anya, terima kasih. Penulis menyadari bahwa dalam skripsi ini masih terdapat banyak kekurangan. Adanya saran, koreksi dan kritik demi kesempurnaan skripsi ini, akan penulis terima dengan ikhlas dan dengan ucapan terima kasih. Surakarta, Juli 2013 Penulis commit v to user

7 DAFTAR ISI Halaman Halaman Judul... i Halaman Surat Penugasan... ii Halaman Pengesahan... iii Halaman Motto... iv Abstrak... v Kata Pengantar... vi Daftar Isi... vii Daftar Tabel... ix Daftar Gambar... x Daftar Persamaan... xii Daftar Notasi... xvi Daftar Lampiran... xxii BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Dan Manfaat Sistematika Penulisan... 4 BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka Dasar Teori Radiator sebagai Penukar Panas Motor Bakar Fluida Pendingin (coolant) Laju aliran udara terhadap Unjuk kerja Radiator Perpindahan Panas Parameter Tanpa Dimensi Perhitungan pada radiator Geometri radiator Perhitungan Luas Perpindahan Panas commit vi to user

8 2.7. Analisa Perpindahan Panas Perhitungan Laju Perpindahan Panas Perhitungan bilangan Reynolds dan bilangan Nusselt sisi air dan udara Perhitungan Koefisien Perpindahan Panas Pada Sisi Air dan Udara (Hi dan Ho) Perhitungan Penurunan Tekanan (Pressure Drop).. 26 BAB III METODE PENELITIAN 3.1. Tempat Penelitian Bahan Penelitian Alat Penelitian Prosedur Penelitian Tahap Persiapan Tahap Pengujian Metode Analisis Data Diagram Alir Penelitian BAB IV DATA DAN ANALISIS 4.1. Pengaruh Bilangan Reynolds Terhadap Bilangan Nusselt dan Faktor Gesekan Pada Radiator Pengaruh bilangan Reynold terhadap Penurunan Tekanan Pada Radiator Pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien perpindahan panas sisi udara Pengaruh Kecepatan Udara Terhadap Efektivenes Radiator Otomotif BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN commit vii to user

9 DAFTAR TABEL Halaman Tabel3.1. Spesifikasi radiator commit viii to user

10 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Susunan aliran coolant pada radiator... 7 Gambar 2.2. Komponen radiator... 9 Gambar 2.3. Tutup radiator Gambar 2.4. Fin dan Tube Aluminium radiator Gambar 2.5. Louver fin with corrugated louver with rectangular channel (Chang dan Wang. 1997) Gambar 2.6. Ilustrasi jenis-jenis perpindahan panas Gambar 2.7. Dimensi dasar pada radiator Gambar 2.8. Faktor koreksi LMTD, F, untuk penukar kalor aliran melintang dengan kedua fluida tidak bercampur, (Kakaç and Liu. 2002) Gambar 2.9. Analogi listrik untuk perpindahan panas pada radiator Gambar Pengukuran pressure drop pada radiator dengan menggunakan manometer (sisi air) Gambar Pengukuran tekanan udara masuk dan keluar dengan manometer (sisi udara) Gambar 3.1. Gambar 3.1. Skema alat Unit Stand Radiator Otomotif Gambar 3.2. Gambar 3D Unit Stand Radiator Otomotif Gambar 3.3. Unit Standradiator Otomotif Gambar 3.4. Radiator Otomotif Gambar 3.5. Pemanas air elektrik (Electric Water Heater) Gambar 3.6. Inverter motor listrik 3 phase Gambar 3.7. Rotameter Gambar 3.8. Manometer udara dan manometer air Gambar 3.9. Anemometer Gambar 4.1. Grafik hubungan Nu lp dengan Re lp Gambar 4.2. Grafik hubungan faktor gesekan ( f)dengan Re lp Gambar 4.3. Grafik hubungan penurunan tekanan ( P) dengan Re lp commit ix to user

11 Gambar 4.4. Grafik hubungan koefisien perpindahan panas sisi udara dengan Re lp Gambar 4.5. Grafik hubungan e penukar kalor dengan Re lp commit x to user

12 DAFTAR PERSAMAAN Halaman Persamaan (2.1) Perpindahan panas konduksi Persamaan (2.2) Perpindahan panas konveksi Persamaan (2.3) Perpindahan panas radiasi Persamaan (2.4) Bilangan Reynolds Persamaan (2.5) Bilangan Prandtl Persamaan (2.6) Bilangan Nusselt Persamaan (2.7) Panjang sirip Persamaan (2.8) Luas frontal inti radiator Persamaan (2.9) Luas frontal pipa coolant Persamaan (2.10) Luas perpindahan panas frontal sirip Persamaan (2.11) Luas perpindahan panas pada sirip Persamaan (2.12) Luas perpindahan panas pada pipa coolant sisi dinding luar tanpa sirip Persamaan (2.13) Luas perpindahan panas total pada sisi udara Persamaan (2.14) Keliling penampang pipa coolant sisi dinding dalam 16 Persamaan (2.15) Luas perpindahan panas total pada sisi coolant Persamaan (2.16) Luas laluan udara total Persamaan (2.17) Luas penampang pipa coolant sisi dinding dalam Persamaan (2.18) Luas laluan coolant total Persamaan (2.19) Laju perpindahan panas di sisi air Persamaan (2.20) Laju perpindahan panas di sisi udara Persamaan (2.21) Temperatur bulk fluida rata-rata air Persamaan (2.22) Temperatur bulk fluida rata-rata udara Persamaan (2.23) Laju perpindahan panas di sisi air Persamaan (2.24) Laju perpindahan panas di sisi udara Persamaan (2.25) Bilangan Reynold air Persamaan (2.26) Diameter hidrolik pipa radiator commit xi to user

13 Persamaan (2.27) Kecepatan air di pipa coolant Persamaan (2.28) Nusselt air aktual rata-rata Persamaan (2.29) Nusselt Korelasi Dittus-Boelter Persamaan (2.30) Nusselt Korelasi Dittus-Boelter untuk proses pendinginan Persamaan (2.31) Nusselt Korelasi Gnielinski Persamaan (2.32) Faktor gesekan Persamaan (2.33) Bilangan Reynolds udarapada fin Persamaan (2.34) Bilangan Reynolds udarapada louver Persamaan (2.35) Bilangan Nusselt udara aktualrata-rata Persamaan (2.36) Korelasi j-faktor Kim dan Bullard Persamaan (2.37) Bilangan Nusselt korelasi Kim dan Bullard Persamaan (2.38) Faktor gesekan udara aktual Persamaan (2.39) Faktor gesekan udara korelasi Kim dan Bullard Persamaan (2.40) Laju perpindahan panas sisi air metode LMTD Persamaan (2.41) Laju perpindahan panas sisi udara metode LMTD Persamaan (2.42) Faktor koreksi Persamaan (2.43) Beda temperatur LMTD Persamaan (2.44) Beda temperaturlmtd penjabaran Persamaan (2.45) Beda temperaturpenjabaran Persamaan (2.46) Tahanan termal total radiator Persamaan (2.47) Koefisien perpindahan panas total Persamaan (2.48) Koefisien perpindahan panas total penjabaran Persamaan (2.49) Koefisien perpindahan panas total penjabaran Persamaan (2.50) Koefisien perpindahan panas total penjabaran Persamaan (2.51) Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di sisi air Persamaan (2.52) Laju perpindahan panas di sisi udara Persamaan (2.53) Laju perpindahan panas sisi air metode LMTD Persamaan (2.54) Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di sisi air Persamaan (2.55) efisiensi permukaan commit xii to user

14 Persamaan (2.56) luas perpindahan panas total pada sisi udara Persamaan (2.57) Efisiensi sirip Persamaan (2.58) Efisiensi sirip penjabaran Persamaan (2.59) Laju perpindahan panas di sisi udara Persamaan (2.60) Bilangan Nusselt udara Persamaan (2.61) Diameter hidrolik sirip Persamaan (2.62) Bilangan Reynolds udara Persamaan (2.63) kecepatan rata-rata udara pada fin radiator Persamaan (2.64) kecepatan rata-rata udara pada fin radiator Persamaan (2.65) laju kapasitas panas di sisi air Persamaan (2.66) laju kapasitas panas di sisi udara Persamaan (2.67) Laju perpindahan panas di sisi air Persamaan (2.68) Laju perpindahan panas di sisi udara Persamaan (2.69) Efektifitas radiator Persamaan (2.70) Beda temperatur maksimum Persamaan (2.71) Laju perpindahan panas maksimum Persamaan (2.72) Laju kapaitas panas Persamaan (2.73) Laju kapaitas panas Persamaan (2.74) efektifitas radiator Persamaan (2.75) Laju perpindahan panas rata-rata udara dan air Persamaan (2.76) Number of transfer unit Persamaan (2.77) Faktor gesekan Persamaan (2.78) Faktor gesekan untuk permukaan halus aliran Persamaan (2.79) Faktor gesekan untuk permukaan halus aliran turbulen kembang penuh Persamaan (2.80) Korelasi faktor gesekancolebrook Persamaan (2.81) Korelasi faktor gesekancolebrook penjabaran Persamaan (2.82) Head loss berdasarkan faktor gesekan Persamaan (2.83) Persamaan energi untuk aliran tunak tak mampu mampat Persamaan (2.84) Head loss Persamaan (2.85) Head losspenjabaran commit xiii to user

15 Persamaan (2.86) Substitusi head loss Persamaan (2.87) faktor gesekan air Persamaan (2.88) Beda tekanan air Persamaan (2.89) Beda tekanan air Persamaan (2.90) Beda tekanan air Persamaan (2.91) Berat jenis air Persamaan (2.92) faktor gesekan air Persamaan (2.93) Beda tinggi cairan manometer udara masuk duct Persamaan (2.94) Beda tinggi cairan manometer udara keluar duct Persamaan (2.95) Beda tinggi vertikal cairan manometer masuk duct Persamaan (2.96) Beda tinggi vertikal cairan manometer keluar duct Persamaan (2.97) Tekanan manometer udara masuk duct Persamaan (2.98) Tekanan manometer udara keluar duct Persamaan (2.99) Penurunan tekanan udara Persamaan (2.100) Tekanan udara masuk duct Persamaan (2.101) Tekanan udara keluar duct Persamaan (2.102) Penurunan tekanan udara commit xiv to user

16 DAFTAR NOTASI q g w g m h d = sudut kemiringan manometer = 15 o = berat jenis aliran air dalam radiator (kg/(m².s²)) = berat jenis fluida dalam manometer (kg/(m².s²)) = efisiensi sirip radiator = ketebalan pipa radiator (m) r 1 = massa jenis udara masuk duct (kg/m 3 ) r 2 = massa jenis udara masuk duct (kg/m 3 ) r a = massa jenis udara (kg/m 3 ) r m = massa jenis fluida (mercury) dalam manometer (kg/m 3 ) r w = massa jenis air (kg/m 3 ) h o = efisiensi permukaan (surface efficiency) µ a = densitas dinamik udara (kg/m.s) µ w = viskositas dinamik air (kg/m.s) α f = sudut sirip ( o ) ε ν = efektifitas = viskositas kinematik udara (m 2 /s) σ = konstanta (W/m 2.K 4 ) = berat jenis udara ( kg/m 2.s 2 ) H H 1 H 2 L 1 L 2 P = beda ketinggian fluida dalam manometer (m) = perbedaan tinggi vertical cairan manometer, udara masuk duct (m) = perbedaan tinggi vertical cairan manometer, udara keluar duct (m) = perbedaan tinggi cairan manometer, udara masuk duct (m) = perbedaan tinggi cairan manometer, udara keluar duct (m) = penurunan tekanan udara pada radiator (Pa) T = beda temperatur ( o C) commit xv to user

17 DT LMTD,cf = Beda temperatur rata-rata ( o C) z = perubahan elevasi (m) A = luas perpindahan panas (m 2 ) A a = luas perpindahan panas total pada sisi udara (m 2 ) A b = luas perpindahan panas pada pipa tanpa sirip (m 2 ) A d = luas penampang saluran (duct) (m 2 ) A duct = luas penampang duct (m) A f = luas perpindahan panas pada sirip (m 2 ) A fr,f = luas perpindahan panas frontal sirip (m 2 ) A fr,r = luas frontal inti radiator (m 2 ) A fr,t = luas frontal pipa coolant (m 2 ) A p = luas penampang pipa coolant sisi dinding dalam (m 2 ) A p,a = luas laluan udara total (m 2 ) A p,c = luas laluan coolant total (m 2 ) A t = luas permukaan rata-rata dinding pipa (m 2 ) A w = luas perpindahan panas total pada sisi coolant (m 2 ) A w = luas perpindahan panas total sisi coolant (m 2 ) B H B T B W = Tinggi inti (Core height) = Ketebalan inti (Core thickness) = Lebar inti (Core width) C a = kapasitas panas sisi udara ( J/s o. C ) C p,a = panas jenis udara (J/kg. o C) C p,w = panas jenis air (J/kg. o C) C w = kapasitas panas sisi air ( J/s o. C ) d D h D h,a D h,i = diameter dalam pipa (m) = diameter hidrolik dalam pipa (m) = diameter hidrolik fin (m) = diameter hidrolik pipa radiator (m) commit xvi to user

18 e = kekasaran absolut (m) e/d f F F d F h F l F p F t = kekasaran relatif = faktor gesekan = Faktor koreksi = kedalaman fin (m) = Tinggi sirip = panjang sirip (m) = Pitch sirip = Ketebalan sirip g = percepatan gravitasi = 9.8 (m/s 2 ) h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m 2. o C) H = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m 2. o C) H 1 H 2 = ketinggian cairan manometer setelah dialiri udara (katup A buka) (m) = ketinggian cairan manometer setelah dialiri udara (katup B buka) (m) h a = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di sisi udara (W/m 2. o C) H f H o = head loss berdasarkan faktor gesekan = ketinggian cairan manometer sebelum dialiri udara (m) h w = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di sisi air (W/m 2. o C) j = bilangan j faktor dari persamaan Kim and bullard k = konduktivitas panas (W/m. o C) ka = konduktivitas termal udara (W/m. o C) k c dan k e = koefisien dari pressure loss antara sisi masuk dan keluar diperoleh dari buku Kays and London. k f = konduktivitas termal material sirip (W/m. o C) k t = konduktivitas termal dinding pipa (W/m. o C) k w = konduktivitas termal air di pipa radiator (W/m. o C) l L a = panjang pengukuran pressure drop (m) = sudut louver commit xvii to user

19 = Panjang louver L l L p ṁ a ṁ w N ct N f N f(per meter) N P N r NTU Nu Nu a Nu i P P 1 P 2 P atm Pr Q Q a Q ave Q d Q rad Q w R e Re a Re fin Re lp = louver pitch (m) = laju aliran massa udara = ra.va. Ad (kg/s) = laju aliran massa air = rw. Q (kg/s) = Jumlah pipa coolant dalam satu baris = Jumlah sirip per meter =jumlah sirip per meter = Jumlah profil = Jumlah baris dari pipa dalam dimensi kedalaman inti = number of transfer unit = bilangan Nusselt = bilangan Nusselt udara rata-rata pada fin radiator = bilangan Nusselt air rata-rata di pipa radiator = keliling penampang pipa coolant sisi dinding dalam (m) = tekanan udara masuk duct = tekanan udara keluar duct = tekanan atmosfer = Pa = bilangan Prandtl = laju perpindahan panas (Watt) = laju perpindahan panas di sisi udara (W) = laju perpindahan panas rata-rata (W) = debit air di pipa radiator (m 3 /s) = panas yang dipancarkan (Watt) = laju perpindahan panas di sisi air (W) = bilangan Reynold = bilangan Reynolds udara pada fin = bilangan Reynold pada fin = bilangan Reynolds pada louver commit xviii to user

20 Re w = bilangan Reynolds aliran coolant di pipa radiator R f R f,a R f,w R t R t = Radius ujung sirip = faktor pengotoran (fouling faktor) di sisi udara = faktor pengotoran (fouling faktor) di sisi air = Radius ujung pipa coolant = radius ujung pipa coolant (m) SG m = Specific gravity mercury di dalam manometer = T = temperatur permukaan benda (K) T = temperatur fluida ( o C) T 1 = temperatur udara masuk duct (K) T a,i = temperatur udara masuk saluran ( o C) T a,o = temperatur udara keluar saluran ( o C) T b,a = temperatur bulk udara ( o C) T b,w = temperatur bulk air ( o C) T w,i = temperatur air masuk pipa radiator ( o C) T w,in = temperatur dinding dalam pipa radiator ( o C) T w,o = temperatur air keluar pipa radiator ( o C) T w,out = temperatur dinding luar pipa radiator = (o C) T wall = temperatur permukaan benda ( o C) T wall,out U a UA U w V V a V duct V fin V w = temperatur dinding luar pipa radiator = (o C) = Koefisien perpindahan panas menyeluruh disisi udara (W/m 2.C) = koefisien perpindahan panas total (W/m 2.C) = Koefisien perpindahan panas menyeluruh disisi air (W/m 2.C) = kecepatan aliran fluida dalam pipa (m/s) = kecepatan rata-rata pada fin (m/s) = kecepatan rata-rata pada duct (m) = kecepatan rata-rata udara pada fin (m/s) = kecepatan rata-rata air di pipa coolant (m/s) commit xix to user

21 x = ketebalan bahan (m) Y cl Y cw Y l Y p Y t = Panjang penampang pipa coolant = Lebar penampang pipa coolant = Panjang pipa coolant = Pitch pipa coolant = Ketebalan pipa coolant commit xx to user

22 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran1. Data hasilpengujian Lampiran2. Contoh perhitungan untuk variasi kecepatan udara 1 m/s Lampiran3. Data hasil perhitungan Lampiran4. Tabeldata seksi uji Lampiran5. Properties udara Lampiran6. Propertiesair Lampiran7. Tabel konduktivitastermal material commit xxi to user