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

Transkripsi

1 EMINAR NAIONAL ke 8 ahn 13 : Rekayasa eknologi Indstri dan Inormasi UDI EKPERIMENAL PENGARUH JUMLAH DAN DIAMEER LUBANG PADA IRIP EKELILING ILINDER LUAR ERHADAP LAJU PERPINDAHAN KALOR Joko Winarno Jrsan eknik Mesin Fakltas eknik Universitas Janabadra Jalan R. Mataram No Yogyakarta hjinarno5@yahoo.com ABRAC An experimental stdy as condcted to investigate the eect o nmber and diameter o the hole on the otside cylinder in to the rate o heat transer or given hole nmber in the bloing air. he model o the otside cylinder in made o alminim ere employed in this ork. he radial rectanglar proile in in 19,5 mm length ith thikness o,1 mm ere monted on heating cylinder ith otside diameter o 19,9 mm. Mltiprpose air dct as sed or providing bloing air. he experimental reslts shoed that rate o heat transer o the otside cylinder in increased in given sitation by increasng the vale o the Reynlods nmber or all cases o the in. For the irst case, rate o heat transer o the otside cylinder in increased by increasng the vale o diameter o the hole, bt the limit is reached hen the area ratio approximate,7 mm, and or the second case, rate o heat transer o the otside cylinder in increased by increasng the nmber o the hole, bt the limit is reached hen the area ratio as abot,9 mm he riction actor redced by increasng the vale o the Reynlods nmber and increased by increasing the vale o the nmber and diameter o the hole on the otside cylinder in. he vale o eectiveness as above or all cases o the in. Keyords : he otside cylinder in, Friction actor, Reynolds Nmber, Heat transer rate PENDAHULUAN aat ini banyak kass aplikasi di bidang teknik memerlkan komponen-komponen perpindahan kalor dengan njk kerja tinggi dengan berat, volme dan biaya yang lebih rendah. Pada mmnya aplikasi yang sering dijmpai ntk mendapatkan peningkatan laj aliran kalor adalah penggnaan permkaan yang menonjol (extended srace) dalam bentk sirip. ebagai contoh penggnaan sirip, misalnya ntk proses pendinginan silinder pada motor pembakaran dalam, pendinginan silinder kompresor, pendinginan peralatan elektrikal seperti transormator dan lain sebagainya. Permkaan yang menonjol dalam bentk sirip ini jga dignakan secara las dalam alat penkar kalor (heat exchangers), tertama penkar kalor jenis pipa bersirip aliran silang, ntk memperbesar las permkaan perpindahan kalor, sehingga daya gna alat tersebt dapat meningkat. Berbagai kajian analitis telah banyak dilakkan terhadap rancangan sirip yang optimm ntk mendapatkan komponen perpindahan kalor dengan njk kerja tinggi, ringan dan kompak. Arslantrk (5) melakkan optimasi rancangan dari sirip dilakkan melali da pendekatan, yakni meminimalkan volme ata massa sirip pada tgas termal tertent dan memaksimalkan laj aliran kalor pada volme ata massa sirip yang telah ditentkan edangkan optimasi rancangan geometri dari aransemen (ssnan) sirip dapat dilakkan melali pendekatan Hkm Keda ermodinamika dengan meminimalkan pembangkitan entropi (aiq, et.al., 6). Berkaitan dengan pengrangan berat ata volme sirip, Fji. et.al. (1998) telah melakkan penelitian terhadap sirip radial berlbang pada sebah alat penkar kalor. Dari hasil penelitiannya diperoleh baha terjadi peningkatan laj perpindahan kalor pada permkaan sirip berlbang yang disebabkan oleh aliran yang meleati permkaan sirip berlbang akan terbagi menjadi da komponen dan terjadi psaran yang akan mempercepat terjadinya trblensi. Gardner dalam Kreith (1994) telah menganalisa eisiensi dari sirip radial berproil segiempat dan sirip radial berproil segitiga, sedangkan Kern dan Kras (197) melakkan kajian teoritis terhadap sirip dengan berbagai macam proil dan diketah baha sirip dengan proil parabolik cekng mempnyai kemampan mentranser kalor yang maksimm. Webb (1994) dan Kras et.al. () jga melakkan analisis terhadap berbagai proil dari sirip dan hasilnya dapat diketahi baha sirip dengan proil hiperbolik mempnyai kemampan mentranser kalor yang hampir sama dengan sirip dengan proil parabolik cekng. ementara it Yeh (1997) melakkan stdi analitis terhadap sirip berproil segiempat dengan mempertimbangkan koeisien perpindahan yang berbah-bah terhadap temperatr dan perpindahan kalor dari jng sirip. Berkaitan dengan koeisien perpindahan kalor dari sirip, Mokheimer () jga melakkan kajian analitis terhadap berbagai proil EKOLAH INGGI EKNOLOGI NAIONAL, 14 Desember 13 M 1

2 EMINAR NAIONAL ke 8 ahn 13 : Rekayasa eknologi Indstri dan Inormasi sirip radial dengan koeisien perpindahan kalor lokal yang berbah-bah. Peningkatan laj perpindahan kalor akibat penambahan lbang pada permkaan perpindahan kalor jga dilaporkan oleh chlichting (1979). Penelitian yang sama jga dilakkan oleh priatno (1998). Dari keda penelitian tersebt diketahi baha penambangan lbang pada sirip dapat mengakibatkan terjadinya peningkatan laj perpindahan kalor. UJUAN PENELIIAN DAAR EORI Penelitian ini dimaksdkan ntk mengetahi njk kerja termal dari sirip sekeliling silinder lar (sirip radial) dengan berbagai diameter dan jmlah lbang dalam sat aliran dara. Penelitian dilakkan pada eek parameter geometri lbang pada sirip terhadap koeisien perpindahan kalor ata Bilangan Nsselt, dan aktor gesekan yang dihasilkan oleh sirip ntk mengetahi karakter besarnya laj perpindahan kalor. Dari penelitian ini diharapkan dapat diperoleh karakteristik las permkaan sirip berlbang terhadap laj aliran kalor. Kalor yang diserap oleh dara dirmskan sebagai berikt : Q m. c. (1) Di mana : a p m. A. V s ; ot in oi ot ; ini in (4) ema siat-siat dara dievalasi pada temperatr borongan rata-rata : ot in ar (5) edangkan besarnya rgi-rgi kalor dari silinder bersirip adalah : Q hc. A. (6) r Di mana : br r bi i r ; br ; r (7) Eektiitas dari sirip adalah : Q Ab. hb. b (8) Besarnya koeisien perpindahan kalor konveksi rata-rata dihitng dengan : m. cp( ot in) hc (9) A.( ) r Las total permkaan perpindahan kalor (A ) silinder bersirip tanpa lbang: A ( Ac N. rb ) ( r r ).. r N + N. r e (1) e b e. Las total permkaan perpindahan kalor (A ) sirip berlbang adalah : A ( A N. r ) ( r r ).. r 1 M (11) c b e b e. N Untk analisis dignakan parameter-parameter tak-berdimensi berikt ini : a. Nsselt Nmber dan Bilangan Reynolds : hc D VD N dan Re (1) k v b. Faktor gesek dan eektiitas sirip c. Rasio las g. P. D V. L dan A A Q dengan sirip (13) Qtanpasirip h (14) 4 D L EKOLAH INGGI EKNOLOGI NAIONAL, 14 Desember 13 M 13

3 EMINAR NAIONAL ke 8 ahn 13 : Rekayasa eknologi Indstri dan Inormasi MEODE PENELIIAN snan dari peralatan pengjian Heater Benda ji Bloer Wind nnel eksi ji Panel control Voltage Reaglator Amperemeter Voltmeter Gambar 1 : snan peralatan pengjian 1 mm 1 mm 164 mm mm Gambar : Rancangan model silnder bersirip 4 mm 8 mm EKOLAH INGGI EKNOLOGI NAIONAL, 14 Desember 13 M 14

4 Laj Aliran Kalor (Q), Watt Faktor Gesek, Koe. Perpindahan Kalor Konveksi (hc), Watt/m.C Rasio Faktor Gesek erhadap Bilangan tanton, /t Laj Aliran Kalor (Q), Watt Faktor Gesek, EMINAR NAIONAL ke 8 ahn 13 : Rekayasa eknologi Indstri dan Inormasi HAIL DAN PEMBAHAAN a. Penelitian Pengarh diameter lbang DIA. LUBANG 1 mm Log. () Log. () Log. () 5 Log. () Log. () Log. (DIA. LUBANG 1 mm) Log. () JML LUBANG 1 JML LUBANG 4 Expon. () Expon. () Expon. (JML LUBANG 1) Gambar 3 Graik laj aliran kalor dari silinder bersirip pada berbagai bilangan Reynolds DIA. LUBANG 1 mm Log. () Log. () Log. (). Gambar 7 Graik aktor gesek pada berbagai bilangan Reynolds JML LUBANG 1 JML LUBANG 4 Expon. () Expon. () Expon. (JML LUBANG 1) Expon. () Gambar 4 Graik koeisien perpindahan kalor konveksi rata-rata pada berbagai bil. Reynolds DIA. LUBANG 1 mm Expon. () Expon. () Bilangan 38 Reynolds, 43 Re Gambar 5 Graik aktor gesek pada berbagai bilangan Reynold b. Penelitian Pengarh jmlah lbang JML LUBANG 1 JML LUBANG 4 Poly. () Poly. () Poly. (JML LUBANG 1) Poly. (JML LUBANG 4) Poly. () Gambar 6 Graik laj aliran kalor pada berbagai bilangan Reynolds Gambar 8 Graik Rasio aktor gesek terhadap bilangan tanton Pada berbagai bilangan Reynolds PEMBAHAAN Pada graik yang ditnjkkan oleh gambar 3 dan gambar 4 dapat diketahi baha laj aliran kalor dari sema kass sirip yang diji mengalami kenaikan seiring dengan naiknya Bilangan Reynolds. Kecenderngan kenaikan laj aliran kalor ini disebabkan pada Bilangan Reynolds yang semakin besar, hambatan gesekan permkaan benda akan semakin kecil dan gaya lembam akan semakin besar. Hal ini dapat menyebabkan terjadinya psaran trblensi di bagian belakang benda ji. Di samping it pada kecepatan aliran dara yang semakin besar dapat menyebabkan lapis batas laminer pada permkaan benda menjadi trblen, sehingga koeisien perpindahan kalor konveksi rata-rata akan meningkat seiring dengan naiknya bilangan Reynolds. Dari keda graik tersebt jga dapat diketahi bahasanya laj aliran kalor dari sirip yang diberi lbang lebih besar daripada sirip tanpa lbang pada berbagai bilangan Reynolds ntk sema kass diameter dan jmlah lbang yang dijikan pada sirip. Hal ini karena dengan adanya lbang pada permkaan sirip dapat menyebabkan timblnya ganggan aliran pada permkaan sirip. Ganggan ini disebabkan adanya aliran yang meleati lbang-lbang pada permkaan sirip di mana ganggan aliran ini dapat menyebabkan proses percampran ars aliran yang lebih baik dan mempercepat terjadinya aliran trblen pada EKOLAH INGGI EKNOLOGI NAIONAL, 14 Desember 13 M 15

5 EMINAR NAIONAL ke 8 ahn 13 : Rekayasa eknologi Indstri dan Inormasi permkaan benda tertama pada sisi bagian belakang dari sirip radial, yakni pada ars ikt psaran trblen. Dari graik yang ditnjkkan oleh gambar 5 diketahi baha seiring dengan kenaikan diameter lbang sampai diameter lbang tertent jga diikti dengan kenaikan laj aliran kalor, akan tetapi pada diameter yang lebih besar dari 9 mm (yakni 1 mm) laj aliran kalor mengalami penrnan alapn masih di atas laj aliran kalor dari sirip tanpa lbang. Hal ini karena pada diameter lbang sampai diameter lbang tertent (yakni 9 mm), besarnya kenaikan koeisien perpindahan konveksi rata-rata yang terjadi lebih dominan daripada pengrangan las permkaan sirip karena adanya lbang pada sirip. Fenomena ini jga diperlihatkan pada hasil penelitian yang ditnjkkan oleh garik pada gambar 6 di mana dari graik tersebt diketahi seiring dengan kenaikan jmlah lbang sampai jmlah tertent jga diikti dengan kenaikan laj aliran kalor, akan tetapi pada jmlah yang lebih besar dari 4 mm laj aliran kalor tidak mengalami peningkatan laj aliran kalor yang berarti bahkan mempnyai kecenderngan ntk trn. Hal ini karena sampai pada jmlah lbang KEIMPULAN 1. Laj perpindahan kalor dari sirip radial di sekeliling silinder lar dengan berbagai diameter dan jmlah lbang lebih tinggi dari laj perpindahan kalor dari sirip radial tanpa lbang pada berbagai Bilangan Reynlods.. Besarnya laj aliran kalor pada sirip radial berlbang mengalami kenaikan seiring dengan kenaikan diameter lbang hingga diameter lbang tertent, setelah akan mengalami penrnan 3. Besarnya laj aliran kalor pada sirip radial berlbang jga mengalami kenaikan seiring dengan kenaikan jmlah lbang pada sirip hingga jmlah lbang tertent, dan setelah it akan mengalami penrnan DAFAR PUAKA Arslantrk, C., 5, imple correlation eqations or optimm design o annlar ins ith niorm thickness,.sciencedirect.com, Applied hermal Engineering 5 (5) , Elsevier cience Ltd. Gardner, K.A., 1945, Eiciency o extended sraces, rans. AME J. Heat ranser 67 (1945) Holman, J.P., 1981, Heat ranser, Fith Edition, McGra Hill Inc. Incropera, F.P., D.P. DeWitt, 1993, Introdction to Heat ranser, hird Ed., John Wiley & ons. Incropera, F.P., DeWitt, D.P.,, Fndamentals o Heat and Mass ranser, Fith ed., John Wiley & ons. Janna, W.., 1986, Engineering Heat ranser, PW Engineering, Boston. Kern, D.Q., Kras, A.D., 197, Extended race Heat ranser, McGra-Hill, Ne York. Kras, A.D., Aziz, A., Welty, J., 1, Extended race Heat ranser, Wiley, Ne York. Kreith, F., 1994, Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas, Edisi Ketiga, Penerbit Erlangga Jakarta. Knd, B., Das, P.K., 1, Perormance Analysis and Optimization o Annlar Fin With a tep Change in hickness, Jornal o Heat ranser, Vol. 13, No. 3, pp Elsevier cience Ltd Mokheimer, E.M.A.,, Perormance o annlar ins ith dierent proiles sbject to variable heat transer coecient, Int. J. Heat Mass ranser 45 () , Elsevier cience Ltd. Ozisik, M.N., 1981, Basic Heat ranser, McGra- Hill, Kogaksha, okyo, Japan. priatno, 1998, Pengarh Pembatan Lbang Pada irip Radial Berproil egiempat erhadap Laj Perpindahan Kalor Pada ilinder Bersirip, Prosiding eminar, Nasional Perpindahan Panas dan Massa, Jrsan eknik Kimia, F-UGM, Hal aiq, B.N.,, Masjki, H.H., Mahlia,.M.I., aidr, R., Faizl, M.., Mohamad, E.N., econd la analysis or optimal thermal design o radial in geometry by convection,.sciencedirect.com, Applied hermal Engineering 7 (7) , Elsevier cience Ltd. Webb, R.L., 1994, Principles o enhanced heat transer, Wiley, Ne York. Yeh, R.H., 1997, An analytical stdy o the optimm dimensions o rectanglar ins and cylindrical pin ins, Int. J. Heat Mass ranser. Vol. 4, No. 15, pp , Elsevier cience Ltd EKOLAH INGGI EKNOLOGI NAIONAL, 14 Desember 13 M 16