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

Transkripsi

1 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, 2) Akademi Teknologi Warga Surakarta 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 C, C. 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 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 C, 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 Studi Perpindahan Panas 63

2 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 10 0 C. (Giyanto, 2007). Sedangkan pemakaian sirip dengan jumlah 6 dan11 tanpa memakai parafin (PCM) mampu menurunkan suhu yang akan masuk ke radiator turun sebesar (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 18 0 C, 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 64 output input

3 25 mm 80 mm 25 mm Ø32 mm 130 mm Ø 60 mm Keterangan gambar 1. Suhu input radiator 2. Radiator 3. Suhu out put mesin 4. Saluran bersirip 5. Saluran bersirip input no Saluran bersirip out put. (c) Peletakan saluran bersirip Gambar 2. Saluran bersirip Gambar 2 (a) adalah gambar pandangan samping saluran bersirip dengan ukuran detail ukuran panjang dan jarak sirip, gambar 2 (b) adalah gambar pandangan depan dengan ukuran diameter pipa dan sirip sedangkan gambar 2 Studi Perpindahan Panas 65

4 (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 dengan temperatur masuk saluran bersirip K (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 ± 80 0 C 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 Studi Perpindahan Panas 66

5 antara dinding pipa bagian dalam dengan dinding pipa bagian luar akan memicu terjadinya perpindahan panas secara konduksi, dan perpindahan panas dengan cara yang sama akan diteruskan lagi pada sirip-sirip yang sengaja disambungkan pada dinding pipa bagian luar. Untuk mendapatkan penyerapan panas 1. Konduksi panas melalui dinding rata Dimana : q = konduksi panas melalui dinding rata (W) k = konduktivitas kalor (W/m.k) A = luas penampang (m 2 ) x = tebal dinding (m) T 1 = temperatur pada dinding luar bagian kiri ( K) T 2 = temperatur pada dinding luar bagian kanan ( K) 2. Konduksi panas melalui silinder Dimana : Q = laju perpindahan panas konveksi (W) T 1 = temperatur dinding dalam ( o K) T 2 = temperatur dinding luar ( o K) air yang diinginkan maka dengan bantuan kipas (fan), udara ditiupkan pada arah menyilang terhadap radiator sehingga perbedaan temperature antara sirip dan dinding pipa bagian luar terhadap udara tersebut kembali memicu terjadinya perpindahan panas secara konveksi. = jari-jari luar (m)... r 1 = jari-jari (1) dalam (m) 3. Perpindahan panas konveksi atau aliran Studi Perpindahan Panas 67 r o... Dimana Q = laju perpindahan panas konveksi (W) H = koefisiensi perpindahan panas (W/m2 o C) A = Luas penampang Tw = temperatur permukaan dinding ( o K) T = temperatur fluida ( o K) 4. Perpindahan panas konveksi pada pipa... Untuk menentukan (2) pola aliran, ditentukan dengan angka Reynolds.... Dimana Re = angka Reynold = massa jenis fluida (kg/m 3 )

6 = diameter dal am pipa (m) = viskositas dinamika (kg/m.s) = kecepatan rata-rata Jika bilangan Reynold 2300 aliran laminar Jika bilangan Reynold 4000 aliran turbulen Jika bilangan Reynold 2300 Re 4000 aliran transisi. 5. Bilangan Nusselt tipe turbulen untuk perpindahan panas secara turbulen. Dimana Nu = bilangan Nusselt Pr = bilangan Prandlt N = 0,3 untuk pendingin ; 0,4 untuk pemanas Re = angka Reynolds 6. Perpindahan kalor konveksi persatuan panjang Dimana = perpindahan panas konveksi persatuan panjang (W/m) = koefisiensi perpindahan panas konveksi (W/m 2.C) = diameter dalam pipa (m) = suhu dinding (K) = suhu fluida gas (K) 7. Keseimbangan energy di pemanas udara Q udara = Q gas buang. (7) Dimana = Laju aliran udara = Panas Jenis rata- rata udara... = Suhu rata (5) rata udara = Laju aliran gas = Panas jenis rata rata gas = Suhu rata rata gas IV HASIL DAN PEMBAHASAN A. HASIL Hasil iterasi yang diambil adalah countur temperatur pada saluran... (6) input, temperatur pada saluran output dan temperatur pada sirip. Perpindahan panas yang terjadi pada saluran bersirip (suhu air ke sirip) adalah jenis Konduksi. Aliran fluida yang berupa air dari kepala silinder dengan suhu sebesar K pada engine stand L 300 bensin dan V air diambil sebesar m/s. Setelah digambar dan dilakukan Studi Perpindahan Panas 68

7 perhitungan dengan kanan), output adalah seperti mempergunakan CFD diperoleh tampak pada tabel 1. hasil sebagai berikut: Pengambilan data didasarkan 1. Pengaruh Suhu pada saluran pada hasil iterasi program 6 sirip fluent. Hasil besaran suhu pada Tabel 1. saluran bersirip yang diambil Hasil mulai dari input, dinding besaran saluran masuk (wall kiri), sirip suhu pada 1 (wall 1) sampai sirip 6 (wall saluran sirip 6 6), dinding saluran output (wall Komponen T ( 0 K) inlet_air (H 2 0) 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 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 ( 0 K) Studi Perpindahan Panas 69

8 inlet_air (H 2 0) 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 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 K dan suhu keluar K). Penurunan yang cukup besar terjadi dsari input ke dinding saluran masuk (wall kiri) sampai ke sirip 1 (wall 1). Suhu sirip terjadi peningkatan dimulai Studi Perpindahan Panas 70

9 dari wall 2 (sirip 2) sampai output. Suhu pada saluran output sebesar K. Jadi saluran dengan mempergunakan 6 sirip suhu air masuk sebesar K dan suhu keluar dari saluran bersirip sebesar K. Jadi penurunan dengan mempergunakan 6 sirip adalah sebesar K Tabel 3: Suhu Hasil Penelitian dan Hasil CFD (Sirip 6) JML T input ( 0 K) T output ( 0 K) SIRIP P F P F Dari uraian diatas dapat disimpulkan dengan besaran suhu input yang sama K. Penelitian langsung dengan memeprgunakan mesin L300 bensin (gambar 2 c) didapat hasil K sedangkan dengan mempergunakan CFD didapat K. Tingkat perbedaan hasil dari saat penelitian langsung pada engine dengan mempergunakan program CFD sebesar K, faktor utamanya adalah pemakaian alat ukur pengambil data suhu. Ket: P : Hasil penelitian ; F: Hasil dengan mempergunakan CFD Tabel 2 dan Gambar 4 merupakan data hasil dari iterasi fluent sirip.saluran 11 sirip. Pada pipa di dekat input, saluran suhu pipa sebesar K. Temperatur masuk sebesar K dan suhu keluar sebesar K. 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 K. Jadi penurunan dengan mempergunakan 11 sirip adalah sebesar K Tabel 4: Suhu Hasil Penelitian dan Hasil CFD JML T input ( 0 C) T output ( 0 C) SIRIP P F P F Ket: P : Hasil penelitian ; F : Hasil dengan mempergunakan CFD Dari uraian diatas dapat disimpulkan dengan besaran suhu input yang sama K. Penelitian langsung dengan mempergunakan mesin L300 bensin (gambar 2 c) didapat hasil K sedangkan dengan mempergunakan CFD didapat K. 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 Studi Perpindahan Panas 71

10 penurunan suhu suhu output pada sirip 6 sebesar K dan sirip 11 sebesar K. 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 K didapat suhu out put pada saluran dengan jumlah sirip 6 adalah K, sirip 11 adalah K. Hasil dari penelitian langsung pada saluran dengan jumlah sirip 6 adalah K, sirip 11 adalah K. Jadi dengan mempergunakan program CFD hasil yang didapat mendekati dari hasil dari penelitian langsung, sirip 6 adalah K dan sirip 11 adalah K. Jadi akurasi penggunaan program CFD (fluent) dibandingkan dengan penelitian langsung untuk 6 sirip dan 11 sirip sebesar % dan %. VI. DAFTAR PUSTAKA Giyanto dan Suparmin Tedjo, (2007), Studi Modifikasi Saluran In Put Radiator Dengan 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 Hailing Wua, Diana Mab dan Massoud Kaviany, (2007) Peripheral Fins For Blockage Robustness. International Journal of Heat and Mass Transfer 50 (2007) 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 India. Studi Perpindahan Panas 72

11 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 , Taipei. Taiwan. Dec. 4-6 (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 October- December 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 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 Yunus A. Chengel, (2002), Heat Tranfer, Studi Perpindahan Panas 73