ANALISIS PENGARUH BEBAN PANAS (Q) TERHADAP KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI NATURAL PELAT DATAR

Transkripsi

1 ANALISIS PENGARUH BEBAN PANAS (Q) TERHADAP KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI NATURAL PELAT DATAR Pieter W. Teteleta * Abstract Exerimental studies conducted to investigate the effect of a flat late with a characteristic length of heat transfer of natural convection. The study was conducted by varying the heat load (Q*) at W, with the characteristic length () = 0,4 m and the temerature surrounding 8 o C is constant. The study shows the increasing heat load (Q*), the otimum heat transfer characteristics occurs at Q* = 400 W and a minimum at Q* = 00 W. Increasing the heat load (Q*) < 400 W, the heat transfer characteristics of the accelerated namely; Rayleigh number (Ra) rose 77,4%, Nusselt number (Nu) rose 88.0%, convective coefficient (h) rose 86.74% and convection heat transfer rate (q conv ) rose 61.9%. Keywords: Natural convection, heat load, flat late, Rayleigh number, Nusselt number I. PENDAHULUAN Menurut Cengel (1997) alikasi erindahan anas daat dijumai ada berbagai bidang keteknikan diantaranya ada industri ermesinan, esawat terbang, sistim ermesinan dan endinginan, yang mana selalu melibatkan ketiga mekanisme erindahan anas ada berbagai bentuk enamang yakni konduksi, konveksi dan radiasi. Mekanisme erindahan anas elat datar meruakan salah satu dari sekian banyak enamang yang sering dijumai dan sangat luas alikasinya. Perindahan anas konveksi adalah roses transort energi dengan kerja gabungan dari konduksi anas, enyimanan energi dan gerakan mencamur (Bayacitoglu dan Ozirik, 1988). Perindahan anas konveksi daat diklasifikasikan dalam tiga kategori yaitu konveksi bebas (free convection), konveksi aksa (forced convection) dan konveksi camuran (mixture convection). Bila gerakan mencamur berlangsung semata-mata sebagai akibat dari erbedaan keraatan yang disebabkan gradien temeratur, maka dikatakan sebagai konveksi bebas/alamiah (natural), sedangkan bila gerakan mencamur disebabkan oleh suatu alat tertentu dari luar dikatakan sebagai konveksi aksa dan gerakan mencamur berlangsung disebabkan akibat dari erbedaan keraatan dan alat dari luar dikatakan sebagai konveksi camuran (Bejan, A., 199). Fenomena erindahan anas konveksi terdiri dari dua mekanisme yaitu erindahan energi sebagai akibat dari ergerakan molukuler acak (difusi) dan energi yang diindahkan secara makroskoik dari fluida (Kays, W. M dan Crawford, M. E., 199). Menurut Incroera dan de Witt (1996) menyatakan bahwa mekanisme erindahan anas di atas elat datar meruakan contoh dari sekian banyak bentuk enamang yang sering kita jumai dan sangat luas alikasinya, misalnya ada seterika listrik, rocesor dan head mesin. Penggunaan elat datar yang tidak sesuai dengan keadaan sekitar juga daat memengaruhi karakteristik dari elat datar itu sendiri, misalnya elat datar yang enggunaannya ada daerah terbuka akan berbeda dengan elat datar yang diletakkan dalam suatu ruangan tertutu. Menurut Bejan, A (199) hukum Newton endinginan mengisyaratkan bahwa erindahan anas konveksi ada elat datar tergantung dari besarnya beban anas, temeratur ermukaan, luas enamang dan keceatan fluida. Jika memvariasikan beban anas elat datar (Q*) ada anjang karakteristik () konstan, maka ada indikasi laju erindahan anas akan meningkat. Untuk itu dalam enelitian ini akan didesain sebuah elat datar yang diletakkan secara vertikal untuk memerlihatkan fenomena erindahan anas konveksi alamiah. Beban anas (Q*) = 00 hingga 400 W ada anjang karakteristik () = 0.4 m konstan bertujuan untuk mengetahui beraa besar erubahan karakteristik erindahan anas elat datar. II. METODOLOGI PENELITIAN.1. Variabel Penelitian Adaun variabel enelitian dibedakan atas variabel bebas yakni beban anas (Q*) dan variabel terikat yakni karakteristik erindahan anas elat datar yakni: Ra, Nu, h, dan q konv. * Pieter W Teteleta, Dosen Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Unatty

2 804 Jurnal TEKNOLOGI, Volume 5 Nomor, 010: Instalasi Penelitian Pandangan Dean keadaan steady. Penematan alat ukur ada model uji adalah sebagai berikut: 10 cm 0 cm T T 4 40 cm T Heater T T T 1 1 T ro T Heater Asbes Pelat datar 1 T 1 Pelat datar Asbes Gambar 1. Instalasi enelitian.. Prosedur Penelitian Adaun rosedur enelitian dari oven rumah tangga sebagai berikut: 1. Menyiakan elat datar sesuai dengan gambar 1 dimana heater diletakan dibawah elat datar, sedangkan saming kiri, kanan dan bawah heater diberikan isolasi termal.. Meletakan elat datar diatas hetaer 400 W, dimana elat datar dibagi dalam emat (4) region engukuran.. Kemudian menghubungkan heater dengan aliran listrik sebagai sumber anas. 4. Setting beban anas (Q*) = 00 W. 5. Setting temeratur ruang (T ro ) = 80 o C. 6. Energi listrik diubah menjadi energi anas dihasilkan oleh heater tersebut diteruskan ke elat datar sehingga menaikan suhu ruang sebesar 80 o C ada ruang emanas, jika T ro > 80 o C atau T ro < 80 o C akan dideteksi oleh sensor emanas sehingga hubungan listrik akan diutuskan dan sebaliknya. 7. Tunggu hingga temeratur ruang (T ro ) telah mencaai kondisi stedi dan dilakukan engukuran. 8. Pengambilan data temeratur elat (T ), temeratur udara sekeliling (T ) dengan menggunakan termocouel Tie T yang dihubungkan dengan dislay digital termocontroller ada selang 15 menit. 9. Pengukuran temeratur elat datar dilakukan dan diulang sebanyak lima kali. 10. Mengulangi langkah ke 4 hingga langkah ke 9 untuk berbagai variasi beban anas (Q*) yakni; 5 W, 50 W, 75 W dan 400 W..4. Teknik Pengambilan Data Pengukuran temeratur ada model uji dilakukan dengan menggunakan thermocoule dan dibaca dengan menggunakan dislay thermometer. Pembacaan temeratur dilakukan saat kondisi dari model uji dalam Gambar. Lokasi engukuran Keterangan : T = temeratur elat, T ro = temeratur ruang..5. Teknik Analisa Data Data hasil engukuran akan dianalisa dengan menggunakan regresi berganda untuk mendaat karakteristik erindahan anas dari elat datar yakni bilangan Rayleght (Ra), bilangan Nusselt (Nu), koefisen erindahan anas konveksi (h) dan laju erindahan anas konveksi (q konv ). Kemudian menyimulkan hasil enelitian.. HASIL DAN PEMBAHASAN.1. Data Hasil Penelitian Pengujian dilakukan secara konveksi alamiah dengan memvariasikan beban anas (Q*) yakni 00 W hingga 400 W ada anjang karakteristik () sebesar 0,4 m dan temeratur kamar (T ro ) = 160 o C konstan. Pengambilan data dilakukan setelah sistem dalam kondisi steady state. Dengan temeratur sekeliling 8 o C dan tekanan 1 atm, dieroleh data seerti dierlihatkan dalam tabel 1, di bawah. Tabel 1. Data enelitian engukuran temeratur elat datar T ro = 80 o C; T = 8 o C Q* Checkoint temeratur (W) (m) T1 T T T4 T

3 Ra Nu Pieter W Teteleta; Analisis Pengaruh Beban Panas (Q) Terhada Karakteistik Perindahan Panas 805 Konveksi Natural Pelat Datar.. Analisa Grafik..1. Pengaruh beban anas terhada bilangan Rayleigh. Gambar memerlihatkan semakin meningkat beban anas (Q*) elat datar dengan anjang karakteristik () = 0,4 m konstan maka bilangan Rayleigh (Ra) mengalami akselerasi ula dan mencaai otimal ada (Q*) = 400 W sedangkan minimum ada (Q*) = 00 W. Kenaikan bilangan Ra cuku signifikan terjadi ada anjang karakteristik (Q*) < 75 W dengan gradien kenaikan curam, sedang ada beban anas (Q*) > 75 W terjadi akselerasi bilangan Ra dengan gradien kenaikan landai..7e+06.5e+06.e+06.1e+06 Grafik distribusi Ra = f (Q*) 1.9E+06 Gambar. Distribusi bilangan Rayleigh (Ra) Bilangan Rayleigh (Ra) menunjukkan tingkat gaya bouyancy, dimana semakin besar bilangan Ra maka gaya bouyancy-nya menjadi semakin besar dan sebaliknya. Gaya bouyancy yang besar akan menyebabkan efek turbulensi fluida yang semakin besar sehingga encamuran udara yang mengalir ada sekitar ermukaan elat juga semakin besar. Menurut Naylor, D dan Oosthuzen, P. H (1999) hal ini sesuai dengan ersamaan bilangan Ra berikut ini: g. L. T T Ra Gambar 4. Distribusi bilangan Nusselt (Nu) Fenomena ini disebabkan oleh semakin meningkatnya temeratur elat rata-rata yang menyebabkan gradient temeratur elat rerata dengan temeratur sekeliling yang konstan semakin curam menyebabkan bilangan Nu ada sisi elat semakin terakselerasi. Kondisi ini terjadi ada (Q*) < 75 W dan ada (Q*) > 75 W terjadi ula akselerasi bilangan Nu dengan gradient kenaikan landai. Bilangan Nusselt (Nu) meruakan fungsi dari bilangan Rayleigh (Ra) dan bilangan Prandtl (Pr) diman semakin meningkatnya temeratur elat rata-rata maka bilangan Ra mengalami eningkatan sedangkan bilangan Pr semakin mengalami enurunan. Bilangan Nu meruakan salah satu arameter yang sangat enting untuk mengetahui karakteristik erindahan anas konveksi natural. Semakin meningkatnya bilangan Nu sebagai akibat bertambahnya beban anas (Q*) karena bilangan Nu berbanding lurus dengan bilangan Ra, sesuai ula dengan ersamaan berikut (Kern, D.Q., 198): Nu Grafik distribusi Nu = f (Q*) 1/ Ra.68 9 /16 4 / 9 (1 (0.49 / Pr) )... Pengaruh beban anas terhada bilangan Nusselt Gambar 4 memerlihatkan semakin meningkatnya beban anas (Q*) elat datar dengan anjang karakteristik () = 0,4 m konstan, maka bilangan Nusselt (Nu) mengalami akselerasi cuku signifikan terjadi ada beban anas (Q*) < 75 W dengan gradien kenaikan curam, sedang ada beban anas (Q*) > 75 W terjadi ula akselerasi cuku signifikan bilangan Nu dengan gradien kenaikan curam. Bilangan Nusselt (Nu) otimal terjadi ada (Q*) = 400 W dan minimum ada (Q*) = 00 W.... Pengaruh beban anas terhada koefisien erindahan anas konveksi Gambar 5 memerlihatkan semakin bertambahnya beban anas (Q*) elat datar dengan anjang karakteristik () = 0,4 m konstan, maka koefisien erindahan anas konveksi (h) mengalami akselerasi cuku signifikan terjadi ada anjang karakteristik (Q*) < 75 W dengan gradien kenaikan curam, sedang ada (Q*) > 75 W terjadi ula akselerasi koefisen erindahan anas konveksi (h) dengan gradien kenaikan landai.

4 qkonv h 806 Jurnal TEKNOLOGI, Volume 5 Nomor, 010: Gambar 5. Distribusi koefisien konveksi Fenomena ini disebabkan oleh semakin meningkatnya beban anas (Q*) yang menyebabkan gradient temeratur elat rerata semakin meningkat dengan temeratur sekeliling yang konstan semakin curam menyebabkan bilangan Ra menjadi semakin meningkat juga, maka bilangan Nu juga semakin meningkat yang akan mengakibatkan harga koefisien erindahan anas konveksi (h) ada sisi elat semakin terakselerasi. Hal ini ula sesuai dengan ersamaan koefisien erindahan anas konveksi (h) berikut ini (Incroera, Frank P. and de Witt, David P., 1999): Nu k h L Grafik distribusi h = f (Q*) 10 Koefisien erindahan anas konveksi (h) otimal ada beban anas (Q*) = 400 W, sedangkan minimum ada beban anas (Q*) = 00 W...4. Pengaruh beban anas terhada laju erindahan anas konveksi Gambar 6 memerlihatkan semakin bertambahnya bebab anas (Q*) dengan anjang karakteritik () = 0,4 m konstan, maka laju erindahan anas konveksi (q konv ) mengalami akselerasi cuku signifikan terjadi ada bebab anas (Q*) < 75 W dengan gradien kenaikan curam, sedangkan ada bebab anas (Q*) > 75 W terjadi ula akselerasi laju erindahan anas konveksi (qkonv) cuku signifikan dengan gradien kenaikan landai. Laju erindahan anas konveksi otimal terdaat ada bebab anas (Q*) = 00 W, sedangkan minimum ada bebab anas (Q*) = 400 W. Grafik distribusi qkonv = f (Q*) Gambar 6. Distribusi laju erindahan anas konveksi Fenomena ini memerlihatkan laju erindahan anas konveksi (q konv ) sangat didominasi oleh kenaikan temeratur elat rerata yang menyebabkan gradient temeratur elat rerata dengan temeratur sekeliling yang konstan semakin curam menyebabkan laju erindahan anas konveksi (q konv ) ada sisi elat semakin terakselerasi. Hal ini ula sesuai dengan ersamaan laju erindahan anas konveksi (q konv ) berikut ini (Cengel, Yunus, A., 1998): q h A 4. KESIMPULAN T T Hasil enelitian ekserimen dengan memvariasikan bebab anas (Q*) = W ada anjang karakteristik () = 0,4 m konstan ada elat datar menghasilkan kesimulan, berikut ini : 1. Karakteristik erindahan anas yakni; bilangan Rayleigh (Ra), bilangan Nusselt (Nu), koefisien konveksi (h) dan laju erindahan anas konveksi (q konv ) semakin terakselerasi dengan gradient kenaikan signifikan dan otimal terjadi ada (Q*) = 400 W sedangkan minimum (Q*) = 00 W.. Semakin meningkat (Q*) < 400 W, maka karakteristik erindahan anas semakin terakselerasi yakni; bilangan Ra naik 77.4%, bilangan Nu naik 88.0%, koefisien konveksi h naik 86.74% dan laju erindahan anas konveksi q konv naik 61.9%. DAFTAR PUSTAKA Bejan, A., 199., Heat Transfer, John Willey & Sons, Inc, New York. Bayazitoglu, Y dan Ozisik, M, N., 1988., Element of Heat Transfer, McGraw- Hill Book Comany, New York. Cengel, Yunus, A., 1998, Heat Transfer a Practical Aroach, McGraw-Hill, New York. Incroera, Frank P. and David P. Dewitt., 1999., Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Fourth Edition, John Willey & Sons Co, New York. Kays, W. M dan Crawford, M. E., 199, Convective Heat and Mass Transfer, McGraw-Hill, Inc, New York. Kern, D.Q., 198., Process Heat Transfer Mc- Graw Hill, Tokyo. Kreith, F dan Priyono, A., 1986 Prinsi-Prinsi Perindahan Panas, Edisi ketiga, Penerbit Erlangga, Jakarta. Moran, Michael J. & Howard, N. Shairo., 199., Fundamental of Engineering

5 Pieter W Teteleta; Analisis Pengaruh Beban Panas (Q) Terhada Karakteistik Perindahan Panas 807 Konveksi Natural Pelat Datar Thermodynamics, nd edition, John Willey & Sons, New York. Naylor, D dan Oosthuzen, P. H., 1999, Introduction to Convective Heat Transfer Analysis, McGraw- Hill, New York. Wark. K. Jr. dan Richards D. E., 1999, Termodinamics, Sixth edition, McGraw-Hill, Singaore.