TUGAS AKHIR ANALISA PERPINDAHAN PANAS PADA ALAT TERAPI SAUNA BERKAPASITAS SATU ORANG

Transkripsi

1 UGAS AKHIR ANALISA PERPINDAHAN PANAS PADA ALA ERAPI SAUNA BERKAPASIAS SAU ORANG Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Dalam Menempuh Gelar Sarjana Strata Satu (S1) Disusun Oleh : Muttaqien Arrasyid JURUSAN EKNIK MESIN FAKULAS EKNOLOGI INDUSRI UNIVERSIAS MERCU BUANA JAKARA

2 LEMBAR PERNYAAAN Saya yang bertanda tangan dibawah ini : Nama : Muttaqien Arrasyid Nim : Jurusan Fakultas Perguruan inggi : eknik Mesin : eknologi Industri : Universitas Mercu Buana Menyatakan dengan sungguh-sungguh bahwa ugas Akhir ini adalah benar hasil karya saya sendiri bukan salinan atau duplikat dari karya orang lain, kecuali kutipan-kutipan referensi yang telah disebutkan sumbernya Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya atas perhatiannya saya ucapkan terima kasih. Jakarta, 1 Agustus 2008 Muttaqien Arrasyid 2

3 LEMBAR PENGESAHAN ANALISA PERPINDAHAN PANAS PADA ALA ERAPI SAUNA BERKAPASIAS SAU ORANG Nama : Muttaqien Arrasyid Nim : Jurusan : eknik Mesin Fakultas : eknologi Industri ugas ini telah diperiksa dan disetujui oleh: Mengetahui Pembimbing 2 ( Nanang Ruhyat. S.M) Koordinator ugas Akhir (Nanang Ruhyat. S.M) 3

4 KAA PENGANAR Bismillahirrohmanirrohim Syukur alhamdilillah penulis panjatkan kehadirat Allah SW Yang telah memberikan rahmat dan hidayahnya Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan ugas Akhir ini, serta tidak lupa shalawat dan salam pada junjungan kita Nabi besar Muhammad SAW, beserta Keluarga, Sahabat, para pengikut beliau yang setia pada akhir jaman. Penyusun menyadari tidak mungkin dapat menyelesaikan ugas Akhir ini tanpa adanya petunjuk, pengarahan, bimbingan serta dorongan semangat dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesarbesarnya kepada: 1. Bapak dan Ibu tercinta, yang telah memberikan motivasi yang tiada henti. Baik moril maupun material. 2. Adik-adik dan keluarga, teristimewa istriku atas pengertian dan kesabarannya. 3. Bapak Ir. Yuriadi Kusuma. MSc selaku Dekan Fakultas eknologi Industri. 4. Bapak Ir. Ruli Nutranta. M.Eng selaku Ketua Jurusan eknik Mesin. 5. Bapak Nanang Ruhyat, S.M Selaku dosen Pembimbing, sekaligus sebagai Koordinator ugas Akhir, yang juga banyak memberikan masukan. 6. Semua Dosen Jurusan eknik Mesin yang telah memberikan ilmu dan pengetahuannya. 7. Rekan kerja saya Joko imbul atas kerjasamanya dalam melaksanakan ugas Akhir ini. 4

5 8. eman-teman Mahasiswa Jurusan eknik Mesin Khususnya Angkatan 2001 Penulis menyadari dalam penyusunan ugas Akhir ini masih banyak terdapat kekurangan dan keterbatasan pengetahuan yang penulis miliki, Oleh karna itu Kritik dan Saran sangat di harapkan untuk Penyempurnaan ugas akhir ini dalam rangka mendapatkan hasil yang baik di masa-masa yang akan datang. Penulis 5

6 DAFAR ISI Halaman Lembar Pernyataan... i Lembar Pengesahan... ii Kata Pengantar... iii Daftar Isi... v Daftar Gambar... vii Daftar abel... viii Daftar Grafik... ix Nomenklatur... x Abstrak... xi BABI PENDAHULUAN Latar Belakang ujuan Batasan Masalah Metode Pengumpulan Data Sistematika Penulisan... 3 BAB II EORI DASAR Kegiatan Sauna Manfaat Kegiatan Sauna Mekanisme Alat erapi Sauna Perpindahan Kalor Perpindahan Kalor Konduksi Konduktivitas ermal Konduksi Melalui DindingDatar Isolator Dan Nilai R Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh Perpindahan Kalor Secara Konveksi Sistem Konveksi Bebas

7 2.4.8 Rumus Empiris Untuk Konveksi Bebas Konveksi Bebas Dari Silinder Horizontal Konveksi Bebas Dari Bidang Vertikal Alat erapi Sauna BAB III PROSEDUR PENELIIAN Diagram Alir Proses Penelitian Komponen Alat Instrument Ukur Objek Pengujian BAB IV ANALISA DAN PENGUJIAN Analisa Perpindahan Panas Dari Heater Ke Ruangan Analisa Perpindahan Panas erhadap Dinding Pembahasan Berdasarkan Perhitungan Pengujian Alat BAB V PENUUP Kesimpulan Saran DAFAR PUSAKA LAMPIRAN

8 DAFAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Perpindahan kalor konduksi melalui dinding datar Gambar 2.2 Perpindahan kalor menyeluruh melalui dinding datar Gambar 2.3 Konveksi bebas dari silinder horizontal Gambar 2.4 Konveksi bebas dari bidang vertikal Gambar 3.1 Ruangan alat terapi sauna Gambar 3.2 Pemanas elektrik glass heater Gambar 3.3 Contactor Gambar 3.4 hermo control Gambar 3.5 ermokopel Gambar 3.6 Mini circuit breaker Gambar 3.7 Glass Wool dan karton Aluminium Gambar 4.1 iga titik penempatan termometer dalam pengujian

9 DAFAR ABEL Halaman abel 2.1 Konduktivitas termal berbagai bahan abel 2.2 Nilai kira-kira koefisien perpindahan kalor konveksi abel 2.3 Konstanta persamaan untuk permukaan isotermal abel 4.1 Pengujian suhu ruangan kosong abel 4.2 Pengujian manusia dengan berat 45 kg di dalam ruangan sauna abel 4.3 Pengujian manusia dengan berat 50 kg di dalam ruangan sauna abel 4.4 Pengujian manusia dengan berat 57 kg di dalam ruangan sauna abel 4.5 Pengujian manusia dengan berat 60 kg di dalam ruangan sauna

10 DAFAR GRAFIK Halaman Grafik 4.1 Pengujian ruangan sauna kosong Grafik 4.2 Pengujian manusia dengan berbagai berat di dalam ruangan sauna. 41

11 NOMENKLAUR Simbol Keterangan Satuan A Luas m² d Diameter m g Percepatan gravitasi m/s² h Koefisien perpindahan kalor W/m². C k Konduktivitas termal W/m. C L Panjang m q Laju perpindahan kalor W R ahanan termal C/W th Suhu C w Suhu permukaan C Suhu fluida C U Koefisien perpindahan kalor menyeluruh W/m². C 6 v Viskositas kinematik m²/s Beda suhu C x ebal dinding m 1 ß Koefisien volume pemuaian K Kelompok ak Berdimensi Simbol C f Gr m Nu Pr Ra Keterangan Konstanta untuk permukaan isotermal Dievaluasi pada kondisi film Grashof number Konstanta untuk permukaan isotermal Nusselt number Prandtl number Rayleigh number 11

12 ABSRAK Menjaga kebugaran tubuh merupakan satu rangkaian yang terdiri dari beberapa proses dan memerlukan satu sinergi untuk memberi hasil maksimal. Salah satunya adalah mandi sauna yang bisa dilakukan setelah berolahraga. Karena, mandi sauna dapat membantu mengendurkan kembali otot tubuh yang mengejang dan berkontraksi saat berolahraga atau setelah bekerja dengan intensitas dan ketegangan tinggi. Rasa pegal dari otot yang terasa mengejang setelah bekerja bisa disebabkan racun yang menumpuk di jaringan otot. Untuk itu, maka diciptakan alat terapi sauna. Besar suhu yang dihasilkan oleh alat terapi sauna mengacu pada suhu terapi yaitu C. Agar manfaat manfaat dalam melakukan kegiatan sauna dapat dirasakan. Oleh karena itu penulisan ini berisi penelitian mengenai sirkulasi temperatur panas yang terjadi di dalam ruangan alat terapi sauna guna mengetahui temperatur yang nyaman diterima tubuh. Dengan melakukan analisa dan pengujian pada alat terapi sauna tersebut, sehingga didapatkan hasil diantaranya. Untuk besar temperatur yang diharapkan di dalam ruangan sauna 60 C dapat terwujud, maka : 1. Besar laju energi perpindahan kalor heater (q) adalah 0,42474 kw 2. tebal isolasi glasswool dinding adalah 8,7 mm Kata Kunci : Sauna, pemanas elektrik 12

13 BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Menjaga kebugaran tubuh merupakan satu rangkaian yang terdiri dari beberapa proses dan memerlukan satu sinergi untuk memberi hasil maksimal. Salah satunya adalah mandi sauna yang biasa dilakukan setelah berolahraga. Namun, tidak sedikit orang yang melewatinya karena menganggap sauna hanya bagian dari pelengkap ritual. Padahal bila mau menilik lebih dalam, mandi sauna memiliki ragam manfaat bagi kesehatan. Mandi sauna dianjurkan menjadi rangkaian penutup setelah berolahraga. Karena, mandi sauna dapat membantu mengendurkan kembali otot tubuh yang mengejang dan berkontraksi saat berolahraga atau setelah bekerja dengan intensitas dan ketegangan tinggi. Rasa pegal dari otot yang terasa mengejang setelah bekerja bisa disebabkan racun yang menumpuk di jaringan otot. Dengan melakukan sauna, maka racun dalam tubuh dapat terangkat, melancarkan peredaran darah, menyegarkan pikiran, melangsingkan tubuh, dan memperbaiki jaringan otot sehingga terasa lebih rileks. Alat terapi sauna merupakan alat yang diciptakan untuk menghasilkan kehangatan stabil yaitu 40ºC - 60ºC yang kemudian digunakan untuk kegiatan sauna.. Sirkulasi panas menjadi pokok permasalahan dalam kualitas alat ini. Panas juga harus tersebar merata dalam ruang sauna. Dengan panas yang stabil dan merata maka akan memberikan kehangatan dan kenyamanan yang sesuai dengan kebutuhan. 13

14 1. 2. ujuan Penelitian 1. Penelitian ini bermaksud untuk mengetahui temperatur yang nyaman diterima tubuh dari panas yang dihasilkan oleh alat terapi sauna Batasan Masalah Bagaimana sistem perpindahan panas yang terjadi pada alat terapi sauna sehingga dapat memberikan kehangatan yang dibutuhkan dengan waktu yang telah ditentukan. Penulisan tugas akhir ini adalah mengenai perpindahan kalor secara konduksi dan perpindahan kalor secara konveksi serta tentang alat terapi sauna Metode Pengumpulan Data Untuk dapat membuat tugas akhir yang baik dan yang dapat dipertanggungjawabkan diperlukan data yang real dan valid. Untuk itu penulis dalam mengumpulkan data data yang diperlukan, menempuh metode metode pengumpulan data sebagai berikut : 1. Metode Observasi Merupakan cara pengumpulan data yang dilakukan dengan cara melakukan pengamatan langsung terhadap obyek yang akan dibahas. 2. Library Research (Studi Pustaka) 14

15 Merupakan cara pengumpulan data yang dilakukan dengan mengambil referensi dari berbagai literatur yang berhubungan dengan topik bahasan Sistematika Penulisan Penulisan ugas Akhir ini terdiri dari lima bab disertai dengan lampiran lampiran dengan sistematika sebagai berikut : BAB I Pendahuluan Berisi tentang latar belakang masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, metode pengumpulan data, dan sistematika penulisan. BAB II eori Dasar Berisi tentang sauna, perpindahan kalor secara konduksi dan perpindahan kalor secara konveksi. BAB III Prosedur Penelitian Berisi tentang diagram alir, bahan dan peralatan yang digunakan dalam penelitian. BAB IV Analisa dan Pengujian Berisi analisa perpindahan panas yang dihasilkan oleh ruang sauna, dan data data hasil pengujian. BAB V Penutup Berisi tentang kesimpulan dari hasil penelitian dan saran. 15

16 DAFAR PUSAKA LAMPIRAN 16

17 BAB II EORI DASAR 2. 1 Kegiatan Sauna. Pada masa awalnya, sauna digunakan untuk membantu mengeluarkan racun dari dalam tubuh, menyegarkan pikiran dan tubuh. Hal ini pulalah yang kemudian menyebabkan sauna terkenal di berbagai belahan dunia lain. Hingga kini, manfaat kesehatan dari sauna tetap menjadi dasar bagi orang banyak untuk melakukannya. Itu sebabnya, mengapa sauna dianjurkan menjadi rangkaian penutup setelah berolahraga. Pasalnya, mandi sauna ini dapat membantu mengendurkan kembali otot tubuh yang mengejang dan berkontraksi saat berolahraga atau setelah bekerja dengan intensitas dan ketegangan tinggi. Rasa pegal dari otot yang terasa mengejang setelah bekerja bisa disebabkan racun yang menumpuk di jaringan otot. Dengan melakukan sauna, maka racun dalam tubuh pun dapat terangkat, melancarkan peredaran darah, dan memperbaiki jaringan otot sehingga terasa lebih rileks. Keringat yang dihasilkan saat mandi sauna ini pun memberi keuntungan tersendiri. Keringat tersebut merupakan hasil dari pembakaran tubuh karena metabolisme tubuh yang meningkat selama proses sauna. idak heran, bila sauna kemudian menjadi satu proses untuk membantu melangsingkan tubuh. Panas yang dihasilkan sauna ini pun akan membuka pori-pori kulit, sehingga membantu mengeluarkan racun dan kotoran dari dalam tubuh. Efeknya, 17

18 kulit akan terasa lebih bersih dan kencang. Dengan demikian, tubuh pun akan terasa lebih segar dan sehat Manfaat Kegiatan Sauna Dengan melakukan kegiatan sauna, kita dapat memperoleh manfaatmanfaat yang akan berguna bagi kesehatan tubuh, berikut ini adalah manfaatmanfaat yang dapat diperoleh apabila kita melakukan kegiatan sauna : Melancarkan sirkulasi darah tanpa meninggikan tekanan darah. Meningkatkan kadar oksigen dalam darah. Meredakan ketegangan otot. Relaksasi saraf-saraf tubuh. Menghilangkan kekakuan dan gangguan-gangguan otot. Mempercepat hilangnya rasa sakit khususnya pada otot dan persendian. Membantu pengeluaran zat-zat yang tidak berguna dari dalam tubuh sehingga akan membantu proses detoksifikasi tubuh. Membantu mengontrol berat badan. Dengan lancarnya peredaran darah, terpenuhinya kadar oksigen dan meningkatnya proses detoksifikasi, maka metabolisme akan meningkat sehingga immunitas tubuh akan terjaga dengan baik. Cukup dengan penggunaan 30 menit, tubuh akan merasakan kebugaran, relaks serta terasa lebih energik Mekanisme Alat erapi Sauna Prinsip kerja dari alat terapi sauna ini didasarkan pada teori perpindahan kalor secara konveksi bebas, yaitu bilamana sebuah benda ditempatkan dalam 18

19 suatu fluida yang suhunya lebih rendah daripada benda tersebut, panas akan mengalir dari benda ke fluida itu serta mengakibatkan perubahan kerapatan lapisan-lapisan fluida di dekat permukaan. Perbedaan kerapatan menyebabkan fluida yang lebih berat mengalir ke bawah dan fluida yang lebih ringan mengalir ke atas. Keenam glass heater ditempatkan pada bagian bawah dan kedua sisi dari alat terapi sauna dengan pengaturan jarak yang disesuaikan agar panas dapat tersebar merata, glass heater ini dihubungkan dengan pengendali suhu dan juga sensor suhu termokopel. Ketika suhu diset pada besaran tertentu, glass heater akan mulai mengisi dan menghasilkan panas. ermokopel yang ujungnya diletakkan pada bagian dalam ruangan akan berfungsi sebagai pembaca suhu, apabila besaran suhu yang diset tadi telah tercapai, secara otomatis glass heater akan berhenti mengisi, dan begitu seterusnya Perpindahan Kalor Perpindahan kalor ialah ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material, dimana bentuk energi yang berpindah tersebut adalah kalor atau panas. Secara umum, mekanisme perpindahan kalor dapat terjadi melalui tiga cara, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi, namun yang akan dibahas hanyalah masalah perpindahan kalor secara konduksi dan konveksi bebas, karena hanya kedua mekanisme itulah yang terjadi di dalam alat terapi sauna. 19

20 2.4.1 Perpindahan Kalor Secara Konduksi Pada perpindahan panas secara konduksi, kalor atau panas mengalir tanpa disertai gerakan zat, tetapi melaui satu jenis zat. Arah aliran energi kalor dari titik bersuhu tinggi ke titik bersuhu rendah. Apapun mekanismenya, yang pasti akibat dari konduksi panas yang dapat diamati ialah penyamaan suhu. etapi, jika beda suhu dipertahankan dengan penambahan dan pembuangan panas diberbagai titik, maka akan berlangsung aliran panas yang terus menerus dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin. Konduksi adalah satu satunya mekanisme yang mana panas dapat mengalir dalam zat padat yang tidak tembus cahaya. Kita dapat mengatakan bahwa energi dapat berpindah secara konduksi atau hantaran dan bahwa laju perpindahan kalor itu berbanding dengan gradient suhu normal : q A x Jika dimasukkan konstanta proporsionalitas atau tetapan kesebandingan, maka : q ka. (2.1) x di mana : q = Laju perpindahan panas, W k = Konduktivitas termal bahan, W/m. C A = Luas penampang melalui mana panas mengalir, yang harus diukur tegak lurus terhadap arah aliran panas, m² = Gradien suhu ke arah perpindahan kalor, C 20

21 anda minus diselipkan agar memenuhi hukum kedua termodinamika, yaitu bahwa kalor mengalir ke tempat yang lebih rendah dalam skala suhu. Persamaan tersebut di atas merupakan unsur Fourier tentang konduksi kalor, yaitu menurut nama ahli matematika berkebangsaan perancis, Joseph Fourier. Untuk sistem satu dimensi terdapat dua keadaan, yaitu : 1. Sistem pada keadaan stedi (steady state) atau keadaan tunak, yaitu jika suhu tidak berubah menurut waktu, maka masalahnya sederhana saja, dan kita hanya perlu melaksanakan integrasi atas persamaan dan mengalikan (substitusi) nilai-nilai yang tepat untuk memecahkan soal. 2. Sistem keadaan tidak stedi (unsteady state), yaitu apabila suhu berubah menurut waktu. Energi yang dihantarkan di muka kiri + energi yang dibangkitkan dalam unsur itu = perubahan energi dalam (internal energy) + energi yang dihantarkan ke luar unsur itu melalui muka kanan. Kuantitas energi itu adalah sebagai berikut : Laju perpindahan panas di muka kiri = qx = - ka x Energi yang dibangkitkan di dalam unsur = q A dx Perubahan energi dalam =?.c.a dx Energi yang keluar dari permukaan kanan = = q x dx = ka x x dx = - A k k dx x x x 21

22 Dimana : q = energi yang dibangkitkan (Watt/m³) c = kalor spesifik bahan (kj/kg C)? = kerapatan (densitas) (kg/m³) Jika hubungan hubungan laju energi di muka kiri, energi yang dibangkitkan di dalam unsur, perubahan energi dalam, energi yang keluar dari muka kanan digabungkan, maka kita mendapat : - ka + q A dx =?.c.a x dx - A k k dx x x x atau x k x q?.c (2.2) Persamaan di atas berlaku untuk konduksi kalor satu dimensi Konduktivitas ermal Konduktivitas termal dapat didefinisikan sebagai sifat bahan yang digunakan untuk menyatakan bahwa bahan tersebut merupakan suatu isolator atau konduktor dan juga menunjukkan berapa cepat kalor mengalir dalam suatu bahan. Nilai konduktivitas termal untuk beberapa bahan diberikan dalam tabel 2.1 di bawah ini : 22

23 abel 2.1 Konduktivitas ermal Berbagai Bahan Perpindahan Kalor Konduksi Melalui Dinding datar Perhatikan suatu dinding datar, di mana kita akan menerapkan hukum Fourier (Persamaan 2.1). Jika persamaan ini diintegrasikan, maka akan didapatkan : ka q. 2 1 (Watt) (2.3) x 23

24 bilamana konduktivitas termal dianggap tetap. ebal dinding adalah x, sedang 1 dan 2 adalah suhu muka dinding. Jika dalam sistem itu terdapat lebih dari satu macam bahan, seperti dalam hal dinding lapis rangkap pada gambar 2.2 di bawah ini : Gambar 2.1 Perpindahan kalor melalui dinding komposit dan analogi listriknya. maka jika gradien suhu pada ketiga bahan ialah seperti tergambar, maka aliran kalor itu dapat dituliskan sebagai berikut : q 1 4 x A / k A A xb / k B A xc / k C A (2.4) Laju perpindahan kalor dapat dipandang sebagai aliran, gabungan dari konduktivitas termal, tebal bahan dan luas merupakan tahanan terhadap aliran ini, sedangkan suhu merupakan fungsi potensial atau pendorong aliran itu, maka dapat dituliskan: 24

25 Alirankalor beda. potensial. termal tahanan. termal atau (2.5) menyeluruh q (2.6) R th di mana R th adalah tahanan termal dari bermacam-macam bahan itu Isolasi dan Nilai R elah kita lihat konduktifitas termal berbagai bahan isolasi lampiran A. Dalam mengelompokkan keampuhan bahan isolasi, dalam industri bangunan ada kebiasaan menggunakan nilai R, yang didefinisikan sebagai berikut : R (2.7) q A Satuan R adalah C.m²/W. Harap dicatat dalam hal ini digunakan aliran kalor per satuan luas. Dengan demikian ada baiknya kalau bahan bahan isolasi itu kita kelompokkan menurut penerapan dan jangkauan suhu penggunaannya. Informasi demikian diberikan pada daftar 2.1, yang digunakan sebagai pedoman dalam memilih bahan bahan isolasi Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh Perhatikan dinding datar seperti pada gambar 2.2, di mana pada satu sisinya terdapat fluida panas A, dan pada sisi lainnya terdapat fluida B yang lebih dingin. Perpindahan kalor dinyatakan oleh 25

26 ka x q h1 A A 1 = 1 2 h2 A 2 B Proses perpindahan kalor dapat digambarkan dengan jaringan tahanan seperti pada gambar 2.2b. Perpindahan kalor menyeluruh dihitung dengan jalan membagi beda suhu menyeluruh dengan jumlah tahanan termal : q 1/ h A A B x / ka 1 1/ h 2 A (2.8) Fluida A A q q 1 h1 2 Fluida B A 1/h1A 1? x ka 2 1/h2A B h2 B Gambar 2.2 Perpindahan kalor menyeluruh melalui dinding datar. Perhatikanlah bahwa nilai 1 / h 1 A digunakan di sini untuk menunjukkan tahanan konveksi. Aliran kalor menyeluruh sebagai hasil gabungan proses konduksi dan konveksi bisa dinyatakan dengan koefisien perpindahan kalor menyeluruh U, yang dirumuskan dalam hubungan : q U. A. menyeluruh di mana A ialah luas bidang aliran kalor. Sesuai dengan persamaan (2.8), Koefisien perpindahan kalor menyeluruh ialah : U 1/ h 1 1 x / k 1/ h 2 26

27 2.4.6 Perpindahan Kalor Secara Konveksi Perpindahan kalor secara konveksi mempunyai 2 jenis aliran, yaitu aliran laminar dan turbulen. Didalam aliran laminar fluida bergerak menurut lapisan lapisan dan setiap partikel mengikuti lintasan yang kontinyu. Kalor dipindahkan karena kondisi molekul antar lapisan dan tidak terjadi penyimpangan diantara garis aliran. Sedangkan untuk aliran turbulen tiap tiap partikel bergerak tidak teratur. Partikel partikel fluida bertindak sebagai pembawa energi dan pertukaran energi berlangsung dengan partikel lain, penambahan turbulensi cenderung menambah kecepatan perpindahan kalor konveksi. Perpindahan kalor konveksi perlu memperhitungkan kecepatan fluida sebagai pemindah kalor. Gradient suhu disini juga tergantung pada laju fluida membawa kalor dari sumber pemanas, jadi kecepatan yang tinggi akan menyebabkan gradient suhu yang besar pula, dan demikian seterusnya. Perpindahan panas antara suatu permukaan padat dan suatu fluida berlangsung secara konveksi. Konveksi panas dapat dihitung dengan persamaan pendinginan Newton: q ha w (Watt) (2.9) Dimana : A = luas permukaan, m² h = koefisien perpindahan kalor konveksi, W/m². C w = suhu benda, C oo = suhu fluida, C Persamaan di atas mendefinisikan tahanan panas terhadap konveksi. Koefisien perpindahan panas permukaan h, bukanlah suatu sifat zat, akan tetapi 27

28 menyatakan besarnya laju perpindahan panas di daerah yang dekat pada permukaan itu. Nilai kira-kira koefisien perpindahan kalor konveksi ditunjukkan pada tabel 2.2 di bawah ini : abel 2.2 Nilai kira-kira koefisien perpindahan kalor konveksi. Jadi perpindahan kalor secara konveksi : 1. bergantung viskositas fluida 28

29 2. bergantung sifat sifat fluida, yaitu k, Cp,? ada dua macam perpindahan kalor secara konveksi, yaitu : 1. konveksi alamiah (natural convection) konveksi alamiah atau konveksi bebas adalah perpindahan kalor secara konveksi tanpa sumber gerakan dari luar atau akibat dari perbedaan massa jenis fluida. 2. konveksi paksa (forced convection) konveksi paksa adalah perpindahan kalor secara konveksi dengan sumber gerakan dari luar, misalnya kipas. Didalam permasalahan ini hanya membahas tentang konveksi bebas, karena hanya masalah ini yang terjadi di dalam alat terapi sauna Sistem Konveksi Bebas Perpindahan panas konveksi bebas terjadi bilamana sebuah benda ditempatkan dalam suatu fluida yang suhunya lebih tinggi atau lebih rendah daripada benda tersebut, panas mengalir antara fluida dan benda itu serta mengakibatkan perubahan kerapatan lapisan-lapisan fluida di dekat permukaan. Perbedaan kerapatan menyebabkan fluida yang lebih berat mengalir ke bawah dan fluida yang lebih ringan mengalir ke atas Rumus Empiris Untuk Konveksi Bebas Selama bertahun-tahun telah diketahui bahwa koefisien perpindahan kalor konveksi bebas rata-rata untuk berbagai situasi, dapat dinyatakan dalam bentuk fungsi berikut : 29

30 f C Gr f Pr f m Nu (2.) di mana : Nu f = Angka Nusselt C,m = Konstanta untuk permukaan isotermal Gr d Pr f = Angka Grashof = Angka Prandtl Subskrip f menunjukkan bahwa sifat-sifat untuk gugus tak berdimensi dievaluasi pada suhu film : w f (2.11) 2 Angka Nusselt Angka Nusselt adalah suatu besaran tanpa dimensi dan dapat ditafsirkan secara fisik sebagai perbandingan gradien suhu yang langsung bersinggungan dengan permukaan terhadap suatu gradien suhu acuan. Angka Grashof Angka Grashof dapat ditafsirkan secara fisis sebagai suatu gugus tak berdimensi yang menggambarkan perbandingan antara gaya apung dengan gaya viskos di dalam sistem aliran konveksi bebas. Angka Prandtl Angka Prandtl merupakan parameter yang menghubungkan ketebalan relatif antara lapisan batas hidrodinamik dan lapisan batas termal. 30

31 Angka Rayleigh Angka Rayleigh merupakan produk perkalian antara angka Grashof dan angka Prandtl. Ra Gr Pr Dimensi karakteristik yang digunakan dalam angka Nusselt dan angka Grashof bergantung pada geometri soal itu. Untuk bidang vertikal, hal itu ditentukan oleh tinggi plat, L ; untuk silinder horizontal oleh diameter d ; dan demikian seterusnya. Pada tabel 2.3 di bawah ini, diberikan nilai-nilai konstanta C dan m untuk permukaan isotermal dalam berbagai situasi yang dapat digunakan untuk tujuan perhitungan. 31

32 abel 2.3 Konstanta persamaan untuk permukaan isotermal Konveksi Bebas Dari Silinder Horizontal Untuk permukaan silinder horizontal, angka Nusselt dan angka Grashof dibentuk dengan d, yaitu diameter silinder, sebagai dimensi karakteristik. 32

33 w Gambar 2.3 Konveksi bebas dari silinder horizontal. Keterangan : w emperatur permukaan silinder, C emperatur fluida, C d L Diameter silinder, m Panjang silinder, m Suhu film dihitung dengan persamaan : f 2 w subskrip f menunjukkan bahwa sifat-sifat untuk : k = Konduktivitas termal fluida, W/m. C v = Viskositas kinematik, m²/s 6 ß = Koefisien volume pemuaian, 1/K Pr = Angka Prandtl dievaluasi pada suhu film, yang dapat ditemukan dalam lampiran, pada tabel sifatsifat udara pada tekanan atmosfer. Selanjutnya, dilakukan perkalian antara angka Grashof dan angka Prandtl : 3 g w d Grd Pr Pr (2.12) 2 33

34 Untuk menghitung besarnya angka Nusselt digunakan persamaan berikut : d C Grd Pr m Nu (2.13) di mana : Nu d = Angka Nusselt C,m = Konstanta untuk permukaan isotermal Gr d Pr = Angka Grashof = Angka Prandtl Sehingga, koefisien perpindahan panas konveksi dapat dihitung dengan rumus: h k.nu d d (2.14) di mana : h = Koefisien perpindahan panas konveksi, W/m². C Nu = Angka Nusselt k = Konduktivitas termal fluida, d = Diameter silinder, m W/m. C Maka, perpindahan kalor dapat dihitung dengan persamaan : q ha w di mana A, luas untuk silinder adalah A. d. L 2.4. Konveksi Bebas Dari Bidang Vertikal Untuk permukaan silinder horizontal, angka Nusselt dan angka Grashof dibentuk dengan L, yaitu tinggi permukaan, sebagai dimensi karakteristik. 34

35 w h Keterangan : Gambar 2.4 Konveksi bebas dari bidang vertikal. w emperatur permukaan dinding, C emperatur lingkungan, C L x inggi dinding, m Lebar dinding Suhu film dihitung dengan persamaan : f 2 w Subskrip f menunjukkan bahwa sifat-sifat untuk : k = Konduktivitas termal fluida, W/m. C v = Viskositas kinematik, m²/s 6 ß = Koefisien volume pemuaian, 1/K Pr = Angka Prandtl 35

36 dievaluasi pada suhu film, yang dapat ditemukan dalam lampiran, pada tabel sifatsifat udara pada tekanan atmosfer. Kemudian, produk Gr Pr dihitung sebagai berikut : 3 g w L GrL Pr Pr (2.15) 2 Selanjutnya, untuk menghitung besarnya angka Nusselt digunakan persamaan berikut : Nu L 0,68 1 0,670 Ra 0,492/ Pr untuk 9 Ra L (2.16) Nu L 1 2 0, ,387 Ra 0,492/ Pr untuk Ra L (2.17) Sehingga, koefisien perpindahan panas konveksi dapat dihitung dari rumus: h k.nu L L (2.18) di mana : h = Koefisien perpindahan panas konveksi, Nu = Angka Nusselt W/m². C k = Konduktivitas termal fluida, W/m. C L = inggi dinding, m Maka, perpindahan kalor dapat dihitung dengan persamaan : q ha w di mana A, luas untuk bidang vertikal adalah A L x 36

37 2. 5 Alat erapi Sauna Alat terapi sauna merupakan alat yang diciptakan untuk menghasilkan kehangatan yang stabil yaitu 40ºC-60ºC. Sirkulasi panas menjadi pokok permasalahan dalam kualitas alat ini. Panas juga harus tersebar merata dalam ruang sauna. Dengan panas yang stabil dan merata maka akan memberikan kehangatan dan kenyamanan yang sesuai dengan kebutuhan. Panas dihasilkan dari heater yang berada di dalam ruangan. 37

38 BAB III PROSEDUR PENELIIAN Diagram Alir Proses Penelitian SAR SUDI PUSAKA Sistem perpindahan panas Identifikasi komponen alat BAHAN PENELIIAN Alat terapi sauna Alat uji PROSES PENELIIAN Heater Isolasi dinding Suhu acuan tubuh (60 C) DAA ANALISA DAA KESIMPULAN FINISH 38

39 3. 2. Spesifikasi Alat Berbeda dengan ruangan sauna pada umumnya, yang biasanya berukuran besar dan memanfaatkan uap panas yang dialirkan ke dalam ruangan melalui lubang masukan, lemari sauna berkapasitas satu orang ini memiliki dimensi dan mekanisme yang berbeda, yaitu berukuran panjang 1m x lebar 1m x tinggi 2m dan memanfaatkan panas kering terkondisi dari pemanas elektrik jenis glass heater yang ditempatkan di dalam lemari sauna. Berikut ini adalah spesifikasi alat : 1. Ruangan alat terapi sauna Ruangan sauna ini berfungsi sebagai tempat dimana suhu akhir yang diinginkan dapat dipertahankan. Ruangan sauna berkapasitas satu orang ini memiliki tinggi 2 m, panjang 1 m dan lebar 1 m. Sebagai bahan rangka utama dan dinding dipilih bahan kayu. Jenis kayu yang digunakan untuk rangka adalah kayu meranti. Gambar 3.1 Alat terapi sauna, (a) bagian luar, (b) bagian dalam. 39

40 2. Pemanas Elektrik Glass Heater Pemanas elektrik atau heater yang digunakan adalah jenis glass heater, yaitu sebanyak 6 unit, yang masing-masing memiliki daya maksimum sebesar 150 Watt. Keenam glass heater ini memiliki dimensi yang sama yaitu panjang 0,29 m dan diameter 0,04 m. Konstruksi dari glass heater ini terdiri atas lilitan kawat yang pada kedua ujungnya terdapat kabel yang nantinya akan dihubungkan ke contactor, bagian luarnya diselubungi oleh tabung kaca. Gambar 3.2 Pemanas elektrik glass heater. 3. Contactor Contactor dilengkapi dengan saklar otomatis yang akan menjalankan dan menghentikan aliran listrik ke pemanas-pemanas elektrik secara otomatis. Ketika sensor suhu termokopel membaca suhu berada di bawah temperatur yang diset, contactor akan melakukan pengisian dan akan menghentikan pengisian secara otomatis apabila temperatur yang diinginkan telah tercapai, dan begitu seterusnya. 40

41 Gambar 3.3 Contactor. 4. hermo Control hermo control merupakan salah satu komponen terpenting pada ruangan sauna ini, fungsinya adalah sebagai pengendali suhu, di mana suhu ruangan yang diinginkan dapat diatur melalui alat ini. Konstruksinya terdiri dari tombol pengatur suhu dan lampu indikator pengisian heater. (a) (b) Gambar 3.4 hermo control : (a) Bagian depan, (b) Bagian belakang. 41

42 5. ermokopel ermokopel merupakan sensor suhu elektrik yang bekerja berdasarkan efek seeback, yaitu jika dua buah kabel yang terbuat dari logam yang berbeda disambungkan pada kedua ujungnya dan salah satu ujung itu dipanaskan, maka akan mengalir arus listrik. Gambar 3.5 ermokopel. 6. Mini Circuit Breaker Mini Circuit Breaker atau MCB adalah alat pengaman yang sangat diperlukan dalam sebuah unit instalasi listrik. Fungsi dari MCB ini adalah sebagai pemutus arus listrik apabila terjadi hubungan listrik arus pendek, sehingga bahaya kebakaran dan sebagainya dapat dicegah. Gambar 3.6 Mini circuit breaker. 42

43 7. Glass Wool Glass Wool adalah bahan isolasi yang berdaya serap tinggi, selain dapat digunakan untuk meredam panas, glass wool juga sekaligus berfungsi sebagai peredam suara. 8. Karton Alumunium Karton alumunium digunakan sebagai lapisan isolasi bagian paling dalam pada ruangan, dengan tebal sekitar 0,0005 m. Pemilihan bahan ini sebagai lapisan interior ruangan didasarkan pada keunggulan bahan ini yang memiliki kelebihan-kelebihan sebagai berikut : 1. Pemantul panas yang baik. 2. ahan terhadap korosi. 3. Memiliki konduktivitas termal yang sangat baik. 4. Memiliki permukaan yang menarik (mengkilap). Gambar 3.7 Glass Wool dan karton Aluminium. 43

44 3. 3. Instrument Ukur 1. Stop Watch Digunakan untuk mengetahui lama waktu yang dibutuhkan untuk mencapai suhu yang diinginkan di dalam ruangan sauna dalam satuan menit. 2. hermometer Alat ukur bantu yang digunakan untuk mengetahui besar nilai panas pada dinding dan ruangan. 3. imbangan Digunakan untuk mengetahui berat tubuh manusia Objek Pengujian Sesuai dengan nama dan fungsinya yaitu ruangan sauna, yang akan menjadi objek pengujian bukan hanya ruangan sauna saja, manusia sebagai objek uji juga memegang peranan penting dalam proses pengujian ini untuk menentukan tingkat kenyamanan yang nantinya akan menjadi kriteria keberhasilan perancangan alat ini. Dalam penelitian ini penulis menggunakan suhu acuan tubuh yang dapat diterima oleh tubuh manusia yaitu C. 44

45 BAB IV ANALISA dan PENGUJIAN Dari pengamatan penulis terhadap alat terapi sauna ini, maka penulis telah menganalisa perpindahan panas pada tahap tahap sebagai berikut : 1. Analisa perpindahan panas yang dihasilkan oleh heater ke ruangan. 2. Analisa perpindahan panas terhadap dinding ruangan Analisa Perpindahan Panas Dari Heater Ke Ruangan Dari pengamatan terhadap heater didapat data data sebagai berikut : A. Sauna hanya menggunakan satu jenis heater yaitu glass heater dengan daya 150 watt tiap heater dan panjang heater 0,29 m, diameter 0,04 m.. B. Heater yang dipakai berjumlah 6 buah jadi daya total heater adalah 900 watt C. Pada suhu 60 C didalam ruangan, suhu permukaan heater sebesar 250 C. D. erjadi perpindahan panas konveksi bebas Perhitungan : 0 0 w 250 C 60 C 0 Suhu film : f 155 C 428K 2 2 Dari daftar table A-5 pada lampiran dengan interpolasi didapat : k = 0, W/m. C v = 29,1536 x 6 m²/s 45

46 Pr = 0,685 ß = 1 1 0, 00234K f 428 Gr g w d 2 v d 3 pr 9,8 2,34 = , ,04 3 0,685 = 2,224 x 5 Dari daftar 7-1, C = 0,53 dan m = 4 1 Nu d 0,53 Grd Pr 1 4 = ( 0,53 ) ( 2,224x 5 1 ) 4 = 11,509 h knu d d 0, ,509 0,04,23 W/m² C Jadi perpindahan panas yang terjadi : q ha w Dengan A dl q,23 0,04 0, = 70,79 W Karena menggunakan enam heater, maka : q = 70,79 x 6 = 424,74 W = 0,42474 kw. 46

47 4. 2. Analisa Perpindahan Panas erhadap Dinding Ruangan Dinding ruangan terdiri dari tiga lapisan, yaitu triplex dengan tebal 0,003 m pada lapisan paling luarnya diikuti dengan glasswool dan lembaran aluminium dengan tebal 0,0005 m. Dari data diatas dapat dianalisa berapa tebal glasswool yang dibutuhkan untuk menahan panas didalam ruangan untuk mengurangi pertambahan kalor melalui dinding. A. ebal Isolasi Diasumsikan : 1. Kondisi stedi 2. erjadi perpindahan kalor konduksi 3. erjadi perpindahan kalor konveksi pada dinding 4. Konduktivitas termal yang dipakai : riplek = 0,17 W/m. C Karton Alumunium = 0,064 W/m. C Glasswool = 0,038 W/m. C Rugi kalor menyeluruh adalah : q Rth q dengan isolasi q tanpa isolasi 0,1 Rth dengan isolasi Rth tanpa isolasi Untuk triplek dan karton per satuan luas Rt Rk x k x k 0,003 0,17 0,0005 0,064 0,0176m 2 0,0078m 0. C / W 2 0. C / W 47

48 Sehingga tahanan termal tanpa isolasi menjadi, R 0,0176 R dengan isolasi 0,0078 0,0254 0,1 0,0254m 2 0,254m 0. C / W 2 0. C / W Ini merupakan jumlah dari nilai semula dan tahanan glasswool 0,254 Rgw xgw 0,0254 0,2286 0,0087 m Rgw x k x 0,038 Maka, untuk mengurangi pertambahan kalor melalui dinding sebesar 90 persen harus dipasang glasswool sebesar 0,0087 m atau 0,87 cm. Diketahui : B. Perpindahan Kalor Menyeluruh Melalui Dinding Suhu dinding dalam, w 54 C Suhu udara di dalam ruangan, 60 C 0 0 w 60 C 54 C 0 f 57 C 330K 2 2 Dari daftar table A-5 pada lampiran dengan interpolasi didapat : k 0,02851W/m. C 18,732 6 m²/s 1 f Pr 0,701 48

49 g w GrPr 2 3 L Pr 9, , ,701 0,989 3,51 2,81 5 Laminar 4 < f Pr f Gr < 9 h1 1, 42 L 1 4 1, ,86 W/m². C f 2 w C 305 K k 0,02661 W/m. C 16,19 6 m²/s 1 f ,27 3 Pr 0,706 g w GrPr 2 3 L Pr 9,8. 3,27 16, ,706 2,

50 urbulen 9 Gr Pr > f f h2 1, ,07W/m². C U 1/ h 1 1 x K / k x GW / k x / k 1/ h 2 U 1/1,86 0, ,16 0,0176 1/ 2,07 U 0,5376 0, ,16 0,0176 0,4831 U 1 1,1477 0,8713 Jadi, perpindahan kalor menyeluruh melalui dinding : q U. A. 0, , 278 Watt menyeluruh Pembahasan Berdasarkan Perhitungan Hasil analisa dari data data akan dibahas tentang dua hal menurut perhitungan yang telah dilakukan, yaitu : 1. Penggunaan heater Untuk menentukan daya yang dibutuhkan untuk menghasilkan panas yang diinginkan, kita harus mengetahui kecepatan udara sebagai penghantar panas. Diasumsikan dari daya heater yang berubah menjadi panas mengalami heat loss maksimal sebesar 15% karena adanya ketidaktentuan dalam mengukur kecepatan udara, perhitungan panas yang hilang dari heater, suhu permukaan heater rata rata. Jadi secara matematis dapat dikatakan : 50

51 q 0 15 %P Menurut analisa untuk menghasilkan suhu sebesar 250 C membutuhkan q sebesar 0,42474 kw dengan ukuran heater yang sama daya yang dibutuhkan adalah : P x 85% = q P = qx0 0,42474x P = 0,499kW Daya yang dibutuhkan heater dipengaruhi oleh laju perpindahan kalor, sedangkan laju perpindahan kalor dipengaruhi oleh : A. Ukuran heater ( diameter dan panjang ) B. Suhu fluida C. Kecepatan udara D. Suhu yang diinginkan 2. ebal isolasi dinding yang digunakan Suhu di dalam ruangan harus dijaga agar suhu tidak keluar atau terjadi heat loss yang cukup besar. Untuk itu dinding diberi bahan isolasi seperti glasswool dengan nilai konduktivitas termal sebesar 0,038 W/m C. Dari analisa untuk menahan panas di dalam ruangan, maka digunakan glasswool setebal 8,7 mm. semakin tebal glasswool yang digunakan maka suhu pada permukaan luar semakin kecil. erjadinya heat loss baik besar maupun kecil tergantung dari : a. Bahan isolasi yang digunakan termasuk ukurannya b. Suhu dan kecepatan udara luar c. Suhu dan kecepatan udara di dalam ruangan. 51

52 4. 4. Pengujian Alat Dalam pengujian alat ini menggunakan tiga termometer yang diletakkan pada tiga titik ketinggian yang diukur dari lantai ruangan, seperti terlihat pada gambar 4.1 di bawah ini : Gambar 4.1 iga titik penempatan termometer dalam pengujian. 52

53 abel 4.1. Pengujian suhu ruangan sauna kosong Waktu (menit) ermometer A ( C) ermometer B ( C) ermometer C ( C) , , , ,5 46,5 48, ,3 56,8 56,2 57, , ,3 60 Grafik 4.1. Pengujian suhu ruangan sauna kosong. 53

54 abel 4.2. Pengujian manusia dengan berat 45 kg di dalam ruangan sauna. Waktu (menit) ermometer A ( C) ermometer B ( C ) ermometer C ( C) 1 ( C) 2 ( C) , ,5 46, ,3 37 abel 4.3. Pengujian manusia dengan berat 50 kg di dalam ruangan sauna. Waktu (menit) ermometer A ( C) ermometer B ( C ) ermometer C ( C) 1 ( C) 2 ( C) , , , , ,5 56, ,3 36,9 abel 4.4. Pengujian manusia dengan berat 57 kg di dalam ruangan. Waktu (menit) ermometer A ( C) ermometer B ( C ) ermometer C ( C) 1 ( C) 2 ( C) ,5 44,8 45, , , , , ,6 37,4 54

55 abel 4.5. Pengujian manusia dengan berat 60 kg di dalam ruangan. Waktu (menit) ermometer A ( C) ermometer B ( C ) ermometer C ( C) 1 ( C) 2 ( C) ,5 43, , ,5 56,8 57,4 35,5 37 Keterangan : 1 = Suhu tubuh manusia sebelum sauna 2 = Suhu tubuh manusia setelah sauna 55

56 Grafik Pengujian manusia dengan berat 45, 50, 57, 60 kg di dalam ruangan Keterangan : = Berat 45 kg = Berat 50 kg = Berat 57 kg = Berat 60 kg 56

57 BAB V PENUUP Kesimpulan Berdasarkan analisa yang telah dilakukan terhadap alat, agar temperatur di dalam ruangan sauna 60 C dapat terwujud, maka : 1. Besar laju energi perpindahan kalor heater (q) adalah 0,42474kW 2. ebal isolasi glasswool dinding adalah 0,0087 m atau 8,7 mm Saran Setelah dilakukan pengujian alat terapi sauna banyak aspek yang harus diperhatikan diantaranya : 1. Setting temperatur sebaiknya 55 C 2. Heater sebaiknya ditempatkan dibawah ruangan agar panas dapat tersebar merata 3. Penggunaan heater dikurangi untuk menghemat pemakaian listrik 4. Penambahan ID fan di atas box sangat dianjurkan untuk sirkulasi udara di ruangan 5. Sebelum dan sesudah melakukan kegiatan sauna dianjurkan untuk minum air mineral sedikitnya 440 ml, sebab ketika melakukan sauna terjadi pembakaran kalori dalam tubuh. Dan dianjurkan berbaring selama sepuluh menit setelah melakukan sauna. 57

58 6. Untuk ibu hamil dan yang memiliki gangguan pada saluran pernafasan agar tidak menggunakan alat ini. 58