OPTIMALISASI RONGGA TERHADAP VARIASI DERAJAT KEVAKUMAN SEBAGAI ISOLATOR

Transkripsi

1 OPTIMAISASI RONGGA TERHADAP VARIASI DERAJAT KEVAKUMAN SEBAGAI ISOATOR Mulyono Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammaiyah Malang Abstrak Material isolasi sering igunakan untuk mempertahankan temperatur zat paa keaaan ingin an panas. Material isolasi terkaang ipanang kurang praktis karena mahal an tebal. Material isolasi apat igantikan engan cara menggunakan rongga uara bertekanan renah atau vakum. Membuat erajat kevakuman 100% paa rongga uara tiaklah muah. Permasalahan yang timbul alam penelitian ini aalah bagaimana laju perpinahan panas konveksi alamiah yang terjai paa variasi erajat kevakuman an aspek ratio rongga yang berbea agar iperoleh aspek ratio rongga yang optimal alam penyimpanan. Tujuan penelitian ini aalah untuk menapatkan aspek rongga an besarnya tekanan vakum yang paling optimal an mampu sebagai isolator alam suatu rongga. Manfaat ari penelitian ini aalah ipergunakan untuk menyimpan bahan/zat/lainnya yang tiak tahan paa konisi temperatur/tekanan atmosfir (bahan Kriogenik). Dari penelitian ini iperoleh erajat kevakuman 60 cm Hg an / = 5.96 engan harga laju perpinahan panas konveksi alamiah lebih renah ibaningkan engan erajat kevakuman 20 cm Hg an 40 cm Hg, sehingga mempunyai arti bahwa erajat kevakuman 60 cm Hg mempunyai hambatan termal lebih besar (isolator) ibaningkan engan erajat kevakuman 20 cm Hg an 40 cm Hg. Kata kunci: erajat kevakuman, rongga, perpinahan panas, aspek ratio rongga Abstract Insulation materials are often utilize to maintain the temperature, either low or high. However, since the insulation materials often nee to be thick, thus, costly, they are frequently eeme impractical. Therefore, in the attempt to replace the insulation materials, a cavity with low vacuum pressure is opte for. The purpose of the stuy is to fin answers to the following question: "How o vacuum pressure variation an cavity ratio affect the rate of natural heat convection through the a cavity?" Pertinent to the question, the stuy was aime to fin the appropriate value of the vacuum pressure which can function well as an insulator. This stuy is significant in the attempt to lower own the rate of heat transfer taking place in a system vis-à-vis the surrouning meia. The stuy foun out that the egree of emptiness of -60 cm Hg an / = 5.96, results in a lower rate of heat transfer compare with -20 cm Hg an 40 cm Hg. This means that the vacuum pressure of 60 cm Hg bears a bigger thermal resistance than the -20 cm Hg an 40 cm Hg o. Keywors: vacuum pressure, cavity, heat transfer, aspects of cavity ratio PENDAHUUAN Perkembangan teknologi sekarang ini, untuk menyimpan zat-zat cair kriogenik yang bersuhu renah (sampai kira-kira 250 C), misalnya hirogen cair untuk waktu yang lama, telah ikembangkannya superisolator (superinsolation). Superisolator yang paling efektif teriri ari lapisan-lapisan rangkap yang terbuat ari bahan yang beraya refleksi tinggi engan isolator-isolator sebagai pengantara. Keseluruhan sistem ini ihampakan agar konuksi melalui uara menjai minimum (Wang, 2002). Material isolasi igunakan untuk mempertahankan temperatur zat paa keaaan ingin an panas. Material isolasi terkaang ipanang kurang praktis karena mahal an tebal. Material isolasi apat igantikan engan menggunakan rongga uara bertekanan renah atau vakum. Membuat erajat kevakuman 100% paa rongga uara tiaklah muah, biasanya masih aa uara ialam rongga yang mengakibatkan terjainya perpinahan panas konveksi alami (natural convection) antara keua permukaan pembentuk rongga tersebut (Holman, 1988). aju perpinahan panas paa suatu rongga ihitung berasarkan hukum newton peninginan. Koefisien perpinahan panas konveksi(h) paa rongga ipengaruhi oleh perbeaan temperatur ari keua ining pembatas, selain itu juga merupakan fungsi ari geometri rongga, orientasi ari rongga an sifatsifat yang imiliki fluia. Besarnya laju perpinahan 63

2 panas antara ua permukaan yang membentuk rongga sangat ipengaruhi pula oleh konisi sifat-sifat (properties) yaitu; tekanan, temperatur, massa jenis, konuktivitas, viskositas an sebagainya ari fluia yang beraa i alam rongga tersebut (Setterfiel, 2002). aju perpinahan panas paa suatu rongga (cavity) apat ikurangi engan cara penghampaan (pemvakuman). Penghampaan merupakan suatu metoe yang sangat populer ialam kehiupan sehari-hari. Cara ini sering igunakan paa thermos, pelat-pelat absorber paa pemanas matahari, sebagai isolasi untuk mengurangi kehilangan panas paa reaktor nuklir, peninginan paa tangki sampah raioaktif, ventilasi ruangan an seterusnya (Wang, 2002). Permasalahan yang timbul alam penelitian ini aalah; seberapa besar laju perpinahan panas konveksi alamiah yang terjai paa rongga vakum an aspek ratio berapa yang memberikan aya penyimpanan yang optimal. Tujuan penelitian ini aalah untuk menapatkan aspek rongga an besarnya tekanan vakum yang paling optimal an mampu sebagai isolator alam suatu rongga. Manfaat ari penelitian ini aalah ipergunakan untuk menyimpan bahan/zat/lainnya yang tiak tahan paa konisi temperatur/tekanan atmosfir (bahan Kriogenik). METODE Moel eksperimen akan ijelaskan paa Gambar 1 berikut. 300 mm Gambar mm r w1 Aquisi ata r w2 Moel eksperimen Katup P Monitor Computer Pompa Vacuum Analisis proses perpinahan panas konveksi alamiah alam tabung annulus yang iberikan perlakuan berupa variasi erajat kevakuman, ilakukan Analisis imensional engan penekatan "DAI p BUCKINGHAM" atau Buckingham metho, yang mana akan iapatkan suatu fungsifungsi tanpa imensi. Persamaan fungsi koeffisien perpinahan panas konveksi alamiah yang menyatakan hubungan antara variabel-variabel aalah sebagai berikut. h = f {, k, Cp, m, r, p, bg (T Tf)}... (1) atau f {h,, k, Cp, m, r, p, bg (T s Tj)}= 0... (2) Buckingham methoe engan cara menggunakan imensi MtT (massa, panjang, waktu an temperatur) akan iapat grup parameter tanpa imensi ari fungsi iatas, yaitu: p 1 = f (h, a1, k b1, m cl, p l, r el )» bilangan Nussel p 2 = f (C p, a2, k b2, m c2, p 2, r e2 )» bilangan Prantl p 3 = f (bg, (T s T f ), a3, k b4, m c4, p 4, r e4 )» bil. Grashoft p 4 = ( )» aspek ratio rongga... (3) sehingga iapatkan persamaan koeffisien perpinahan panas konveksi alamiah alam bentuk variabel tanpa imensi sebagai berikut: p 1 = f (p 2, p 3, p 4 ), atau: p 4 = f (Pr, Gr s ) atau: Nu = f (Ra s, )... (4) Analisis imensi iperoleh koeffisien perpinahan panas (variabel tetap) konveksi alamiah sebagai fungsi ari bilangan Rayleigh, aspek ratio rongga. Eksperimen ini ilakukan untuk menapatkan hubungan variabel antara koeffisien perpinahan panas konveksi alamiah (bilangan Nusselt) terhaap bilangan Prantl, bilangan Grashoft engan melakukan perlakuan berupa variasi erajat kevakuman (tekanan renah) an aspek ratio iameter tabung/rongga. Berasarkan Gambar 1, peralatan yang igunakan alam eksperimen ini aalah sebagai berikut: 1) Barometer vacuum, untuk menggukur 64 Jurnal Teknik Inustri, Vol. 11, No. 1, Februari 2010: 63 67

3 Tabel 1. Variabel Perlakuan Diameter tabung Diameter tabung luar alam (D1) Es (D2)... uara 50,8 mm 76,2 mm 101,6 mm Temperatur permukaan ( C) 35 C 45 C 55 C 65 C Tekanan kevakuman (cm Hg) -20 cm Hg -40 cm Hg -60 cm Hg tekanan vacuum; 2) Thermometer biasa, untuk mengukur temperatur ruangan; 3) Tabung anulus ari bahan baja carbon chrom, sebagai objek penelitian; 4) Thermokopel/sensor tipe lm- 35, untuk mengukur temperatur ining tabung; 5) Pompa vakum (yang igunakan untuk AC), untuk memvakumkan tabung annulus/rongga; 6) Akuisisi ata, ifungsikan untuk merekam input ata ari sensor atau termokopel yang merubah input panas menjai volt selanjutnya menjai ata temperature; 7) Seperangkat komputer (PC), untuk menampilkan ata hasil proses ari ata aquisisi; 8) Katup, untuk membuka an menutup aliran uara ke rongga; 9) Fluia kerja, tabung alam berupa es an tabung luar berupa uara. Mengukur temperatur sejumlah titik paa ining tabung igunakan thermokopel tipe lm-35 yang ihubungkan engan ata akuisisi yang telah ikalibrasi, selanjutnya ihubungkan ke seperangkat komputer untuk membaca ata temperatur. Berasarkan Gambar 1 yaitu skema penelitian, maka untuk melakukan penelitian an pengambilan ata, langkah-langkahnya aalah sebagai berikut: 1) Mempersiapkan tabung annulus, thermokople, barometer, es, pompa vakum an komputer selanjutnya alat iset; 2) Operasikan pompa vakum hingga mencapai tekanan vakum yang telah itentukan; 3) Bila tekanan vakum (tekanan yang irencanakan) telah tercapai, selanjutnya katup itutup agar tiak berhubungan engan lingkungan; 4) Mencatat seluruh ata yaitu: temperatur ining, tekanan vakum, temperatur uara vakum, temperatur es, temperatur lingkungan semuanya icatat oleh ata aquisisi yang ihubungkan ke computer; 5) Point 3 iulang engan tekanan vacuum yang lain an seterusnya. HASI DAN PEMBAHASAN Gambar 2 menunjukkan hubungan antara erajat/tingkat kevakuman terhaap bilangan Nusselt aanya variasi aspek ratio rongga paa posisi 90 erajat an temperatur permukaan: 45 C. Paa Gambar 2 apat ijelaskan bahwa tingkat/ erajat kevakumanan semakin besar maka harga u N bilangan Nusselt semakin menurun, karena semakin besar erajat kevakuman akan memberikan harga kerapatan jenis uara alam rongga semakin besar. Kerapatan jenis semakin besar berarti pergerakan fluia semakin lambat, sehingga akan memengaruhi selisih kerapatan jenis free stream engan kerapatan jenis mula-mula (r r). Paa aspek ratio rongga yang besar(rongga tipis) akan memberikan selisih kerapatan yang kecil sehingga mengakibatkan pergerakan fluia(gaya apung) an harga bilangan Nusselt yang kecil. Paa Gambar 2 engan iberikannya perlakuan kevakuman untuk aspek ratio rongga ( = 5.90) mempunyai harga bilangan Nusselt lebih kecil ibaningkan aspek ratio yang lain a R T e k a n a n K e v a k u m a n ( c m H g ) / h a = 5.9 / h a = / h a = Gambar 2. Hubungan Tingkat Kevakuman terhaap Hubungan Tingkat Kevakuman terhaap Bilangan Nusselt Gambar 3. Tingkat Kevakuman vs Rayleigh paa Posisi 90 erajat engan Temperatur Permukaan 45 C Mulyono: Optimalisasi Rongga 65

4 Gambar 3 merupakan grafik hubungan erajat kevakuman terhaap bilangan Rayleigh paa posisi 90 erajat engan temperatur permukaan 45 C. Paa Gambar 3 apat ijelaskan bahwa semakin besar tingkat kevakuman paa rongga, harga bilangan Nusselt cenerung naik. Bagi aspek ratio rongga semakin kecil ( =5.90) atau rongga besar mempunyai bilangan Rayleigh yang paling besar, artinya bila tekanan kevakuman inaikkan maka kerapatan akan naik, sehingga kecepatan fluia/ uara alam rongga menjai sangat kecil. Kecepatan fluia bergerak ipengaruhi oleh perbeaan kerapatan free stream engan fluia i ining. Terjainya perbeaan kerapatan isebabkan oleh konisi temperatur permukaan ining (T w2-in ). Paa aspek ratio rongga semakin besar ( ) atau ketebalan rongga aalah tipis, maka harga bilangan Rayleigh semakin kecil, karena lapisan batas termal yang terbentuk aalah tipis sehingga perbeaan temperatur free stream engan temperatur ining (T w2 n T ) aalah kecil. Akibat perbeaan temperatur yang kecil maka harga bilangan grashoft juga kecil, sehingga bilangan Rayleigh juga kecil/ renah, karena bilangan Rayleigh merupakan fungsi ari bilangan Grashof an Prantl. Guna memberikan satu argumentasi terhaap pengaruh erajat kevakuman alam rongga, valiasi yang igunakan aalah mengamati temperatur yang terjai selama es mencair (waktu yang ibutuhkan). Gambar 4 menjelaskan seberapa besar waktu yang igunakan untuk mencair engan aanya variasi erajat kevakuman. Tekanan kevakuman = 60 cmhg, sehingga mempunyai waktu yang lebih lama untuk es mencair, karena semakin tekanan kevakuman meningkat tingkat hambatan termal i rongga semakin besar, sehingga arus temperatur menuju ruang es terhambat. Derajat kevakuman yang besar akan mengakibatkan perubahan kerapatan jenis menjai besar an kecepatan aliran fluia menjai lambatakibatnya gaya apung yang terjai irongga lemah, artinya arus konveksi(gaya boi) menjai kecil. Temperatur (C Waktu (etik) P=-20 cm hg P = -40 cm hg P = -60 cm hg SIMPUAN Hasil penelitian yang telah ilakukan apat isimpulkan bahwa suatu rongga yang iberi perlakuan variasi erajat kevakuman akan mampu memberikan kontribusi sebagai isolator. Derajat kevakuman 60 cm Hg mempunyai laju perpinahan panas konveksi alamiah lebih renah ibaningkan engan erajat kevakuman 20 cm Hg an 40 cm Hg, artinya erajat kevakuman 60 cm Hg mempunyai harga hambatan termal lebih besar (cocok sebagai isolator) khusunya alam proses penyimpanan atau tingkat penyimpanannya lebih optimal. Aspek ratio rongga ( ) = 5.90 mempunyai harga bilangan Nusselt yang lebih kecil ibaningkan engan aspek ratio rongga ( ) = 11.8, artinya aspek ratio rongga 5.90 mempunyai kecepatan pergerakan molekul membawa energi lebih renah. Rongga yang kecil (aspek ratio yang besar = 11.8), kecepatan aliran uara i alam rongga relatif lebih besar karena bilangan Nusselt berbaning langsung engan bilangan Reynols. Hasil uji valiasi eksperimen, apat isampaikan bahwa semakin besar erajat kevakuman (-60 cm Hg) maka waktu mencair es lebih lama, bila ibaningkan engan erajat kevakuman yang lebih renah ( 20 cm Hg atau 40 cm Hg). Tekanan kevakuman 60 cm Hg mempunyai hambatan termal lebih besar artinya perbeaan temperatur free stream (aliran bebas) engan temperatur ining tabung alam sisi luar aalah kecil sehingga waktu yang ibutuhkan untuk es mencair lebih lama. DAFTAR PUSTAKA Brokey, an Robert S, Transport Phenomena, McGraw-Hill, Singapore. Chang S.W. kk, An Eksperiment Stuy of Heat Transfer In Reciprocating Square Duct Fitte with Ribs Skewe to the Flow, Journal of Heat Transfer, vol. 121 pp Campo A, an Zamora B, Enhance Natural Convection in a Vertical Rectangular Cavity on Account of the Mixing of Two Pure Gases, ASME. De Witt, an Incropera, Funamentals of Heat an Mass Transfer, John Willy & Sons, Singapore. Darling RB, Vacuum Systems, Journal Home page. Fox w, R. Mc Donal, an Alan T, Introuction to Flui Mechanics, John Willey & Sons, Singapore. Holman J P, Perpinahan kalor, Terjemahan Djasifi E, Erlangga, Jakarta. accarino g, Ooi A, Heat Transfer Preictions in Cavities, Center for Turbulent Research, University of New South Wales, Australia. Gambar 4. Valiasi Eksperimen 66 Jurnal Teknik Inustri, Vol. 11, No. 1, Februari 2010: 63 67

5 Oronzio Manca, kk., Effect on Natural Convection of the istance Between an Incline Discretely Heate Plate an a Parallel Shrou Below, Journal Heat Transfer, ASME. Ousthuizen H Patrick, an Davi Naylor, An Introuction to Convective Heat Transfer Analysis, McGraw-Hill, Singapore. Roth A, Vacuum Technologi, North Hollan, Amsteram. Setterfiel Barry, (2002), Exploring the Vacuum, Journal of Theoritis, Journal home Page. Wang Q.W. kk., An Experiment Investigation of Natural convection in a Cubic Incline Enclosure with Multiple Isolate Plates, Journal Heat Transfer, ASME. Xunan Shi, kk, aminar Natural Convection Heat Transfer in a ifferentially heate square cavity ue to a thin fin on the hot wall, Journal Heat Transfer, ASME. Yarwoo J, High Vacuum Technique, Chapman & Hall, onon. Mulyono: Optimalisasi Rongga 67