Analisis Pengaruh Jarak Sirip Vertikal Dan Kecepatan Angin Terhadap Perpindahan Panas Pada Motor 4 Tak

Transkripsi

1 Analisis Penaruh Jarak Sirip Vertikal Dan Kecepatan Anin Terhadap Perpindahan Panas Pada Motor 4 Tak Mustafa 1 1 adalah Dosen Fakultas Teknik Universitas Merdeka Madiun Abstract One of the problems in the operation of the vehicle enine is the problem of heat transfer to the stability of the machine to work. In the air-cooled enine, the heat transfer process is done by providin surfaces shaped fins are positioned in the direction of motion of the vehicle. This fin desins are bein developed to obtain maximum heat transfer and efficient. In this research to test the influence of fin spacin and wind speed on heat transfer. Research object is a motorcycle enine was 4. Research conducted by the fin 4 variation distance of 5 mm, 7 mm (the standard distance of the fin object of research), 9 mm and 13 mm. Varied wind speed level 3 is 3.5 m / sec; 4.0 m / s and 4.5 m / sec. Temperature measurements performed on coolin time 5 minutes, 10 minutes and 15 minutes. Any combination of variations performed 5 repetitions. Further research data statistically tested with ANOVA test. Data processin results show that the distance between the fin does not have a sinificant influence on heat transfer. Wind speed is very influential on heat transfer in which the reater the wind speed the rate of heat transfer is rowin. Keywords: heat transfer, fins, temperature, wind speed, the motor 4 stroke PENDAHULUAN Pendininan mesin dapat dilakukan denan menunakan air dan udara. Pendininan air banyak diunakan pada kendaraan roda empat. Meskipun ada mesin sepeda motor yan menunakannya tetapi kebanyakan sepeda motor menunakan pendininan udara. Metode pendininan udara pada sepeda motor dilakukan denan cara memberikan sirip berbentuk vertikal pada blok silinder dan kepala silinder. Kinerja sirip tersebut dalam membantu penyerapan panas dan membuannya dipenaruhi oleh bahan, ukuran dan jarak sirip, dan banyaknya panas yan akan diserap denan laju aliran udara. Untuk meninkatkan kinerja sirip, faktorfaktor diatas dapat dimodifikasi sedemikian rupa untuk mendapatkan kondisi optimum. Umumnya bahan dan ukuran sirip berhubunan lansun denan biaya pembuatan sementara panas yan ditimbulkan oleh motor sulit untuk dimodifikasi. Penelitian yan dapat dilakukan secara mudah untuk mendapatkan kinerja sirip yan optimum diarahkan pada penaruh jarak sirip vertikal dan dapat diukur pada berbaai variasi kecepatan aliran udara. Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari penelitian ini adalah menentukan jarak sirip vertikal terbaik pada mesin sepeda motor 4 tak. Manfaat Penelitian Adapun manfaat penelitian ini diharapkan : 1. Dapat meninkatkan pendininan pada mesin sepeda motor 4 tak yan cenderun panas akibat penunaan denan waktu yan lama, sehina dapat menurani masalah over head pada mesin. 2. Memberikan sumban saran untuk rancan banun kendaraan dan penembanan teknoloi terutama pada Aritek Volume 11 Nomor 1 Maret 2010 PENGARUH JARAK SIRIP.. 24

2 aplikasi pendininan yan menunakan sirip. LANDASAN TEORI 1. Perpindahan Panas a. Perpindahan Panas Konduksi Perpindahan eneri dari temperatur tini ketemperatur rendah. Suatu eneri berpindah secara konduksi (conduction) atau hantaran, jika laju perpindahan panas berbandin denan radien suhu normal : q T A x Jika dimasukkan konstanta proporsionalitas (proportionality constant) atau tetapan kesebandinan maka: T q = ka x Dimana : q = laju perpindahan panas T = Gradient suhu x b. Perpindahan Panas Konveksi Sebuah plat loam panas akan menjadi dinin lebih cepat, bila diletakkan di depan kipas anin dibandinkan denan diletakkan di udara yan tenan. Sehina dapat dikatakan kalau panas dari plat dikonveksi. Adapun persamaan yan diunakan adalah : = ha T T q w ( ) c. Perpindahan Panas Radiasi Radiasi dalam hal ini hanya berbentuk radiasi thermal (thermal radiation). Teori thermodinamika menunjukkan bahwa radiator (penyinar) ideal memancarkan eneri denan laju yan sebandin denan pankat empat suhu absolut benda tersebut dan berbandin lansun denan luas permukaan. Sehina : q pancaran = σat 4 2. Perpindahan Panas di Ruan Bakar Mesin Campuran udara bahan bakar yan masuk ke ruan bakar pada saat lankah kerja munkin bersuhu lebih tini atau lebih rendah dibandin suhu dindin silinder. Pada saat lankah kompresi, suhu bahan bakar naik dan pembakaran dimulai, telah terjadi perpindahan panas secara konveksi dari bahan bakar ke dindin silinder. Beberapa panas hasil kompresi berkuran karena pendininan melalui penuapan yan terjadi ketika tetesan kecil (dropet) bahan bakar yan tersisa menuap. Pada saat puncak pembakaran, temperatur bahan bakar dan dindin silinder dapat mencapai 3000 K dan perpindahan panas yan efektif diperlukan untuk menjaa dindin silinder menalami kelebihan panas (overheatin). Konveksi dan konduksi adalah jenis perpindahan panas yan memindahkan eneri dari ruan pembakaran dan menjaa dindin silinder aar tidak meleleh. Perpindahan panas sebuah dindin silinder dapat dilihat pada ambar berikut ini. Mesin berpendinin fluida cair Mesin berpendinin udara Gambar 1. Perpindahan panas melalui dindin silinder (Sumber: Pulkrabek, WW; 1999; hal. 319) Perpindahan panas tiap satuan luas permukaannya adalah : Q& q& = = A 1 h ( T T ) x + k c + 1 hc (Sumber : Pulkrabek, WW; 1999; hal. 319) dimana : T = temperatur bahan bakar di ruan bakar T c = temperatur pendininan h = koef. perpindahan panas konveksi bahan bakar = koef. perpindahan panas konveksi pendinin x = ketebalan dindin ruan bakar h c k = konduktivitas panas dindin silinder Perpindahan panas pada persamaan di atas adalah sebuah siklus. Temperatur bahan Aritek Volume 11 Nomor 1 Maret 2010 PENGARUH JARAK SIRIP.. 25

3 bakar T di ruan bakar sanat bervariasi selama siklus lankah kerja mesin denan nilai maksimum pada saat pembakaran dan nilai minimum pada saat masuknya bahan bakar. Bahkan temperatur bahan bakar saat masuk lebih rendah daripada temperatur dindin silinder yan dan terjadi perpindahan panas dari dindin ke bahan bakar secara sementara. Temperatur pendinin T c relatif konstan denan sedikit perubahan pada saat siklus mesin telah mencapai waktu relatif lama. Media pendininnya adalah udara untuk mesin denan pendininan udara (air colled) dan bahan yan tidak mudah beku untuk mesin berpendinin air. Koefisien perpindahan panas konveksi bahan bakar h sanat bervariasi terhadap siklus kerja mesin karena terjadi perubahan-perubahan pada bahan bakar seperti perubahan dalam hal erakan, kecepatan, turbulensi dan lain-lain. Koefisien untuk dindin silinder jua memiliki variasi yan luas denan alasan yan sama. Koefisien perpindahan panas pendinin relatif konstan dan terantun pada kecepatan media pendininnya. Konduktivitas panas dindin silinder k adalah funsi temperatur dindin dan relatif konstan. Perpindahan panas konveksi permukaan dalam silinder adalah : Q q& = & = h ( T Tw ) A (Sumber : Pulkrabek, WW; 1999; hal. 320) dimana T w adalah temperatur dindin dan seharusnya tidak lebih dari 180 o -200 o C untuk kestabilan panas minyak pelumas dan kekuatan struktur bahan dindin. Perpindahan panas secara radiasi antara bahan bakar dan dindin ruan bakar adalah : Q& q& = = A 4 4 ( T T ) ( 1 ) ( ) σ 1 + F1 2 w 1 + w (Sumber : Pulkrabek, WW; 1999; hal. 321) dimana : T = temperatur bahan bakar di ruan bakar T w = temperatur dindin w σ = konstanta Stefan-Boltzmann = emisivitas bahan bakar w = emisivitas dindin F 1-2 = faktor pandanan antara bahan bakar dan dindin Meskipun temperatur bahan bakar sanat tini, radiasi terhadap dindin hanya sekitar 10% dari total perpindahan panas di ruan bakar. Hal ini menacu pada sifat emisi bahan bakar yan hanya beradiasi pada panjan elomban tertentu. N 2 dan O 2 yan menjadi baian utama bahan bakar sebelum menalami proses pembakaran beradiasi sanat kecil, sementara CO 2 dan H 2 O sebaai hasil pembakaran beradiasi sedikit lebih besar. 3. Mesin Berpendinin Udara (Air- Cooled Enine) Mesin berpendinin udara menunakan aliran udara di permukaan luar mesin untuk memindahkan panasnya. Pada kendaraan seperti sepeda motor dan pesawat, erak maju kendaraan menyebabkan erakan udara di permukaannya. Aliran udara ini serinkali jua diarahkan sesuai keininan denan perlenkapan tambahan. Permukaan luar mesin dibuat dari loam denan sifat penhantar panas yan baik dan umumnya permukaannya dibentuk bersirip (fin) untuk mendapatkan perpindahan panas yan maksimum. Beberapa mesin berukuran kecil bahkan dilenkapi denan balin-balin dan penarah anin yan dapat meninkatkan perpindahan panas pada sirip-siripnya. Pendininan baian depan mesin umumnya lebih mudah dan lebih efisien dibandin baian belakan mesin karena sisi depan sesuai denan arah erak kendaraan. Hal ini dapat menyebabkan terjadinya beda temperatur dan masalah ekspansi panas. Untuk mendapatkan pendininan yan seraam pada mesin jenis ini lebih sulit dibandin mesin berpendinin fluida cair. Aliran pendinin cair lebih mudah dikontrol dan disalurkan pada baian-baian yan membutuhkan pendininan maksimum. Pendinin cair jua memiliki sifat panas yan lebih baik daripada udara seperti Aritek Volume 11 Nomor 1 Maret 2010 PENGARUH JARAK SIRIP.. 26

4 koefisien konveksi yan lebih tini, panas spesifik dan lain-lain. Jika dibandinkan denan mesin berpendinin fluida cair, mesin berpendinin udara memiliki keuntunan sebaai berikut : 1. Berat lebih rinan. 2. Biaya lebih murah. 3. Tidak terjadi keaalan pada sistem pendininan seperti pompa, selan dan lain-lain. 4. Mesin tidak menjadi terlalu dinin. 5. Pemanasan mesin lebih cepat. Sedankan kelemahannya adalah : 1. Kuran efisien. 2. Lebih bisin, denan kebutuhan aliran udara lebih besar dan tanpa peredaman kebisinan. 3. Membutuhkan aliran udara lansun dan permukaan yan dilenkapi denan siripsirip. Persamaan umum perpindahan panas untuk permukaan bersirip dapat diunakan untuk menhitun perpindahan panas pada permukaan mesin berpendinin udara. 4. Perpindahan Panas pada Sirip Perpindahan panas pada sirip berawal dari konsep perluasan permukaan. Hal ini dapat dilihat pada ilustrasi berikut ini : (a) T s, A T, h q = ha( T T ) s (b) A T s T, h Gambar 2. Perpindahan panas melalui perluasan permukaan (Sumber : Incropera, FP, DeWitt, DP; 1996; hal. 122) Ditinjau satu permukaan datar seperti pada ambar (a). Jika T s tetap maka ada dua cara untuk meninkatkan perpindahan panasnya. Koefisien konveksi h dapat dinaikkan denan menaikkan kecepatan fluidanya dan atau temperatur fluida T dikurani. Tetapi hal ini sanat tidak efisien ditinjau dari sei biaya yan diperlukan terhadap peninkatan perpindahan panasnya. Biaya-biaya ini termasuk pada tenaa blower atau pompa untuk menaikkan kecepatan fluida. Sedankan menurunkan temperatur fluida merupakan solusi yan tidak praktis. Pada ambar (b) dapat dilihat bahwa perpindahan panas ditinkatkan denan jalan menambah luas permukaan. Hal ini dilakukan denan menaplikasikan bentuk sirip (fin) yan merupakan perpanjanan dindin permukaan terhadap fluida di sekitarnya. Bentuk-bentuk sirip ini bermacam-macam yaitu bentuk persei panjan, bentuk lancip, bentuk tabun, bentuk cincin maupun bentuk kerucut. Konduktivitas panas bahan sirip memiliki penaruh yan sanat besar terhadap distribusi temperatur sepanjan sirip sehina akan berpenaruh pada laju perpindahan panasnya. Idealnya bahan sirip harus memiliki konduktivitas panas yan relatif tini untuk meminimalkan variasi temperatur dari dasar sirip sampai ke ujunnya. Pada batas nilai konduktivitas ini maka temperatur dasar sirip kuran lebih sama denan permukaan panasnya. Efektivitas sirip didefinisikan sebaai rasio laju perpindahan panas denan sirip dibandinkan denan laju tanpa sirip. Hipotesa Menacu pada proses perpindahan panas, dimana pertukaran panas dipenaruhi oleh luasan permukaan yan berinteraksi denan fluida sekitar dimana semakin luas suatu permukaan maka proses pertukaran panas semakin efektif. Jadi untuk luasan yan sama, jarak sirip yan semakin kecil akan memperkecil interaksi denan fluida sekitar sehina akan menurani efektifitas pertukaran panas. Metodoloi Penelitian 1. Variabel Penelitian Variabel penelitian terdiri dari; Variabel bebas, meliputi jarak sirip vertikal (mm) dan variasi kecepatan anin (m/det), sedankan Variabel terikatnya adalah temperatur mesin, temperatur sirip dan temperatur ruan antar sirip dalam satuan 0 C. Aritek Volume 11 Nomor 1 Maret 2010 PENGARUH JARAK SIRIP.. 27

5 2. Rancanan Percobaan factorial yan dianalisis denan menunakan analisa varian ANOVA untuk melihat penaruh variasi jarak sirip, variasi kecepatan anin dan interaksi antara kedua variable tersebut terhadap temperature blok mesin, sirip dan ruan diantara sirip. Jika dari hasil analisa ANOVA diketahui ada penaruh variable bebas terhadap variable terikat maka akan dilanjutkan denan analisa reresi. Jika tidak maka akan dibuat analisa rafik sebaai ambaran perilaku. Gambar 3. Rancanan peralatan Penujian Cara kerja alat : Panas dari sumber panas yan menalir menuju sirip secara konduksi akan di buan secara konveksi denan memberikan aliran udara yan di hembuskan kipas anin yan dilenkapi denan cerobon penarah aliran melewati sirip-sirip pendinin, sehina panas dari sumber panas akan berkuran secara kontinu. Arah datan anin dalam penelitian ini adalah arah anin sejajar. Tetapi berlawanan denan arah sirip, pada penujian ini sirip yan diunakan berbentuk vertical. Sirip vertikal ini direncanakan dibuat dari aluminium berbentuk persei panjan denan panjan 7 13 cm dan lebar 1,5 cm, sirip-sirip vertical ini di letakkan menempel pada cylinder head denan variasi jarak 5 mm, 7mm (standar), 9 mm, dan 13 mm (ukuran ekstrim). 3. Peralatan dan bahan penelitian : Dalam melaksanakan keiatan observasi ini diunakan beberapa alat untuk membantu pelaksanaan eksperimen penelitian, antara lain : 1. Mesin sepeda motor 4 tak (Kharisma). 2. Plat aluminium denan ketebalan 3 mm. 3. Kipas denan denan kecepatan anin 3,5 m/dt, 4,0 m/dt, 4,5 m/dt. 4. Alat penukur suhu. 5. Cerobon anin berbahan sen denan ketebalan 0,4 cm. 4.Rencana Metode Analisa Data Data yan diambil sesuai denan table merupakan data denan rancanan desain Pembahasan 1. Hubunan waktu dan suhu. Data hasil penelitian dapat ditampilkan dalam bentuk rafik hubunan antara waktu dan suhu sebaai berikut : Waktu pendininan (menit) Aritek Volume 11 Nomor 1 Maret 2010 PENGARUH JARAK SIRIP.. 28 Suhu ( o C) Blok mesin Sirip Antar sirip Gambar 4. Grafik hubunan waktu vs suhu Dari rafik di atas dapat dilihat bahwa suhu hasil penukuran cenderun naik sesuai pertambahan waktu. Hal ini dapat dipahami meninat kerja mesin menhasilkan panas dan panas yan dihasilkan semakin lama akan semakin besar. Kenaikan yan relatif kecil menunjukkan satu kemunkinan bahwa proses pendininan telah terjadi denan baik, denan meninat rancanan percobaan yan dilakukan pada putaran mesin yan dijaa konstan. Selain itu terlihat pula urutan suhu tertini ke suhu terendah terjadi pada blok mesin, sirip dan ruan antar sirip. Hal ini sesuai denan fenomena teoritis yan terjadi dimana panas ruan bakar dipindahkan ke dindin mesin (blok) terlebih dahulu. Selanjutnya panas blok mesin berpindah ke sirip dan dilanjutkan denan perpindahan panas dari sirip ke udara disekitarnya.

6 2. Hubunan jarak sirip dan suhu. Data hasil penelitian jua dapat ditampilkan dalam bentuk rafik hubunan antara jarak sirip dan suhu sebaai berikut : Suhu ( o C) Jarak sirip (mm) Blok mesin Sirip Antar sirip Grafik 5. Hubunan jarak antar sirip vs waktu Dari rafik di atas terlihat bahwa suhu tertini terjadi pada jarak sirip 7 mm. Hal ini dapat dimenerti bahwa suhu sirip yan relatif lebih tini menindikasikan jumlah panas yan dipindahkan jua relatif lebih besar. Pada jarak sirip 5 mm suhunya relatif sama dan lebih rendah dari jarak 7 mm. Sedankan untuk jarak sirip 9 mm dan 13 mm tampak bahwa suhunya relatif lebih rendah dibandin yan lain. Kesimpulan 1. Jarak antara sirip tidak memberikan penaruh yan sinifikan terhadap laju perpindahan panas mesin. 2. Perpindahan panas optimum terjadi pada jarak antara sirip 7 mm (jarak standar). 3. Kecepatan anin sanat berpenaruh terhadap perpindahan panas dimana semankin besar kecepatan anin, maka semankin besar laju perpindahan panas. disertakan misal jumlah konsumsi bahan bakar, perbandinan bahan bakar dan udara, sudut penapian dan lain-lain. Daftar Pustaka Bhattacharya, GK, Johnson, RA; 1977; Statistical Concepts and Methods; John Wiley & Sons; New York Brodkey, RS, Hershey, HC; 1988; Transport Phenomena A, Unified Approach; McGraw-Hill; Sinapure. conductivity Incropera, FP, DeWitt, DP; 1996; Fundamental of Heat and Mass Transfer, Fourth Edition; John Wiley & Sons, Inch; Canada. Lester C Litchy; Combustion Enine Processes; 1996; Tokyo; McGraw Hill Maleev, V.L.; Internal Combustion Enine Theory and Desin; McGrawHill Mathur, M.L. Sharma, R.P; 1980; A Course in Internal Combustion Enine; Dhanphat Rai and Sons; New Dehli. Nakoela S dan Shoichi F; Motor Serba Guna; PT Pradnya Paramitha; Jakarta. Pulkrabek, WW; 1999; Enineerin Fundamental of The Internal Combustion Enine; Prentice Hall International, Inc; Sinapore Surbakty dan Soehardjo, R, ; 1978 ; Motor Bakar 2; Depdikbud; Jakarta Wiranto, MA; 1998; Penerak Motor Bakar Torak; ITB; Bandun. Saran 1. Penelitian selanjutnya sebaiknya menyertakan penukuran pada ruan bakar sehina analisa perpindahan panas secara teoritis dapat dilakukan sebaai bentuk kalibrasi data. 2. Parameter-parameter penukuran dalam kerja mesin yan lain jua dapat Aritek Volume 11 Nomor 1 Maret 2010 PENGARUH JARAK SIRIP.. 29