PENGARUH LAJU ALIRAN COOLANT CAMPURAN AIR DENGAN ETHYLENE GLYCOL TERHADAP LAJU PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN RADIATOR OTOMOTIF

Transkripsi

1 PENGARUH LAJU ALIRAN COOLANT CAMPURAN AIR DENGAN ETHYLENE GLYCOL TERHADAP LAJU PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN RADIATOR OTOMOTIF SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh : BERNADUS NANANG DWI NURYANTO NIM. I JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2015

2 KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET - FAKULTAS TEKNIK,uRusAN TEKNTK MESIN Jl. lr. Sutami 36A Surakarta tlp web: SURAT TUGAS PEMBIMBING DAN PENGUJI TUGAS AKHIR PROGRAM SAR ANA TEKNIK MESIN UNS Program Studi :S1 Non Reguler Nomor : O48X.ITA S1/O6/2O13 Nama NIM Bidang Pembimbing 1 :BERNADUS NAilANG DWI NURYANTO :l14o9o1o :Konversi Energi :WIBAWA ENDRA TUWANA., ST,MT/197OO9112OOOO31OOI Pembimbing 2 :TRl ISTANTO, ST,MT/1973O82O2OO0121OO1 Penguji : 1. D. DANARDOIIO, ST, MT, PhD/ WIBOWO, ST,MT/ 1969O425L998O21OO1 3. I Mata Kuliah Pendukung 1. PENUKAR KALOR(M } 2.GENERATOR UAP DAN GAS(MSO5O83.1O} 3. POMPA DAN KOMPRESOR{MSO61O3-1O} Judul Tugas Akhir "PENGARUH LAJU ALIRAN COOLANT CAMPURAN AIR DENGAN ETHYLENE GLYCOL TERHADAP LA'U PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN RADIATOR OTOMOTIF" Tembusan: 1. Mahasiswa ybs. 2, Dosen Pembimbing TA ybs. 3. Koordinator TA. 4. Arsip. 6"ffi il,r""\h/i JURUSAH TEKf{IK MESIN ) ].4t3?.z2l Teknik Mesin, DJOKO SUSILO, ST,MT Hal ldari thal.

3 PENGARUH LAJU ALIRAN COOLANT CAMPURAN AIR DENGAII ETHYLENE GLYCOL TERIIADAP LAJU PERPINDAHAN PANAS DAN PENURIINAN TEKANAN RADIATOR OTOMOTIF Disusun oleh : Bemadus Nanans Dwi Nuryanto NIM. I Dosen Pembimbing I.( r., ;7=$;^_\/ Wibawa Endra J. ST.. MT. NIP NrP Telah dipertahankan di hadapan Tim April2015 Dosen Penguji pada hari RabU tanggal D. Danardono. ST.. MT." Ph.D. NIP an 2. Dr. Ene. Svamsul Hadi. ST." MT. NIP s Mengetahui, *::lirw gutw* t t00r Dr. Eng. Syamsul Hadi. ST.. MT. NIP t5t iii

4 MOTTO Suatu aspek penting dari kreatifitas adalah tidak takut gagal ~ Edwin Land~ Everything would be happen because we believe ~ iant16 ~ Birds can fly with their wings, but I flew with my mind ~ robotfintar ~ Commitment unlocks the doors of imagination, allows vision, and gives us the "right stuff" to turn our dreams into reality. ~ James Womack~ Inovasi tak pernah berhenti pada ide Inovasi adalah kreatifitas, nyali, trial and error, dan semangat pantang menyerah Jadi apa inovasimu?? ~ ~ Take action, karena rejeki ada dalam tindakan, bukan dalam rencana ~ Mario Teguh~ Vision without action is merely a dream. Action without vision just passes the time. Vision with action can change the world. ~ Joel Arthur Barker~ Hanya mimpi dan keyakinan yang bisa membuat manusia berbeda dengan makhluk lainnya. Hanya mimpi dan keyakinan yang membuat manusia menjadi sangat istimewa di mata sang Pencipta ~5 CM~ Don t fight to get the job, but fight to do the job. ~ Anies Baswedan~ iv

5 HALAMAN PERSEMBAHAN Dengan segala kerendahan hati seraya mengucakan syukur kehadirat Allah, penulis persembahkan tulisan ini kepada: 1. Tuhan Yesus Kristus Sang Juru selamat yang telah menyelamatkan dan menaungi dalam setiap langkah hidupku. 2. Kedua orang tuaku, kakak, kekasihku, kakek, nenek yang telah mendampingi mendukung dalam perjalanan skripsiku. 3. Bapak Wibawa Endra J, ST., MT. dan Bapak Tri Istanto, ST., MT. 4. Teman-teman seperjuangan, Ribut, Didik, Hendrawan, dan Dani. 5. Teman-teman mahasiswa TMNR Seluruh dosen, karyawan, dan mahasiswa Teknik Mesin UNS. 7. Semua pembaca skripsi ini. v

6 THE EFFECT OF WATER-ETHYLENE GLYCOL COOLANT FLOW RATE ON THE HEAT TRANSFER RATE AND PRESSURE DROP ON THE AUTOMOTIVE RADIATOR Bernadus Nanang Dwi Nuryanto Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia Abstract This experimental study was conducted to examine the heat transfer rate and pressure drop on corrugated louver fin with triangular channel radiator. Radiator tube and fin were made of aluminium. Cold fluid flows verticaly from top side to bottom while air flows horizontaly (crossflow heat exchanger). Water and 20% Ethylene glycol were used as hot fluid (coolant) and maintained at constant temperature of 80 o C and varied at flow rate of 25 lpm, 30 lpm, 35 lpm, dan 40 lpm. Whereas air was used as cold fluid having its velocity varied at 1.5 m/s, 2 m/s, 2,5 m/s and 3 m/s. And air intake temperature was maintained around 30 o C. The result shows the higher water flow rate in the radiator tube, resulting in higher value of heat transfer rate, and coolant pressure drop. Ethylene glycol mixing composition into the coolant, affects on decreasing the heat transfer rate. The highest heat transfer rate enhancement was obtained at water coolant usage. Ethylene glycol mixing affects the increasing coolant-side pressure drop Key Words: radiator, louver fin, crossflow heat exchanger, Ethylene Glycol vi

7 PENGARUH LAJU ALIRAN COOLANT CAMPURAN AIR DENGAN ETHYLENE GLYCOL TERHADAP LAJU PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN RADIATOR OTOMOTIF Bernadus Nanang Dwi Nuryanto Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia Abstrak Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui laju perpindahan panas dan penurunan tekanan pada radiator dengan tipe sirip corrugated louver fin with triangular channel. Material pipa dan sirip radiator adalah aluminium. Aliran fluida pendingin di dalam pipa radiator mengalir secara vertikal dari atas ke bawah sedangkan udara mengalir secara horisontal (crossflow heat exchanger). Fluida panas adalah air dan campuran 20% Ethylene glycol dengan air yang temperaturnya masuk dipertahankan pada 80 o C dan udara sebagai fluida pendingin. Laju aliran coolant divariasi 25 lpm, 30 lpm, 35 lpm, dan 40 lpm. Kecepatan udara divariasi 1.5 m/s, 2 m/s, 2,5 m/s, 3 m/s. Temperatur udara masuk berkisar antara 30 o C. Hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin tinggi laju aliran air pada pipa radiator menghasilkan laju perpindahan panas, dan pressure drop pada coolant terjadi peningkatan. Pada penambahan komposisi Ethylene glycol pada coolant justru akan menghasilkan laju perpindahan panas yang semakin rendah. Laju perpindahan panas terbesar adalah pada coolant water. Penambahan Ethylene glycol pada coolant akan menyebabkan pressure drop di sisi coolant meningkat. Kata Kunci: radiator, louver fin, crossflow heat exchanger, Ethylene Glycol vii

8 KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah Yang Maha Esa yang telah memberikan rahmat dan karunianya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul pengaruh laju aliran coolant campuran air dengan ethylene glycol terhadap laju perpindahan panas dan penurunan tekanan radiator ini dengan baik. Skripsi ini disusun untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dalam penyelesaian Skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan skripsi ini, terutama kepada: 1. Bapak Didik Djoko Susilo, ST,. MT. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS Surakarta. 2. Bapak Wibawa Endra Juwana, ST,. MT. selaku Pembimbing I yang membantu dan membimbing penulis menyelesaikan skripsi ini. 3. Bapak Tri Istanto, ST,.MT. selaku Pembimbing II yang membantu dan membimbing penulis menyelesaikan skripsi ini. 4. Bapak D. Danardono, ST., MT., Ph.D., Bapak Wibowo, ST., MT., Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST., MT. selaku Dosen Penguji yang bersedia memberikan saran yang membangun. 5. Bapak Tri Istanto, ST,.MT. selaku Pembimbing Akademik. 6. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST., MT. selaku koordinator Tugas Akhir 7. Seluruh dosen dan staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah membimbing dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1. 8. Ayah dan ibu kakak dan kekasihku, yang selalu memberikan doa dan kasih sayangnya kepada penulis. 9. Teman-teman skripsi radiator, Ribut, Didik, Hendrawan, dan Dani yang telah menemani penulis dalam suka maupun duka. 10. Semua teman-teman Teknik Mesin. viii

9 11. Semua pihak yang telah membantu dalam melaksanakan dan menyusun skripsi ini yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak untuk memperbaiki dan menyempurnakan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat berguna bagi pembaca sekalian dan bagi penulis pada khususnya. Surakarta, April 2015 Penulis ix

10 DAFTAR ISI Halaman Halaman Judul. i Halaman Surat Penugasan... ii Halaman Pengesahan... iii Halaman motto iv Halaman persembahan. v Abstrak. vi Kata pengantar. viii Daftar isi. x Daftar gambar.. xii Daftar persamaan. xiii Daftar notasi xv Daftar lampiran xviii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Dan Manfaat Sistematika Penulisan 5 BAB II LANDASAN TEORI Tinjauan Pustaka Dasar Teori Radiator sebagai Penukar Panas Motor Bakar Konstruksi radiator Tangki atas (Upper Tank) Tutup Radiator (Radiator Cap) Inti Radiator (Radiator Core) 11 a. Pipa radiator (Radiator Tube).. 11 b. Sirip (fin) radiator Tangki bawah (Lower Tank) Fluida Pendingin (Coolant) Laju aliran Coolant terhadap Unjuk kerja Radiator Perpindahan Panas Parameter Tanpa Dimensi Perhitungan pada radiator Geometri radiator Perhitungan Luas Perpindahan Panas Analisa Perpindahan Panas Perhitungan Laju Perpindahan Panas. 18 x

11 Perhitungan bilangan Reynolds dan bilangan Nusselt air (Re w dan Nu) Perhitungan koefisien perpindahan panas pada sisi coolant Perhitungan Penurunan Tekanan (Pressure Drop) 23 BAB III METODOLOGI PENELITIAN Lokasi Penelitian Bahan Penelitian Alat Penelitian Prosedur Penelitian Tahap Persiapan Tahap Pengujian Metode Analisa Data Diagram Alir Penelitian. 30 BAB IV ANALISIS DATA Uji Validitas Perpindahan panas Pengaruh Variasi Debit terhadap Laju Perpindahan panas Pengaruh Variasi Debit coolant terhadap bilangan Nusselt Pengaruh Variasi Debit Coolant Terhadap Penurunan Tekanan Pada radiator Otomotif 36 BAB V PENUTUP 38 DAFTAR PUSTAKA.. 39 LAMPIRAN. 41 xi

12 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Susunan aliran coolant pada radiator 8 Gambar 2.2 Komponen radiator Gambar 2.3 Tutup radiator Gambar 2.4 Fin dan Tube Aluminium radiator 12 Gambar 2.5 Louver fin with triangular channel.. 12 Gambar 2.6 Ilustrasi jenis-jenis perpindahan panas. 14 Gambar 2.7 Dimensi dasar pada radiator. 16 Gambar 2.8 Faktor koreksi LMTD Gambar 2.9 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada radiator 21 Gambar 2.10 Pengukuran Pressure drop dengan manometer.. 23 Gambar 3.1 Skema alat Unit Stand Radiator 25 Gambar 3.2 Gambar 3D Unit Stand Radiator.. 26 Gambar 3.3 Unit Stand radiator 27 Gambar 3.4 Radiator otomotif. 27 Gambar 4.1 Grafik hubungan Reynols dengan Nu aktual dan Nu Dittus Boelter untuk coolant water.. 32 Gambar 4.2 Grafik hubungan Reynols dengan Nu aktual dan Nu Dittus Boelter untuk coolant 20% EG dan 80% water.. 33 Gambar 4.3 Grafik pengaruh debit Coolant terhdap laju perpindahan panas 34 Gambar 4.4 Grafik hubungan Reynolds dengan Nu untuk coolant coolant water dan coolant 20% EG + 80% water Gambar 4.5 Grafik hubungan antara Renold coolant dengan P sisi coolant dengan air murni dan campuran etylene glycol xii

13 DAFTAR PERSAMAAN Halaman Persamaan (2.1) Perpindahan panas konduksi. 14 Persamaan (2.2) Perpindahan panas konveksi. 14 Persamaan (2.3) Perpindahan panas radiasi. 14 Persamaan (2.4) Bilangan Reynold. 15 Persamaan (2.5) Bilangan Prandtl Persamaan (2.6) Bilangan Nusselt Persamaan (2.7) Panjang sirip. 17 Persamaan (2.8) Luas frontal inti radiator Persamaan (2.9) Luas frontal pipa coolant.. 17 Persamaan (2.10) Luas frontal perpindahan panas sirip 17 Persamaan (2.11) Luas perpindahan panas pada sirip Persamaan (2.12) Luas perpindahan panas pada pipa coolant sisi dinding luar tanpa sirip. 17 Persamaan (2.13) Luas perpindahan panas total pada sisi udara.. 17 Persamaan (2.14) Keliling penampang pipa coolant sisi dinding dalam Persamaan (2.15) Luas perpindahan panas pada pipa coolant sisi dinding dalam Persamaan (2.16) Luas permukaan rata-rata dinding pipa 17 Persamaan (2.17) Luas penampang pipa coolant sisi dinding dalam 17 Persamaan (2.18) Luas perpindahan panas total pada sisi coolant 17 Persamaan (2.19) Luas laluan udara total.. 18 Persamaan (2.20) Luas laluan coolant total Persamaan (2.21) Laju perpindahan panas di sisi air 18 Persamaan (2.22) Laju perpindahan panas di sisi udara 18 Persamaan (2.23) Temperatur bulk air.. 18 Persamaan (2.24) Temperatur bulk udara. 18 Persamaan (2.25) Laju perpindahan panas sisi air. 18 Persamaan (2.26) Laju perpindahan panas sisi udara 18 xiii

14 Persamaan (2.27) Bilangan Reynolds 19 Persamaan (2.28) Diameter hidrolik pipa coolant bagian dalam.. 19 Persamaan (2.29) Kecepatan air di pipa coolant Persamaan (2.30) Nusselt aktual rata-rata. 19 Persamaan (2.31) Nusselt korelasi Dittus-Boelter 19 Persamaan (2.32) Nusselt korelasi Dittus-Boelter 19 Persamaan (2.33) Laju perpindahan panas sisi air menggunakan metode LMTD.. 20 Persamaan (2.34) Laju perpindahan panas sisi udara menggunakan metode LMTD.. 20 Persamaan (2.35) Faktor koreksi metode LMTD. 20 Persamaan (2.36) Nilai T LMTD. 21 Persamaan (2.37) T 1 21 Persamaan (2.38) T 2 21 Persamaan (2.39) Tahanan termal total radiator 21 Persamaan (2.40) Koefisien perpindahan panas total 22 Persamaan (2.41) Koefisien perpindahan panas total 22 Persamaan (2.42) Koefisien perpindahan panas total sisi air 22 Persamaan (2.43) Koefisien perpindahan panas total sisi udara 22 Persamaan (2.44) Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di sisi air 22 Persamaan (2.45).h Persamaan (2.46) Koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi air 22 Persamaan (2.47) Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di sisi air 22 Persamaan (2.48) Pressure drop Persamaan (2.49) Pressure drop Persamaan (2.50) Pressure drop xiv

15 DAFTAR NOTASI = luas perpindahan panas (m 2 ) = luas perpindahan panas pipa sisi dinding luar tanpa sirip (m 2 ) = luas perpindahan panas pipa sisi dinding dalam (m 2 ) = luas penampang duct (m) = luas perpindahan panas pada sirip (m 2 ), = luas frontal perpindahan panas sirip (m 2 ), = luas frontal inti radiator (m 2 ), = luas frontal pipa coolant (m 2 ) = luas perpindahan panas total pada sisi coolant (m 2 ) = luas perpindahan panas total pada sisi udara (m 2 ), = luas laluan udara total pada radiator (m 2 ), = luas laluan coolant total pada radiator (m 2 ) = luas penampang pipa coolant sisi dinding dalam (m 2 ) = luas permukaan rata-rata dinding pipa (m 2 ) = tinggi inti (m) = ketebalan inti (m) = lebar inti (m), = panas jenis udara (J/kg. o C), = panas jenis air (J/kg. o C),, / = diameter hidrolik yang terbentuk pada sirip (m) = diameter hidrolik pipa radiator (m) = kekasaran relatif = faktor koreksi metode LMTD = faktor gesekan aliran udara = tinggi sirip (m) = panjang sirip (m) = panjang sirip (m) = fin pitch (m) xv

16 = ketebalan sirip (m) = percepatan gravitasi = 9.8 (m/s 2 ) = konduktivitas termal (W/m. o C) = konduktivitas termal udara (W/m. o C) = konduktivitas termal coolant (W/m. o C) = konduktivitas termal dinding pipa (W/m. o C) = konduktivitas termal air di pipa radiator (W/m. o C) = panjang pengukuran pressure drop (m) = laju aliran massa udara (kg/s) = laju aliran massa air (kg/s) = jumlah pipa coolant = jumlah sirip dalam satu profil = jumlah profil = jumlah kolom pipa coolant di kedalaman inti = bilangan Nuselt = keliling penampang pipa coolant sisi dinding dalam (m) = tekanan udara masuk duct = tekanan udara keluar duct = tekanan atmosfer = Pa = laju perpindahan panas (Watt) = laju perpindahan panas di sisi udara (W) = laju perpindahan panas rata-rata (W) = laju perpindahan panas di sisi coolant (W) = bilangan Reynolds, = bilangan Reynold berdasarkan diameter hidrolik = bilangan Reynolds aliran coolant di pipa radiator,, = faktor pengotoran di sisi air = faktor pengotoran di sisi udara = radius ujung sirip (m) = radius ujung pipa coolant (m) = Specific gravity air raksa commit = to user xvi

17 = Specific gravity minyak rem = 1.05 = bilangan Stanton = temperatur permukaan benda (K) = temperatur fluida ( o C), = temperatur udara masuk saluran ( o C), = temperatur udara keluar saluran ( o C), = temperatur bulk udara ( o C), = temperatur bulk air ( o C), = temperatur air masuk pipa radiator ( o C), = temperatur air keluar pipa radiator ( o C) = temperatur permukaan benda ( o C), = temperatur dinding dalam pipa radiator ( o C), = temperatur dinding luar pipa radiator = = kecepatan aliran fluida dalam pipa (m/s) = kecepatan udara rata-rata pada duct (m) ν θ = kecepatan air di pipa coolant (m/s) = debit air masuk radiator (m 3 /s) = diffusivitas momentum (m 2 /s) = ketebalan bahan (m) = panjang penampang pipa coolant (m) = lebar penampang pipa coolant (m) = panjang pipa coolant (m) = ketebalan pipa coolant (m) = sudut kemiringan manometer = 15 o = massa jenis fluida (mercury) dalam manometer (kg/m 3 ) = massa jenis air (kg/m 3 ) xvii ( o C) = berat jenis minyak raksa di dalam monometer ( kg/m 2.s 2 ) = berat jenis aliran air dalam radiator (kg/(m².s²)) = viskositas dinamik udara (kg/m.s) = viskositas dinamik air (kg/m.s) = massa jenis udara (kg/m 3 )

18 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Tabel data hasil pengamatan Lampiran 2. Contoh perhitungan Lampiran 3. Tabel data hasil perhitungan. 50 Lampiran 4. Properties Ethylene Glycol.. 53 Lampiran 5. Properties air Lampiran 6. Properties udara Lampiran 7. Alat penunjang yang digunakan xviii