Teknika ATW(2013) halaman 1

Transkripsi

1 PENINGKATAN EFEKTIFITAS KINERJA RADIATOR Oleh : Y. Yulianto Kristiawan 1),Arif Setyo Nugroho 2),Petrus Heru Sudargo 3) 1),2),3) Progdi.Teknik Mesin,Akademi Teknologi Warga Surakarta. Abstract One solution to overcome the over heating is the initial cooling process before going into the radiator with the addition of a tool that is a finned channel (PCM). To prove the extent to which the effectiveness of the device in the combustion engine using CFD simulation program. And could explain the phenomenon of heat transfer that occurs in pre laid duct finned radiator. Use of CFD results showed a decrease in temperature by using finned channel with a variable number of fins 6 and 11 respectively is 740C, 730C, whereas the number of fin direct studies 6 and 11 respectively are C, C. Key word : PCM,over heating, CFD, Heat transfer Salah satu solusi untuk mengatasi over heating adalah proses pendinginan awal sebelum masuk ke radiator dengan penambahan alat yang merupakan saluran bersirip (PCM). Untuk membuktikan sejauh mana efektivitas perangkat dalam mesin pembakaran menggunakan program simulasi CFD. Penjelasan fenomena perpindahan panas yang terjadi pada pra meletakkan saluran radiator bersirip. Penggunaan hasil CFD menunjukkan penurunan suhu dengan menggunakan saluran bersirip dengan sejumlah variabel sirip 6 dan 11 masing-masing adalah 74 0 C, 73 0 C, sedangkan jumlah sirip studi langsung 6 dan 11 masing-masing adalah C, C. Kata kunci: PCM, over heating, CFD, perpindahan panas I. Pendahuluan Dalam hal dimensi yang kompak dan konsumsi bahan bakar dalam sebuah mobil tersebut tidak terlepas dari unjuk kerja pendinginan mesin karena apabila unjuk kerja pendinginan mesin bagus maka akan terdapat penghematan dalam konsumsi daya yang diperlukan proses pendinginan. Pada proses pendinginan mesin, peranan dimensi pompa pendinginan, dimensi fan pendingin, kecepatan pendinginan dan bentuk radiator menjadi faktor faktor penentu kinerja pendinginan mesin. Salah satu permasalahan yang sering muncul pada mesin kendaraan bermotor adalah terjadinya panas pada mesin yang berlebihan yang biasanya disebut dengan over heating. Penyebab dari kondisi ini antara lain sistem pendinginan yang bermasalah. Antara lain pada radiator, performa dari radiator sering bermasalah disebabkan karena terjadinya kerak sehingga pada saat proses pendinginan air tidak bisa maximal karena terhambat oleh kerak. PCM adalah Phase Change Material, suatu teknik dalam penyimpanan kalor laten. Penggunaan PCM sebagai media penyimpanan kalor laten pada system TES (Thermal Energy Strorage) mempunyai banyak keuntungan. Farid, dkk (2008), Mengusulkan penggunaan PCM, dengan perbedaan suhu leleh untuk system penyimpanan kalor ini dengan udara sebagai media transfer kalor. Pada system yang diusulkan, PCM dimasukkan dalam pipa-pipa dan diletakkan berjajar vertical. Karena tahanan tranfer kalor udara cukup besar, maka pada system ini kecepatan pelelehan dan pembekuan PCM cukup kecil. Farid, dkk (2003,2007), Mengusulkan penggunaan PCM, dengan perbedaan suhu leleh untuk system penyimpanan kalor ini dengan udara sebagai media transfer kalor. Pada system yang diusulkan, PCM dimasukkan dalam pipa-pipa dan diletakkan berjajar vertical. Teknika ATW(2013) halaman 1

2 Karena tahanan tranfer kalor udara cukup besar, maka pada system ini kecepatan pelelehan dan pembekuan PCM cukup kecil. Watanabe, (2008). mengatakan bahwa untuk menaikan kecepatan transfer kalor dengan cara menaikan koefisien perpidahan kalor menyeluruh atau memperbesar luas permukaan kontak antara dua fluida kerja, yaitu dengan memberi fin atau sirip pada salah satu permukaan pipa atau memberi/ memasukan potongan-potongan besi pada PCM. Suhanan, (2005). Dengan bahan utama PCM berupa paraffin wax, dan penggunaan fin dalam sebuah pipa, didapat kesimpulan bahwa kecepatan perpindahan kalor antara dua media dalam system dan jumlah energi terakumulasi dapat ditingkatkan dengan penambahan fin pada salah satu permukaan alat penukar kalor. Akan terjadi kenaikan kecepatan perpindahan kalor dan akumulasi energi pada system yang cukup signifikan. Adanya perbedaan antara temperatur media transfer kalor dengan temperatur leleh media penyimpan energi (PCM) yang semakin tinggi juga akan menikkan laju perpindahan kalor serta akumulasi energi pada system. Penambahan PCM pada saluran masuk radiator mampu menurunkan suhu air masuk radiator turun sebesar 10 0 C. Sedangkan pemakaian sirip dengan jumlah 6 dan11 tanpa memakai parafin (PCM) mampu menurunkan suhu yang akan masuk ke radiator turun sebesar Penurunan suhu mesin dengan modifikasi pengkondisian saluran oli oleh Tedjo (2006) dalam penelitianya perubahan saluran bersirip dari pabrikan ke modifikasi mampu menurunkan suhu mesin sebesar 18 0 C, yang diukur di dalam ruang carter oli mesin. Dan untuk mengetahui efektifitas PCM tersebut digunakan sebuah program CFD. input output Sirip 1 Sirip 11 (a). Dimensi sirip (b) Dimensi sirip Gambar 1 disain PCM II. Bahan dan Metode II.1 BAHAN Bahan yang digunakan adalah a. Satu set PCM b. Engine stand ( bensin) c. Alat ukur suhu d. Disain komputasi dalam gambit. Simulasi CFD yang dilakukan adalah dengan mempergunakan bentuk geometri saluran bersirip dengan ukuran seperti pada gambar 2 (a), 2 (b) dan 2 (c). Teknika ATW(2013) halaman 2

3 Keterangan gambar 1. Suhu input radiator 2. Radiator 3. Suhu out put mesin 4. Saluran bersirip input no Saluran bersirip out put. Gambar 1 (a) adalah gambar pandangan samping saluran bersirip dengan ukuran detail ukuran panjang dan jarak sirip, gambar 1 (b) adalah gambar pandangan depan dengan ukuran diameter pipa dan sirip sedangkan gambar 2 adalah gambar penempatan saluran bersirip pada engine stand. Pada simulasi CFD jumlah sirip divariabelkan 6 dan 11. Dimensi jarak sirip 11 seperti tampak pada gambar 1 (a) dan jarak sirip 6 pada di dua sisi luar berjarak sama sedangkan jarak antar sirip tengah berjarak 16 mm. Pada Simulasi CFD material yang diambil adalah fluida air dengan temperatur masuk saluran bersirip K (diambil dari pengukuran langsung). II.2 METHODE Gambar 2.Saluran bersirip Metodologi penelitian ini disajikan sebagaimana pada diagram alir, prosedur simulasi dan pengujian sebagaimana terlihat dalam gambar 3. IDE : PERPINDAHAN PANAS PADA RADIATOR ALAT YANG TERSEDIA SETING ALAT PEMBUATAN DISAIN ( PROGRAM GAMBIT DENGAN DIMENSI ALAT SESUNGGUHNYA) PENGUJIAN FUNGSI ALAT COMPUTASI DENGAN FLUENT PENGAMBILAN DATA ANALISA DATA HASIL YA TIDAK DIBANDINGKAN YA ANALISA ANALISA DATA HASIL TIDAK HASIL PERBANDINGAN Gambar 3 diagram alir penelitia Teknika ATW(2013) halaman 3

4 III. KAJIAN PUSTAKA Perpindahan kalor serta penurunan tekanan (pressure drop) yang terjadi sangat bergantung pada karakteristik inti radiator. Cairan pendingin (air) yang dipompakan masuk ke dalam radiator pada temperatur ± 80 0 C akan melepaskan kalornya akibat adanya perbedaan temperatur yang lebih rendah yaitu antara temperatur air dengan dinding pipa radiator bagian dalam, yang berpindah secara konveksi. Selanjutnya perbedaan temperatur yang lebih rendah antara dinding pipa bagian dalam dengan dinding pipa bagian luar akan memicu terjadinya perpindahan panas secara konduksi, dan perpindahan panas dengan cara yang sama akan diteruskan lagi pada sirip-sirip yang sengaja disambungkan pada dinding pipa bagian luar. Untuk mendapatkan penyerapan panas air yang diinginkan maka dengan bantuan kipas (fan), udara ditiupkan pada arah menyilang terhadap radiator sehingga perbedaan temperature antara sirip dan dinding pipa bagian luar terhadap udara tersebut kembali memicu terjadinya perpindahan panas secara konveksi. 1. Konduksi panas melalui dinding rata... (1) Dimana : q = konduksi panas melalui dinding rata (W) k = konduktivitas kalor (W/m.k) A = luas penampang (m 2 ) x = tebal dinding (m) T 1 = temperatur pada dinding luar bagian kiri ( K) T 2 = temperatur pada dinding luar bagian kanan ( K) 2. Konduksi panas melalui silinder... (2) Dimana : Q = laju perpindahan panas konveksi (W) T 1 = temperatur dinding dalam ( o K) T 2 = temperatur dinding luar ( o K) r o = jari-jari luar (m) r 1 = jari-jari dalam (m) 3. Perpindahan panas konveksi atau aliran... (3) Dimana Q = laju perpindahan panas konveksi (W) H = koefisiensi perpindahan panas (W/m2 o C) A = Luas penampang Tw = temperatur permukaan dinding ( o K) T = temperatur fluida ( o K) 4. Perpindahan panas konveksi pada pipa Untuk menentukan pola aliran, ditentukan dengan angka Reynolds. Dimana Re... (4) = angka Reynold = massa jenis fluida (kg/m 3 ) = diameter dal am pipa (m) = viskositas dinamika (kg/m.s) = kecepatan rata-rata Teknika ATW(2013) halaman 4

5 Jika bilangan Reynold 2300 aliran laminar Jika bilangan Reynold 4000 aliran turbulen Jika bilangan Reynold 2300 Re 4000 aliran transisi. 5. Perpindahan kalor konveksi persatuan panjang... (5) Dimana = perpindahan panas konveksi persatuan panjang (W/m) = koefisiensi perpindahan panas konveksi (W/m 2.C) = diameter dalam pipa (m) = suhu dinding (K) = suhu fluida gas (K) IV HASIL DAN PEMBAHASAN A. HASIL Hasil iterasi yang diambil adalah countur temperatur pada saluran input, temperatur pada saluran output dan temperatur pada sirip. Perpindahan panas yang terjadi pada saluran bersirip (suhu air ke sirip) adalah jenis Konduksi. Aliran fluida yang berupa air dari kepala silinder dengan suhu sebesar K pada engine stand L 300 bensin dan laju air diambil sebesar m/s. Setelah digambar dan dilakukan perhitungan dengan mempergunakan CFD diperoleh hasil sebagai berikut: 1. Pengaruh Suhu pada saluran 6 sirip Hasil besaran suhu pada saluran bersirip yang diambil mulai dari input, dinding saluran masuk (wall kiri), sirip 1 (wall 1) sampai sirip 6 (wall 6), dinding saluran output (wall kanan), output adalah seperti tampak pada tabel 1. Pengambilan data didasarkan pada hasil iterasi program fluent. Tabel 1. Hasil besaran suhu pada saluran sirip 6 Komponen T ( 0 K) inlet_air (H 2 0) wall_kiri (Dinding pipa kiri) wall_1 (sirip ke 1) wall_2 (sirip ke 2) wall_3 (sirip ke 3) wall_4 (sirip ke 4) wall_5 (sirip ke 5) wall_6 (sirip ke 6) wall_kanan (Dinding pipa kanan) outlet_air Teknika ATW(2013) halaman 5

6 Gambar 4 pengaruh suhu hasil komputasi Hasil perubahan suhu pada saluran bersirip yang diambil mulai dari input, dinding saluran masuk (wall kiri), sirip 1 (wall 1) sampai sirip 11 (wall 11), dinding saluran output (wall kanan), output adalah seperti tampak pada tabel 1. Tabel 2. Hasil perubahan suhu pada saluran sirip 11 Komponen T ( 0 K) inlet_air (H 2 0) wall_kiri (Dinding pipa kiri) wall_1 (sirip ke 1) wall_2 (sirip ke 2) wall_3 (sirip ke 3) wall_4 (sirip ke 4) wall_5 (sirip ke 5) wall_6 (sirip ke 6) wall_7 (sirip ke 7) wall_8 (sirip ke 8) wall_9 (sirip ke 9) wall_10 (sirip ke 10) wall_11 (sirip ke 11) wall_kanan (Dinding pipa kanan) outlet_air Teknika ATW(2013) halaman 6

7 Gambar 4 pengaruh suhu hasil komputasi B. PEMBAHASAN Tabel 1 dan gambar 3 merupakan data hasil dari iterasi fluent saluran 6 sirip. Pada saluran pipa masuk temperatur masuknya sebesar K dan suhu keluar K). Penurunan yang cukup besar terjadi dsari input ke dinding saluran masuk (wall kiri) sampai ke sirip 1 (wall 1). Suhu sirip terjadi peningkatan dimulai dari wall 2 (sirip 2) sampai output. Suhu pada saluran output sebesar K. Jadi saluran dengan mempergunakan 6 sirip suhu air masuk sebesar K dan suhu keluar dari saluran bersirip sebesar K. Jadi penurunan dengan mempergunakan 6 sirip adalah sebesar K Tabel 3: Suhu Hasil Penelitian dan Hasil CFD (Sirip 6) JML T input ( 0 K) T output ( 0 K) SIRIP P F P F Ket: P : Hasil penelitian ; F: Hasil dengan mempergunakan CFD Dari uraian diatas dapat disimpulkan dengan besaran suhu input yang sama K. Dari hasil pengujian didapat hasil K sedangkan dengan mempergunakan CFD didapat K. terdapat selisih 0,6 0 K Tingkat perbedaan hasil dari saat penelitian langsung pada engine dengan mempergunakan program CFD sebesar K, faktor utamanya adalah pemakaian alat ukur pengambil data suhu. Tabel 2 dan Gambar 4 merupakan data hasil dari iterasi fluent sirip.saluran 11 sirip. Pada pipa di dekat input, saluran suhu pipa sebesar K. Temperatur masuk sebesar K dan suhu keluar sebesar K. Suhu terjadi penurunan yang drastis dari suhu input menuju dinding kiri dan dari dinding kiri samapai ke output terjadi peningkatan secara perlahan. Suhu pada saluran output sebesar K. Jadi penurunan dengan mempergunakan 11 sirip adalah sebesar K Tabel 4: Suhu Hasil Penelitian dan Hasil CFD JML T input ( 0 C) T output ( 0 C) SIRIP P F P F Ket: P : Hasil penelitian ; F : Hasil dengan mempergunakan CFD Teknika ATW(2013) halaman 7

8 Dari uraian diatas dapat disimpulkan dengan besaran suhu input yang sama K. Penelitian langsung dengan mempergunakan mesin L300 bensin (gambar 2 c) didapat hasil K sedangkan dengan mempergunakan CFD didapat K. Tingkat perbedaan hasil dari saat penelitian langsung pada engine dengan mempergunakan program CFD, faktor utamanya adalah pemakaian alat ukur pengambil data suhu. Jadi dari jumlah sirip mempengaruhi dari hasil transfer panas melalui sirip, besaran output suhu antara sirip 6 dan 11 terjadi perbedaan tingkat penurunan suhu suhu output pada sirip 6 sebesar K dan sirip 11 sebesar K. Jumlah sirip sangat mempengaruhi besaran luasan perpindahan panas yaitu luas sejumlah sirip ditambah luas dinding silinder yang tidak diberi sirip. V. SIMPULAN Dari hasil simulasi CFD suhu input saluran bersirip sebesar K dan suhu out put pada saluran dengan jumlah sirip 6 adalah K, sirip 11 adalah K. Hasil dari penelitian langsung pada saluran dengan jumlah sirip 6 adalah K, sirip 11 adalah K. Jadi dengan mempergunakan program CFD hasil yang didapat mendekati dari hasil dari penelitian langsung, sirip 6 adalah K dan sirip 11 adalah K. Jadi akurasi penggunaan program CFD dibandingkan dengan penelitian langsung untuk 6 sirip dan 11 sirip sebesar % dan %. Jumlah sirip sangat mempengaruhi besaran luasan perpindahan panas yaitu luas sejumlah sirip ditambah luas dinding silinder yang tidak diberi sirip. Daftar Pustaka [1] Farid, M., Kim, Y., Honda, T., and Kanzawa, A. (2003), The Role of Convection During Melting and Solidification of PCM in Vertical Cylinder, Chem, Eng. Comm, 8, [2] Farid, M., Kim, Yand Kanzawa, A. (2007), Thermal performance of a Heat Storage Module Using PCM s with Different Melting Temperatues: Experimental, Trans. ASME, J., Solar Energy Eng., 112, [3] JP Holman, 1997, Perpindahan Kalor, Erlangga, Jakarta. Panut Mulyono, Suhanan (2008), Studi Perpindahan Panas pada Alat Penukar Panas Untuk Menyimpan Panas Laten, PPIPD, 1997/1998. [4] Suhanan (2008), Analisis Pengaruh Peggunaan Fin Terhadap Peningkatan Perpindahan Kalor Pada Alat Penukar Kalor Untuk menyimpan Kalor Laten. Jurnal Media Teknik No 2 Tahun XXI, [5] Watanabe, T., Kikuchi, H., and Kanzawa, A. (1993), Rates in a Latent Heat Storage System by Use of PCM with Different Meltig Temperatures, Heat Recovery System &CHP, 13 (1), [6] Yanadori, M., and Matsuda, T. (2008), Heat Tranfer Study on a Heatr Storage Container with Phase Change Material, Solar Energy, 36 (2), [7] Suhanan (2008), Analisis Pengaruh Peggunaan Fin Terhadap Peningkatan Perpindahan Kalor Pada Alat Penukar Kalor Untuk menyimpan Kalor Laten. Jurnal Media Teknik No 2 Tahun XXI, [8] Toufiq Hidayat, Arif Setyo Nugroho, 2013, Studi Perpindahan panas pada alat bantu pendinginan Pra Radiator pada Engine Stand Bensin Dengan Menggunakan Program CFD. POLITEKNOSAINS. Teknika ATW(2013) halaman 8