ANAISA PERPINDAHAN PANAS PADA PITOT TBE 0856MG Roy Indra esmana Fakultas Teknik, Jurusan Teknik Mesin niversitas Jenderal Amad Yani, Cimai Bandung Email: royindralesmana@gmail.om Abstrak Bongkaan es akan terbentuk pada ujung pitot tube pesawat terbang. Diperlukan panas tertentu untuk dapat menega terbentuknya bongkaan es agar pitot tube tetap berfungsi. Panas yang diperlukan dapat beruba sesuai yang diperlukan agar tidak merusak struktur pesawat. Diperlukan peritungan seara konveksi dan konduksi untuk mengetaui rata-rata perpindaan panas dan temperatur pemanas pitot tube. Kata Kuni: Pitot Tube, Konveksi, Konduksi. Notasi T Temperatur / Suu [F] ρ Masa jenis [lbm/ft 3 ] ν Kinematik viskositas [ft /s] k Konduktivitas termal [Btu/r.ft.F] pr Prandtl number jarak [ft] koefisien perpindaan panas [Btu/r.ft.F] rata-rata perpindaan panas [Btu/r] ynold number Keepatan udara [ft/s] Panjang [ft] w ebar [ft] A uas [ft ] Subsript Konveksi k Konduksi Aliran bebas s Dinding as Pemanas Sepanjang pitot tube C okal Pendaulun Pitot tube 0856MG dipasang pada pesawat Beeraft 1900D. Pesawat ini terbang biasanya pada ketinggian sampai 5000 ft diatas permukaan laut dan pada keepatan 60 knots atau setara dengan 439 ft/s. Pitot tube berfungsi sebagai alat navigasi pesawat untuk dapat mengetaui ketinggian, keepatan dan tekanan. Prinsip kerja pitot tube yaitu dengan membandingkan tekanan antara tekanan total yang didapat dari pitot tube dan tekana statik yang didapat dari statik tube. Dengan perbedaan tekanan yang didapat (tekanan dinamik), seingga bisa diketaui keepatan pesawat dan berbagai parameter lain sesuai dengan tabel International Standard Atmospere (ISA). Gambar 1. Pitot Tube Terdapat beberapa fenomena ketika pesawat terbang pada ketinggian tertentu dan keepatan tertentu, yaitu dengan suu yang sangat dingin sangat muda terbentuknya es pada ujung-ujung bagian depan (leading edge) pesawat, sala satunya yaitu pitot tube. ntuk menega terbentuknya es pada mulut pitot tube yang dapat mengganggu fungsi dari pitot tube tersebut, maka 1 P a g e
dipasangkan sebua sistem yang dikenal dengan istila Anti Iing System. Prinsip kerja dari sistem ini yaitu dengan ara memberikan pemanas pada pitot tube. Pemanas akan memberikan perlawanan suu teradap suu yang berasal dari lingkungan (ambient). Gambar. Aliran udara pada Pitot Tube Pada kali ini akan dilakukan peritungan mengenai perpindaan panas yang terjadi pada beberapa ketinggian pesawat pada saat terbang, yaitu pada ketinggian 10000 ft sampai 5000 ft dengan skala kenaikan tiap 1000 ft. Material yang digunakan pitot tube 0856MG tidak diketaui, maka pada analisa ini material yang digunakan diasumsikan menggunakan tembaga murni (Copper Pure) dengan nilai konduktivitas panasnya 4 Btu/r ft F (pada suu 3 F). Gambar 3. Penampang Pitot Tube Pada gambar 3 diatas diperliatkan penampang pitot tube seara sederana. Panjang pitot tube () dari pemanas ke ujung pitot tube diketaui sebesar 0,65 ft. Jari-jari dalam (r) sebesar 0,095 ft dan jari-jari luar (R) sebesar 0,038 ft. Pada analisa ini juga dapt diliat besar suu yang diperlukan pemanas untuk menega terbentuknya es pada ujung pitot tube. Teori Dasar Sistem perpindaan panas dibagi menjadi 3 jenis, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. Seara umum, ketiga jenis tersebut dibedakan berdasarkan media dalam upaya memindakan energi panas. Konduksi menggunakan media padat, konveksi menggunakan media fluida, sedangkan radiasi menggunakan media gelombang elektromagnetik. Pada kasus ini, metode yang digunakan adala seara konduksi dan konveksi. Proses perpindaan panas seara konduksi bila diliat seara atomik merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana partikel yang energinya renda dapat meningkat dengan menumbuk partikel dengan energi yang lebi tinggi. ntuk perpindaan panas seara konduksi, setiap material mempunyai nilai konduktivitas panas (k) [Btu/r ft F], yang mempengarui besar perpindaan panas yang dilakukan pada suatu material. k k. A. (1) Apabila kalor berpinda dengan ara gerakan partikel yang tela dipanaskan dikatakan perpindaan kalor seara konveksi. Bila perpindaannya dikarenakan perbedaan kerapatan disebut konveksi alami (Free Convetion) dan bila didorong, misal dengan fan atau pompa disebut konveksi paksa (Fored Convetion). Besarnya per-pindaan panas seara konveksi tergantung pada : uas permukaan benda yang bersinggungan dengan fluida (A). Perbedaan suu antara permukaan benda dengan fluida ( T), dan juga, koefisien konveksi (), yang tergantung pada: visositas fluida (µ) keepatan fluida (v) perbedaan temperatur antara permukaan dan fluida ( ) kapasitas panas fluida (Cp) rapat massa fluida ( ρ ) P a g e
w... () Aliran fluida pada plat datar dapat digambarkan seperti pada gambar 4. Terdapat dua jenis aliran yang mengalir pada plat datar yaitu laminar dan turbulen. Kedua jenis aliran ini berpengaru teradap besar perpindaan panas yang terjadi. viskositas menurut Witaker dan untuk memepertaankan ketergantungan sifat-sifat fluida teradap suu, maka nilai koefsien perpindaan panas dapat diperole: 0,8 ( 900) k 0,43 0,036 pr. (6) Identifikasi Masala dan peritungan Gambar 4. Aliran fluida pada plat datar ntuk mengetaui perpindaan panas pada aliran laminar, arus diketaui panjang aliran laminar terlebi daulu, dimana panjang aliran laminar tersebut dipengarui ole nilai kinematik viskositas (v), ynold number dan keepatan aliran udara. Nilai ynold number pada aliran laminar bernilai sekitar 10 5. ν. (3) Maka besar koefisien perpindaan panas seara konveksi untuk sepanjang aliran laminar atau lokal adala: Pada analisa ini, pesawat dianggap diam dan udara mengalir dengan keepatan pesawat. Pada pitot tube, udara didalam lubang pitot tube tidak mengalir, maka peritungan perpindaan panas dalam lubang diabaikan, dan udara yang mengalir dipermukaan luar pitot tube diasumsikan seperti udara yang mengalir pada plat datar. Keepatan aliran udara yang terjadi diperkirakan sebesar 60 knots atau sebesar 0,4 Ma, maka dari itu, peritungan perpindaan panas yang terjadi tidak menggunakan peritungan pada aliran keepatan tinggi, dikarenakan peritungan pada aliran keepatan tinggi untuk aliran dengan keepatan lebi dari 0,5 Ma. Perpindaan yang terjadi pada pitot tube, dapat digambarkan seperti pada gambar 5. Suu ambient berpengaru teradap ujung pitot tube dan suu dari pemanas juga berpengaru teradap pitot tube. k 1/ 3 1/ 0,664 pr. (4) ntuk mengitung perpindaan panas keseluruan atau sepanjang, maka arus ditentukan dulu nilai ynold number sepanjang plat ( ) dan koefisien perpindaan panas konveksi keseluruan ( ). (5) ν Koefisien perpindaan panas rata-rata sepanjang plat dengan mengabaikan koreksi Gambar 5. Ilustrasi perpindaan panas ntuk menjaga suu pada ujung pitot tube dari pengaru suu ambient dan suu pemanas, besar rata-rata perpindaan panas seara konveksi sama dengan besar perpindaan panas yang terjadi seara konduksi atau bisa di gambarkan seara matematik menjadi: k (7) 3 P a g e
ntuk mengitung rata-rata perpindaan panas seara konveksi, arus ditentukan dulu panjang aliran laminar atau letak terjadinya transisi aliran. Dengan menggunakan persamaan (3), bisa diketaui panjang aliran laminar dengan nilai kinematik viskositas didapat dari tabel sifat fisik udara berdasarkan temperatur. Agar lebi akurat, parameter temperatur yang digunakan adala temperatur film. Conto peritungan akan dilakukan pada ketinggian 10000 ft. ntuk mengataui temperatur pada ketinggian tertentu bisa diketaui dari tabel International Standard Atmospere (ISA), berdasarkan tabel ISA, pada ketinggian 10000 ft, suu udara sekitar 3 F, maka untuk menjaga suu ujung pitot minimal 3 F, besar suu filmnya yaitu sebesar: T + Ts T film 3 + 3 T film 8F Dari tabel sifat fisik udara, pada suu 8 F, beberapa nilai koefisien yang didapat yaitu: ρ 0,08 lbm/ft 3 ν 0,143 10-3 ft /s k 0,0139 Btu/r ft F Pr 0,7 Maka panjang aliran laminar adala: ν. 3 0,143 10 439 0,065 ft 10 Maka jarak tempat terjadinya transisi dari ujung plat sejau 0,065 ft. Nilai ini akan beruba tergantung dari nilai kinematik viskositasnya. Menentukan besar koefisien perpindaan panas seara konveksi disepanjang aliran laminar. Dengan persamaan (4), maka didapat nilai koefisien perpindaan panasnya sebesar: 5 0,664 k pr 1/ 3. 0,0139 0,664 0,7 0,065 56,79Btu / r. ft. F 1/ 1/ 3 ( 10 ) 5 1/ Koefisien perpindaan panas sepanjang aliran laminar sebesar 56,79 Btu/r.ft.F. nilai ini akan beruba dipengarui ole besarnya konduktivitas termal dan prandtl number. Panjang pitot tube adala 0,65 ft. Sedangkan bagian yang terkena aliran laminar adala sebesar 0,065 ft. Maka sebagian besar atau sekitar 90% bagian pitot tube terkena aliran turbulent. Maka nilai ynold number disepanjang pitot tube (0,65 ft) adala dengan menggunakan persamaan (5). ν 439 0,65 0,143 19,954 5 10 Dari persamaan (6). Maka koefisien rata-rata perpindaan panas disepanjang pitot tube adala; 0,036 k pr 0,43 0,0139 0,036 0,7 0,65 0,8 ( 900). 5 [(19,954 10 ) 900] 67,15Btu / r. ft. F ntuk menentukan besar rata-rata perpindaan panas seara konveksi, dari persamaan (), maka arus ditentukan dulu lebar dari benda yang dialiri. Karena pitot tube ini berbentuk lingkaran, maka lebar benda yang dialiri sama dengan keliling luar dari pitot tube tersebut. w π R w π w 0,06 ft 0,038 0,43 Maka : 4 P a g e
w... w...( T T ) 0,06 0,65 67,15 77,86Btu / r s ( 3 3) Analisa asil peritungan Dari peritungan diatas, besar rata-rata perpindaan panas konveksi yang terjadi antara aliran udara bebas dengan pitot tube sebesar 77,86 Btu/r. Berdasarkan persamaan (7), besar rata-rata perpindaan seara konveksi sama dengan besar rata-rata perpindaan seara konduksi. Maka untuk menentukan temperatur yang dibutukan pemanas pitot tube untuk menjaga suu pitot tube minimal 3 F adala: Dimana : A π R π r A π A π ( R r ) ( 0,038 0,095 ) 0,645 10 3 ft Pada peritungan rata-rata perpindaan panas seara konduksi pada pitot tube, nilai konduktivitas termal yang digunakan adala konduktivitas termal dari material yang digunakan, bukan konduktivitas termal udara. Maka: k k. A. ( Tas Ts ) k k. A.. Tas + Ts k. A 77,86 0,65 Tas + 3 3 4 0,0645 10 T 38,30F as Perirtungan pada beberapa ketinggian dan beberapa sifat fisik udara bisa diliat pada tabel 1. Beberapa sifat fisik yang ditampilkan pada tabel 1 adala asil interpolasi yang dilakukan teradap beberapa temperatur yang perlukan. Gambar 6. Jarak transisi teradap T Gambar 6 adala grafik perbandingan antara (jarak transisi) teradap temperatur ambient. Pada grafik tersebut diperliatkan bawa terjadinya penambaan jarak tempat terjadinya transisi aliran. Semakin tinggi temperatur, maka tempat terjadinya transisi aliran semakin jau. Analisa ini pada aliran dengan keepatan tetap. Gambar 7. Perbandingan laminar dengan total Gambar 7 memperliatkan grafik perbandingan antara koefisien perpindaan panas seara konveksi yang terjadi pada aliran laminar / lokal dan sepanjang pitot tube. Garis miring / gradient kedua garis tersebut ampir sama. Hal tersebut memperliatkan penambaan/ perubaan koefisien perpindaan panas seara konveksi baik pada aliran laminar maupun total enderung konstant. 5 P a g e
Pada ketinggian 10000 ft, untuk menjaga temperatur pitot tube minimal 3 F (0 0 C) diperlukan temperatur pemanas minimal 383.3 F (194.6 0 C). dan untuk ketinggian 5000 ft diperlukan temperatur minimal 661.05 F (1460.6 0 C). Gambar 8. Perbandingan T ambient dengan T eat element Gambar 8 memperliatkan grafik perbandingan antara temperatur ambient dan temperatur eat element yang mempengarui pitot tube. Temperatur eat element meningkat dengan tajam seiring perubaan ketinggian. Perubaan temperatur eat element sangat dipengarui rata-rata perpindaan panas yang terjadi. Kesimpulan dan Saran Dapat ditarik kesimpulan, yaitu: Besar rata-rata perpindaan panas sangat berpengaru teradap temperatur pemanas yang diperlukan untuk menjaga keseim-bangan suatu temperatur. Temperatur pemanas yang diperlukan sangat tinggi dibandingkan perubaan temperatur ambient. Dari analisa diatas ada beberapa saran, antara lain yaitu: ntuk menentukan material pitot tube, endaknya disesuaikan dengan karakteristik terbang pesawat tersebut, agar laju perpindaan panas yang terjadi bisa seimbang dengan perubaan temperatur ambient. Menggantikan fungsi pitot tube dengan berbagai sensor dapat meningkatkan akurasi dan meminimalisir pemborosan yang ditimbulkan perangkat mekanik. ferensi Kreit, Frank. Priniples of Heat Transfer, Tird edition. Harper & Row, Publiser, In. 1973 Hawkerbeeraft, Rayteon. MM & IPC Beeraft 1900D, Capter 34. 6 P a g e
Tabel 1. Sifat fisik udara dan asil peritungan No Alt T T film ρ ν k pr 3 10 ft F F lbm/ft 3 10 3 ft /s Btu/r ft F ft Btu/r ft 5 F 10 Btu/r ft F Btu/r F Tas 1 10 3 8 0.08 0.143 0.0139 0.7 0.065 56.79 19.954 67.15 77.86 38.30 11 0 6 0.08 0.14 0.0139 0.7 0.065 57.19 0.095 67.56 110.64 59.75 3 1 16 4 0.08 0.141 0.0138 0.7 0.064 57.18 0.37 67.49 14.69 673.96 4 13 13 0.083 0.140 0.0138 0.7 0.064 57.59 0.38 67.91 176.04 84.00 5 14 9 1 0.083 0.140 0.0138 0.7 0.064 57.59 0.38 67.91 08.51 970.04 6 15 6 19 0.083 0.139 0.0137 0.7 0.063 57.58 0.58 67.84 40.63 1114.57 7 16 17 0.083 0.138 0.0137 0.7 0.063 58.00 0.677 68.7 74.78 168. 8 17-15 0.084 0.137 0.0137 0.7 0.06 58.4 0.88 68.70 309.8 143.41 9 18-5 13 0.084 0.136 0.0136 0.7 0.06 58.4 0.981 68.64 341.79 1569.70 10 19-9 1 0.084 0.136 0.0136 0.73 0.06 58.69 0.981 69.05 376.83 177.33 11 0-1 10 0.084 0.135 0.0135 0.73 0.06 58.69 1.137 68.98 409.35 1873.63 1 1-16 8 0.085 0.134 0.0135 0.73 0.061 59.13 1.94 69.43 445.19 034.88 13-19 6 0.085 0.133 0.0134 0.73 0.061 59.13 1.454 69.36 477.94 18.0 14 3-3 4 0.085 0.13 0.0134 0.73 0.060 59.58 1.617 69.8 514.36 346.07 15 4-7 3 0.086 0.131 0.0134 0.73 0.060 60.03 1.78 70.8 551.37 51.54 16 5-30 1 0.086 0.130 0.0133 0.73 0.059 60.04 1.950 70. 584.38 661.05 7 P a g e