UJI EKSPERIMENTAL OPTIMASI LAJU PERPINDAHAN KALOR DAN PENURUNAN TEKANAN AKIBAT PENGARUH LAJU ALIRAN UDARA PADA ALAT PENUKAR KALOR JENIS RADIATOR FLAT TUBE SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik BINSAR T. PARDEDE NIM. 06 0401 032 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2011
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat rahmat dan karunia-nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul UJI EKSPERIMENTAL OPTIMASI LAJU PERPINDAHAN KALOR DAN PENURUNAN TEKANAN AKIBAT PENGARUH LAJU ALIRAN UDARA PADA ALAT PENUKAR KALOR JENIS RADIATOR FLAT TUBE. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mencapai derajat Sarjana S-1 pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik,. Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel Hasiholan Napitupulu, DEA, selaku Dosen pembimbing, yang selalu memberikan bimbingan dan motivasi sehingga penelitian ini dapat selesai. 2. Bapak Dr-Ing. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. 3. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membantu segala keperluan yang diperlukan selama penulis kuliah. 4. Staf Laboratorium Prestasi Mesin, Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara, yang telah membantu pelaksanaan pengujian alat. 5. Kedua orang tua saya Manaor Edyson Pardede dan Dameria Sinaga yang selalu memberikan dukungan moril dan materiil serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada saya. 6. Bapak Ir. J. Nadeak yang telah membantu dalam penyelesaian penelitian ini. 7. Seluruh rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah memberikan bantuannya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dan seluruh pihak yang telah membantu selama penulis kuliah dan menyelesaikan skripsi ini.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, maka dari itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran bersifat membangun untuk perbaikan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca. Tuhan memberkati. Medan, Agustusl 2011 Penulis, Binsar T. Pardede NIM. 060401032
DAFTAR ISI ABSTRAK KATA PENGANTAR... i DAFTAR ISI... iii DAFTAR SIMBOL... v DAFTAR GAMBAR... vi DAFTAR TABEL... x BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1.. Latar Belakang... 1 1.2. Batasan Masalah... 4 1.3. Tujuan Penelitian... 4 1.4. Manfaat Penelitian... 5 1.5. Metode Pengumpulan Data... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 6 2.1 Perpindahan Panas... 6 2.2 Alat Penukar Kalor Kompak... 9 2.3 Radiator... 13 2.3.1. Tutup Radiator... 14
2.3.2. Tangki Atas... 15 2.3.3. Tangki Bawah... 15 2.3.4. Inti Radiator... 15 2.3.4.1. Pipa (tube) radiator... 16 2.3.4.2. Sirip (fin) radiator... 17 2.4 Landasan Teori... 18 2.5 Efektivitas Alat Penukar Kalor... 32 2.6 Penurunan Tekanan... 33 BAB III METODE PENELITIAN... 34 3.1. Metode Pelaksanaan Penelitian... 34 3.2. Tempat Penelitian... 35 3.3. Bahan dan Alat... 35 3.4. Dimensi Utama Alat Penelitian... 42 3.5. Pelaksanaan Penelitian... 44 3.6. Analasi Data... 44 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN... 46 4.1. Data Hasil Penelitian... 46
4.2. Pengolahan Data... 49 4.3. Pembahasan... 56 4.4. Perhitungan Teoritis... 60 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 70 5.1. Kesimpulan... 70 5.2. Saran... 71 DAFTAR PUSTAKA
DAFTAR SIMBOL q = laju perpindahan panas (W) m h = laju aliran massa fluida panas (kg/s) m c = laju aliran massa fluida dingin (kg/s) c ph = panas jenis fluida panas (J/kg o C) c pc = panas jenis fluida dingin (J/kg o C) T co = temperatur fluida dingin keluar ( o C) T ci = temperatur fluida dingin masuk ( o C) T ho = temperatur fluida panas keluar ( o C) T hi = temperatur fluida panas masuk ( o C) A c = luas permukaan sisi dingin yang mengalami perpindahan panas (m 2 ) A fr,c = area frontal fluida dingin (m 2 ) A o,c = area bebas alir fluida dingin (m 2 ) T c = temperatur rata-rata fluida dingin ( o C) h c = koefisien pindahan panas pada sisi tabung (W/m 2.K) T h = temperatur rata-rata fluida panas ( o C) A h = luas permukaan sisi panas yang mengalami perpindahan panas (m 2 ) A fr,h = area frontal fluida panas (m 2 ) A o,h = area bebas alir fluida panas (m 2 ) h h h c = koefisien pindahan panas pada sisi air (W/m 2.K) = koefisien pindahan panas pada sisi udara (W/m 2.K)
ε = efektifitas APK (%) Q = debit aliran air (m 3 /s) ρ = massa jenis fluida (kg/m 3 ) L 1 δ t l t,i t t,i l t,o t t,o P t P l P f N P,f N f N l,f l t,o k f L 2 L 3 D h,c D h,h S t = panjang pipa (m) = tebal pipa (m) = lebar pipa sisi dalam (m) = tebal pipa sisi dalam (m) = lebar pipa sisi luar (m) = tebal pipa sisi luar (m) = jarak antar pipa dari sisi transversal (m) = jarak antar pipa dari sisi longitudinal (m) = jarak antar puncak sirip (m) = jumlah puncak sirip/baris = jumlah baris sirip = jumlah kolom sirip = lebar sirip (m) = material sirip (W/m.K) = tebal radiator (m) = lebar radiator (m) = diameter hidrolik udara (m) = diameter hidrolik air (m) = bilangan stanton m = parameter efektivitas sirip (m -1 ) l = setengah jarak antar pipa (m)
ε = emisivitas ;sifat radiasi pada permukaan A = luas permukaan (m 2 ) σ = konstanta Stefan-Boltzman (5,67.10 8 W/m 2.K 4 ) T T = temperatur absolute permukaan (K) = temperatur sekitar (K)
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Perpindahan panas konduski dari udara hangat ke kaleng minuman dingin melalui dinding aluminum kaleng... 7 Gambar 2.2 Perpindahan panas dari plat panas...7 Gambar 2.3 Perpindahan panas secara radiasi...8 Gambar 2.4 Susunan pelat-sirip...10 Gambar 2.5 Jenis-jenis sirip...11 Gambar 2.6 Gambar 2.7 Gambar 2.8 Sirip kontinyu pada susunan pipa bulat dan plat...12 Pipa tunggal bersirip...12 Pipa tunggal dengan sirip longitudinal...13 Gambar 2.9 Konstruksi Radiator...13 Gambar 2.10 Tutup radiator (a) relief valve, dan (b) vacuum valve...14 Gambar 2.11 Tangki atas radiator...15 Gambar 2.12 Tangki bawah radiator...15 Gambar 2.13 Inti radiator dengan karakteristik flat tube dan arah aliran kedua fluida...16 Gambar 2.14 flat tube susunan segiempat...17 Gambar 2.15 Sirip (fin)...17 Gambar 2.16 Pipa bersirip kontinyu...19 Gambar 2.17 Area bebas alir udara...20 Gambar 2.18 Jenis-jenis karakteristik sirip...23
Gambar 2.19 Bilangan Nusselt untuk aliran laminar pada pipa persegi dengan profil temperatur dan kecepatan berkembang penuh...31 Gambar 2.20 Faktor gesekan untuk aliran laminar berkembang penuh di dalam pipa persegi...31 Gambar 2.21 Keefektifan pada sirip lurus dan lingkaran...34 Gambar 3.1 Radiator...38 Gambar 3.2 Flow meter...39 Gambar 3.3 Termokopel...40 Gambar 3.4 Anemometer...40 Gambar 3.5 Gambar 3.6 Gambar 3.7 Gambar 3.8 Gambar 3.9 Pompa Sirkulasi...41 Termo Resistance...41 Panel indikator temperatur...42 Jarum termokopel...42 Tangki Pemanas...43 Gambar 3.10 Pemanas air 5000 W...43 Gambar 3.11 Katup Kontrol...43 Gambar 3.12 Regulator...44 Gambar 3.13 Motor Listrik...44 Gambar 3.14 Kipas (fan)...45 Gambar 3.15 Skema pemasangan alat uji penelitian...46 Gambar 4.1 Distribusi temperature radiator...54 Gambar 4.2 Grafik hubungan kecepatan udara menumbuk radiator (v) terhadap perpindahan panas menyeluruh sisi panas (U c )...60
Gambar 4.3 Grafik hubungan kecepatan udara menumbuk radiator (v) terhadap perpindahan panas menyeluruh sisi panas (U h )...61 Gambar 4.4 Grafik hubungan kecepatan udara menumbuk radiator (v) terhadap temperature air keluar radiator (T ho )...61 Gambar 4.5 Grafik hubungan kecepatan udara menumbuk radiator (v) terhadap penurunan tekanan udara melalui radiator (ΔP udara )...62 Gambar 4.6 Grafik hubungan kecepatan udara menumbuk radiator (m/s) terhadap efektivitas radiator...63 Gambar 4.7 Gambar 4.8 Gambar 4.9 Distribusi temperatur radiator...63 Grafik kecepatan udara terhadap temperatur air keluar radiator...71 Grafik debit air terhadap temperatur udara melalui radiator...71
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Tabel 3.1 Tabel 3.2 Tabel 4.1 Tabel 4.2 Tabel 4.3 Tabel 4.4 Tabel 4.5 Tabel 4.6 Tabel 4.7 Tabel 4.8 Tabel 4.9 Tabel 4.10 Tabel 4.11 Tabel 4.12 Tabel 4.13 Tabel 4.14 Tabel 4.15 Tabel 4.16 Data perpindahan panas dan faktor gesekan sesuai karakteristik sirip..24 Alat penukar kalor kompak...45 Analisa data...48 Data pengujian pada kecepatan udara 2 m/s...49 Data pengujian pada kecepatan udara 3 m/s...49 Data pengujian pada kecepatan udara 4 m/s...49 Data pengujian pada kecepatan udara 5 m/s...50 Data pengujian pada kecepatan udara 6 m/s...50 Data pengujian pada kecepatan udara 7 m/s...50 Data pengujian pada kecepatan udara 8 m/s...50 Data pengujian pada kecepatan udara 9 m/s...51 Data pengujian pada kecepatan udara 10 m/s...51 Data pengujian pada kecepatan udara 11 m/s...51 Data pengujian pada kecepatan udara 12 m/s...51 Sifat udara pada T c = 304,3 K...55 Sifat air pada T h = 345,5 K...55 Karakteristik sirip 14.77...56 Hasil perhitungan pada setiap variasi kecepatan udara....59 Sifat udara pada T c = 308,5 K......64 Tabel 4.17 Tabel 4.18 Sifat air pada T h = 348 K...64 Karakteristik sirip 14.77.....65
Tabel 4.19 Iterasi untuk memperoleh temperatur fluida keluar pada kondisi kecepatan udara 2 m/s...68 Tabel 4.20 Tabel 4.21 Hasil perhitungan teoritis....70 Perbandingan temperatur kedua fluida antara eksperimental dan teoritis...70
ABSTRAK Sistem pendinginan pada mobil berfungsi untuk menurunkan temperatur pada mesin yang terjadi akibat pembakaran dari ruang bakar. Salah satu alat pendingin pada mesin adalah alat penukar kalor jenis radiator. Dimana alat ini bekerja untuk menurunkan temperatur air pendingin pada mesin. Radiator bekerja berdasarkan hembusan udara dari kipas pendingin yang menumbuk radiator dan debit aliran air yang mengalir di sepanjang pipa radiator tersebut. Permasalahan yang akan dikaji dalam penelitian ini adalah untuk mendapatkan seberapa besar pengaruh laju aliran udara terhadap laju perpindahan kalor dan penurunan tekanan pada alat penukar kalor jenis radiator flat tube. Obyek penelitian ialah seperangkat alat uji berupa radiator flat tube yang terdiri dari beberapa komponen dan alat ukur yang terintegrasi dan merupakan hasil rakitan penyusun. Desain penelitian yang digunakan ialah eksperimen, dengan cara memanipulasi suatu variabel tertentu untuk melihat efek yang terjadi akibat pengaruh laju aliran udara. Variabel bebas ialah laju aliran udara (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12) m/s dan debit aliran air pada kondisi 18,927.10-5 m 3 /s. Berdasarkan analisa data dan pembahasan unjuk kerja alat penukar kalor jenis radiator flat tube yang optimum terjadi pada kondisi kecepatan aliran udara 8 m/s dimana debit aliran air adalah 18,927.10-5 m 3 /s. Keywords: Radiator flat tube, alat penukar kalor