BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Perpindahan panas

Perpindahan panas adalah perpindahan energi karena adanya perbedaan

temperatur. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu

konduksi, konveksi, dan radiasi.

2.1.1. Konduksi

Konduksi merupakan perpindahan panas dari tempat yang bertemperatur

tinggi ke tempat yang bertemperatur rendah di dalam medium yang bersinggungan

langsung. Jika pada suatu benda terdapat gradien suhu, maka akan terjadi

perpindahan panas serta energi dari bagian yang bersuhu tinggi ke bagian yang

bersuhu rendah, sehingga dapat dikatakan bahwa energi akan berpindah secara

konduksi, laju perpindahan kalornya dinyatakan sebagai [3] :

2.1.2. Konveksi

Konveksi merupakan perpindahan panas antara permukaan solid dan

berdekatan dengan fluida yang bergerak atau mengalir dan itu melibatkan pengaruh

konduksi dan aliran fluida.

Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa kecepatan fluida yang mengalir di permukan

plat panas mempengaruhi temperatur disekitar permukaan plat tersebut. Laju

perpindahan kalor secara konveksi dapat dinyatakan sebagai [6]

2.2. Alat Penukar Kalor Kompak

Secara bebas dapat diartikan, alat penukar kalor kompak merupakan salah satu

yang tergabung dalam alat penukar kalor yang memiliki bidang perpindahan panas

dengan kerapatan tinggi. Kerapatan tinggi yang dimaksud adalah rasio antara luas

permukaan bidang yang mengalami perpindahan panas terhadap volume alat penukar

kalor. Namun hal tersebut bukan berarti alat penukar kalor kompak harus selalu

memiliki dimensi dan massa yang kecil. Dengan pengartian yang sama, juga dapat

ditetapkan kerapatan permukaan alat penukar kalor kompak (β) lebih besar dari 700 m2/m3 [9].

Seperti yang disebutkan sebelumnya, penukar kalor kompak yang

menggunakan udara sebagai fluida kerjanya membutuhkan luas permukaan yang

lebih besar dari pada alat penukar kalor kompak yang menggunakan cairan sebagai

fluida kerjanya. Peningkatan luas permukaan dapat dilakukan dengan menaikkan

kerapatan permukaan perpindahan panasnya (β). Jenis konstruksi dasar yang

digunakan dalam desain sebuah penukar kompak adalah ;

Menambahkan luas permukaan alat penukar dengan menggunakan sirip

pada satu atau lebih sisi-sisinya,

Pembangkit panasnya menggunakan diameter hidrolik permukaan yang

kecil, dan

Pipa pada alat penukar memiliki diameter yang kecil.

Beberapa yang patut dipertimbangkan adalah biaya, tekanan dan temperatur pada

saat pengoperasian, pengotoran, kontaminasi fluida, dan pertimbangan produksi.

Jenis yang umum digunakan pada alat penukar dengan permukaan yang

ditambahkan adalah jenis pelat-sirip dan pipa-sirip. Pada alat penukar kalor jenis

plat-sirip, sirip-sirip ini diapit oleh pelat secara paralel, seperti yang ditampilkan oleh

gambar 2.4, terkadang sirip ini digabungkan dengan pipa yang bentuknya telah

disesuaikan.

Sirip tersebut dilekatkan pada pelat dengan cara mematri, solder, mengelem,

las, dan ekstrusi. Yang tergolong dalam pelat -sirip adalah :

Dengan memvariasikan variabel geometris dasar untuk setiap jenis permukaan

plat-sirip, adalah mungkin untuk memperoleh berbagai permukaan geometris

spesifik. Walaupun pada umumnya kerapatan sirip antara 120-700 sirip/m, namun

aplikasinya memungkinkan hingga 2100 sirip/m. Ketebalan sirip pada umumnya

antara 0,05-0,25 mm. Ketinggian (puncak) sirip antara 2-20 mm. Sebuah alat

penukar kalor pelat sirip dengan luas permukaan perpindahan panas 1300 m2

tiap meter kubiknya mampu ditempati sirip dengan kerapatan 600 sirip/m.

Gambar 2.4. Susunan pelat-sirip [10].

Pada alat penukar kalor jenis pipa-sirip pada umumnya menggunakan pipa

berpenampang lingkaran dan persegi panjang, namun pipa berpenampang elips juga

terkadang digunakan. Penambahan sirip dapat digunakan pada sisi luar, dalam, atau

luar dan dalam pipa, tergantung pada penggunaannya. Sirip -sirip tersebut

digabungkan pada pipa dengan cara pengelasan, pematrian, penekanan (extrusion),

tension winding . Beberapa jenis yang tergolong pipa dengan sirip pada sisi luar yaitu:

1. Sirip kontinyu pada susunan pipa yang terbagi lagi dalam sirip sederhana

dan sirip bergelombang.

2. Sirip normal pada pipa tunggal, disebut juga sebagai pipa tunggal bersirip

3. Sirip longitudinal pada pipa tunggal.

Khusus untuk sirip kontinyu, ciri-ciri untuk jenis ini adalah memeliki kerapatan sirip

antara 300-600 sirip/m, ketebalan sirip antara 0,1-0,25 mm, panjang alir sirip antara

25-250 mm, kerapatan penukar panas pipa-sirip 725 m2/m3pada 400 sirip/m.

2.3 Sirip (fin)

Salah satu cara untuk meningkatkan laju perpindahan panas adalah dengan

cara memperluas bidang yang mengalami konveksi. Ini dapat dilakukan dengan

menggunakan sirip (lih. Gambar 2.5) agar dindingnya lebih luas terhadap fluida

lingkungan. Konduktivitas termal material sirip memiliki dampak besar terhadap

distribusi temperatur di sepanjang sirip dan oleh karena itu laju perpindahan

panasnya juga dapat ditingkatkan.

Gambar 2.9 sirip (fin)

Sirip ini dibuat dengan cara menekan, mengelas ataupun membungkus sehelai ligam tipis pada

permukaan. Sirip –sirip ini akan mempertinggi perpindahan panas dari permukaan dengan permukaan

yang lebih luas untuk konveksi dan radiasi.

Permukaan bersirip biasanya digunakan dalam praktik untuk mempertinggi perpindahan pans,

dan meningkatkan kecepatan perpindahan panas dari sebuah permukaan yang terlipat. Contoh dari hal ini

adalah radiator mobil. Lembaran tipis logam yang dipasang pada tabung air panas akanmeningkatkan luas

permukaan untuk konveksi dan juga kelajuan perpindahan panas konveksi ke udara.terdapat banyak

inovasi sirip yang tersedia di pasaran.

Untuk analisis ada sirip, kita menggunakan operasi keadaan tunak dengan tidak ada generasi

panas pada sirip dan kita juga mengasumsikan bahwa konduktifitas termal dari bahan adalah tetap. Kita

juga mengasumsikan koevisien perpindahan panas konveksi h bernilai tetap dan seragam pada semua

permukaan. Kitamengakui bahwa koevisien perpindahan panas h, pada umumnya berubah sepanjang

sirip, dan nilai tersebut pada sebuah titik adalah fungsi dari  kecepatan fluida pada titik tersebut.nilai h

biasanya jauh lebih rendah pada dasar sirip ketimbang pada puncak sirip karena fluida dikelilingi oleh

permukaan padat yang dekat dengan dasar, yang cukup mengganggu pergerakan fluida pada titik tersebut,

sementara fluida yang dekat dengan puuncak sirip memiliki permukaan kontak yang kecil dengan

permukaan padat sehingga hal ini bukanlah menjadi hambatan yang besar pada fluida untuk bergerak.

Oleh Karena itu  menambahkan banyak sirip pada permukaan yang sama (dengan kata lain

mempersempit jarak antar sirip) sebetulnya akan mengurangi perpindahan panas secara keseluruhan.

2.3.1 Persamaan pada sirip

Anggap ada sebuah elemen volume dari sirip yang berlokasi di x memiliki panjang ∆x,

luas permukaan tegak Ac dan panjang lebar p seperti ditujukan pada gambar di atas. Pada

keadaan tunak, neraca energi pada elemen volume tersebut dinyatakan sebagai berikut:

Atau

Dimana

Masukan k persamaan sebelumnya dan bagi dengan ∆x, maka didapat

Jika kedua ruas kita limitkan ∆x→0 maka

Hokum Fourier untuk perpindahan panas konduksi adalah

Dimana Ac adalah luas tegak lurus dari sirip dapa lokasi x. substitusi persamaan Fourier tadi ke

persamaan 1, maka kita akan mendapat persamaan differensial untuk perpidahan panas pada

sirip,

Pada umumnya, luas daerah tegak lurus Ac dan lebar p pada sirip dengan panjang x inilah yang

membuat persamaan differensial yang kita dapat tadi sulit untuk dipecahkan. Pada keadaan

khusus dimana luas permuakan tegak lurusnya dan konduktifitas termal konstan, persamaan

differensial tadi dapat disederhanakan menjadi

Dimana

Dan θ = T – T∞ adalah temperature excess. Pada dasar sirip kita dapatkan θb = Tb – T∞.

Persamaan 2 adalah persamaan differensial linier dan homogeny ordo dua dengan koefisien

konstan. Sebuah teori mendasar dari persamaan differential ordo dua adalah memiliki dua solusi

bebas, dan solusi umum dari kombinasi linier dari dua solusi tersebut. Dan kita akan

mendapatkan penyelesaian dari persamaan 2 sebagai berikut

Dimana C1 dan C2 adalah koefisien konstan dimana nilainya bias kita tentukan dengan keadaan

syarat batas pada dasar dan puncak sirip. Ingatlah bahwa kita hanya memutuhkan dua syarat

batas untuk menentukan C1 dan C2.

2.3.2 Efektifitas Sirip

Efektifitas sirip didefinisikan sebagai perbandingan antara laju perpindahan panas dengan

sirip terhadap laju perpindahan panas yang ada tanpa penggunaan sirip. Nilai efektifitas

sirip jarang dibenarkan jika kurang dari dua. Efektifitas sirip dapat diketahui melalui

persamaan :

Dengan mengasumsikan bahwa terdapat kesamaan antara perpindahan panas pada sirip dengan

ujung yang dikonveksi dan ujung sirip adiabatic, maka terdapat panjang koreksi sirip (Lc), yang

didefinisikan :

Maka untuk sirip dengan luas permukaan seragam, ujung yang dikonveksi, laju

perpindahan panas pada sirip adalah :

2.3.3 Efisiensi Sirip

Efisiensi sirip merupakan perbandingan laju perpindahan panas sirip (qf) dengan laju

perpindahan panas maksimum dihantarkan melalui seluruh permukaan sirip (qmax). Harga efisiensi

sirip ini dapat dicari menggunakan persamaan :

2.3.4 Efisiensi Total

Efisensi total permukaan adalah efisiensi seluruh permukaan dengan sejumlah sirip pada base

yang didefinisikan sebagai :

Dimana qt adalah panas total yang dipindahkan melalui konveksi dari seluruh luas

permukaan, At

Sehingga :

2.3.5 Heat Sink (Sirip Pendingin)

Komponen elektronika seperti komputer, transportasi, infrastruktur komunikasi, power

supply, kontrol motor, peralatan konversi daya dan lain-lain memerlukan proses pendinginan.

Oleh karena itu, proses pendinginan merupakan bagian yang penting dalam proses desain system

elektronika. Proses pendinginan yang ada pada hampir semua alat termoelektrik menggunakan Heat

Sink (sirip pendingin) untuk mempercepat laju pendinginan. Sebuah plat logam panas akan menjadi

dingin lebih cepat jika dialirkan fluida yang suhunya lebih rendah dari suhu plat logam panas

tersebut. Pendinginan dengan cara ini termasuk dalam proses perpindahan kalor secara konveksi.

Penggunaan sirip juga dapat digunakan untuk mempercepat perpindahan kalor dari sumber kalor menuju

media yang lain . Laju fluida juga dapat mempengaruhi proses perpindahan kalor. Kecepatan yang

tinggi dari fluida akan menyebabkan gradien suhu yang besar pula.

Jenis-jenis heat sink yang ada antara lain :

a. Extruded Heat Sink

Extruded heat sink merupakan contoh yang paling murah dan popular di pasaran. Heat sink ini

terbuat dari alumunium. Heat sink ini mempunyai sifat sifat perpindahan kalor yang baik dikarenakan

memiliki bidang permukaan yang luas.

Gambar Extruded Heat Sink

b. Folded Fin Heat Sink

Lembaran logam yang terlipat dipasang (disolder atau dilem dengan menggunakan minyak

konduksi kalor adhesive khusus) di dasar heat sink.Lipatan-lipatan yang terbentuk akan Nampak

seperti permukaan sirip. Material dasarnya adalah alumunium dan tembaga. Jika dibandingkan dengan

extruded heat sink, maka teknologi ini dapat digunakan untuk alat alat yang lebih kecil dengan

tingkat keefektifan sama atau bahkan lebih tinggi.

Gambar Folded Fin Heat Sink

c. Cold-Forged Heatsink

Teknologi cold pressing memungkinkan tidak hanya pembuatan sirip bentuk rectangular tetapi juga

pin. Heat sink seperti ini sebagian besar terbuat dari material alumunium. Tetapi sering digunakan

tembaga sebagai alasnya untuk mempertinggi sifat -sifat perpindahan kalornya. Heat sink ini lebih

mahal dibandingkan dengan jenis extruded atau folded, tetapi efisiensi termal mereka tidak selalu lebih

baik.

Gambar Cold-Forged Heatsink

d. Bonded/Fabricated Fin Heatsink

Heat sink ini sangat mirip dengan folded fin heat sink, tetapi ada beberapa perbedaan, yaitu :

permukaan sirip tidak terbuat dari satu lembar logam melainkan plat-plat tipis terpisah yang

disolder atau dilas terhadap alas heat sink. Material utamanya adalah tembaga. Heat sink ini mempunyai

keefektifan termal yang lebih tinggi daripada jenis extruded atau folded. Akan tetapi hal ini hanya

akan terwujud bila kualitas proses produksi diawasi dengan ketat.

Gambar Bonded/Fabricated Fin Heatsink

e. Skived Fin Heatsink

Saat ini, heat sink jenis ini merupakan heat sink yang paling banyak berkembang dan mahal. Hal ini

disebabkan karena produksinya melibatkan proses permesinan presisi tinggi dari solid blanks

(mereka diproses pada mesin presisi tinggi dengan berbasis CPU khusus). Keefektifan termal heat

sink ini adalah yang paling baik. Alumunium dan tembaga adalah material utama. Heat sink ini

dapat menggantikan heat sink jenis lainnya jika biaya pembuatannya dapat dikurangi sampai ke

tingkat yang dapat diterima.

Gambar Skived Fin Heatsink