PENGARUH KOEFISIEN PERPINDAHANKALOR KONVEKSI … · DAFTAR GAMBAR .....xiii DAFTAR TABEL ... Sirip yang diteliti adalah sirip dua dimensi b. Penelitian dilakukan dengan asumsi: Kondisi

i

PENGARUH KOEFISIEN PERPINDAHANKALOR

KONVEKSI DAN BAHAN TERHADAP LAJU ALIRAN

KALOR, EFEKTIVITAS DAN EFISIENSI SIRIP DUA

DIMENSI KEADAAN TAK TUNAK

TUGAS AKHIR

Untuk memenuhi sebagian persyaratan

Memperoleh gelar Sarjana Teknik

Diajukan oleh :

ANTONIUS MONTANUS DEE

NIM : 095214042

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2016

i

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

ii

THE EFFECT OF CONVECTION HEAT TRANSFER

COEFFICIENT AND MATERIAL TO THE HEAT TRANSFER,

EFFECTIVENESS AND EFFICIENCY ON TWO

DIMENTIONAL FIN ON UNSTEADY STATE CASE

FINAL ASSIGNMENT

Presented as partial fulfillment of the requirement

as to obtain the SarjanaTeknik Degree

in Mechanical Engineering

by

ANTONIUS MONTANUS DEE

Student Number : 095214042

MECHANICAL ENGINEERING PROGRAM

MECHANICAL ENGINERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2016

ii


iii


iv


v


vi

INTISARI

Sirip banyak digunakan di motor bakar, peralatan elektronik, alat penukar

kalor dll. Penggunaan sirip sangat luas dan penting. Penelitian ini bertujuan untuk

mengetahui pengaruh bahan sirip dan pengaruh nilai koefisien perpindahan kalor

konduksi terhadap waktu yang diperlukan sirip untuk mencapai keadaan tunak,

laju aliran kalor, efisiensi dan efektivitas sirip.

Benda uji berupa sirip utuh dengan ukuran 20 cm x 20 cm x 0,1 cm

dengan ukuran dasar sirip 10 cm x 10 cm yang berada di tengah sirip. Variasi

bahan yang digunakan berupa tembaga, alumunium, besi dan nikel. Sirip

dikondisikan pada lingkungan dengan suhu awal sirip (To) 30 o

C, suhu dasar sirip

(Tdasar) 100 oC dan suhu fluida disekitar sirip (Tf) 30

oC dengan variasi nilai

koefisien perpindahan kalor konveksi yaitu 25 W/m2 o

C, 50 W/m2 o

C, 100 W/m2

oC dan 200 W/m

2 oC. Asumsi yang digunakan adalah perpindahan kalor konduksi

terjadi pada dua arah yaitu arah X dan arah Y, suhu disekitar sirip tetap dan

merata dari waktu ke waktu dan selama proses sirip tidak berubah bentuk.

Perhitungan penelitian dilakukan secara komputasi dengan metode beda hingga

cara eksplisit.

Dari hasil perhitungan dan analisa pembahasan yang telah dilakukan dapat

disimpulkan bahwa untuk nilai koefisien perpindahan panas konveksi 50 W/m2 o

C

(a) waktu yang diperlukan sirip berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel

untuk mencapai keadaan tunak berturut turut adalah 45 detik, 47 detik, 83 detik

dan 87 detik, (b) laju aliran kalor yang dilepas sirip berbahan berbahan tembaga,

alumunium, besi dan nikel berturut turut adalah 160 W, 133 W, 86 W dan 97 W,

(c) efisiensi sirip berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel berturut turut

adalah 75%, 62%, 41% dan 46 %, (d) efektivitas sirip berbahan berbahan

tembaga, alumunium, besi dan nikel berturut turut adalah 115, 95, 62 dan 69.

Untuk sirip tembaga (e) waktu yang diperlukan untuk mencapai keadaan tunak

dengan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 W/m2 o

C, 50 W/m2 o

C, 100

W/m2 o

C dan 200 W/m2 o

C berturut-turut adalah 52 detik, 45 detik, 37 detik dan

27 detik, (f) laju aliran kalor yang dilepas sirip dengan nilai koefisien perpindahan

kalor konveksi 25 W/m2 o

C, 50 W/m2 o

C, 100 W/m2 o

C dan 200 W/m2 o

C berturut-

turut adalah 91 W, 160 W, 263 W dan 401 W, (g) efisiensi sirip dengan nilai

koefisien perpindahan kalor konveksi 25 W/m2 o

C, 50 W/m2 o

C, 100 W/m2 o

C dan

200 W/m2 o

C berturut-turut adalah 86%, 76%, 62% dan 47%, (h) efektivitas sirip

dengan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 W/m2 o

C, 50 W/m2 o

C, 100

W/m2 o

C dan 200 W/m2 o

C berturut-turut adalah 130, 115, 94 dan 72.

Kata kunci: sirip, laju aliran kalor, efisiensi, efektivitas

vi


vii


viii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur senantiasa kepada Tuhan Yang Maha Esa karena rahmat yang

diberikan dalam penyusunan Tugas Akhir ini sehingga penulis dapat

menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik.

Tugas Akhir ini merupakan sebagai salah satu syarat yang wajib untuk setiap

mahasiswa Jurusan Teknik Mesin. Tugas Akhir ini dilaksanakan dalam rangka

memenuhi syarat untuk mendapatkan gelar sarjana S-1 pada Jurusan Teknik

Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Berkat bimbingan, dukungan dan nasihat dari berbagai pihak, akhirnya Tugas

Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. Pada kesempatan ini dengan segenap

kerendahan hati penulis menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya

kepada :

1. Sudi Mungkasi, Ph. D., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta dan Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

3. Wibowo Kusbandono, S.T., M.T., selaku Dosen pembimbing akademik.

4. Michael Dee dan Roberta Mai selaku orang tua penulis, karena kebaikan dan

kerendahan hati memberikan semangat pada penulis. Keluarga penulis yang

tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah mendukung penulis dalam

menyelesaikan Tugas Akhir.

viii


ix

5. Yulius Martinus Dee yang telah membantu dalam pengetikan tulisan ini.

6. Teman-teman Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma dan teman-teman

lainnya yang tidak dapat disebutkan satu per satu, terima kasih atas segala

bantuanya.

Penulis menyadari dalam penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari

sempurna. Segala kritik dan saran yang membangun akan sangat penulis

harapkan demi penyempurnaan dikemudian hari. Akhir kata seperti yang

penulis harapkan semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita

semua.

Yogyakarta, 12 Februari 2016

Penulis

ix


x

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL...............................................................................................i

TITLE PAGE.........................................................................................................ii

HALAMAN PENGESAHAN...............................................................................iii

DAFTAR DEWAN PENGUJI ............................................................................iv

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ..................................................v

INTISARI .............................................................................................................vi

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA

ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ..........................................vii

KATA PENGANTAR ........................................................................................viii

DAFTAR ISI ..........................................................................................................x

DAFTAR GAMBAR ..........................................................................................xiii

DAFTAR TABEL ..............................................................................................xiv

BAB I PENDAHULUAN ......................................................................................1

1.1 Latar Belakang...........................................................................................1

1.2 Rumusan Masalah......................................................................................2

1.3 Tujuan........................................................................................................2

1.4 Batasan Masalah........................................................................................3

1.5 Manfaat Penelitian.....................................................................................4

BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA ....................................5

2.1 Perpindahan Kalor.....................................................................................5

x


xi

2.1.1 Kalor..........................................................................................................5

2.1.2 Perpindahan Kalor Konduksi.....................................................................5

2.1.3 Perpindahan Kalor Konveksi.....................................................................6

2.2 Sirip..........................................................................................................11

2.2.1 Efisiensi Sirip...........................................................................................11

2.2.2 Efektivitas Sirip.......................................................................................12

2.3 Tinjauan Pustaka......................................................................................13

BAB III METEDOLOGI PENELITIAN ..........................................................15

3.1 Diagram Alur Penelitian..........................................................................15

3.2 Alat Penelitian..........................................................................................16

3.3 Objek Penelitan........................................................................................16

3.4 Variabel Penelitian...................................................................................17

3.5 Penurunan Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol...........................17

3.5.1 Penurunan Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol Di Tengah

Sirip..........................................................................................................18

3.5.2 Penurunan Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol Di Rusuk

Sirip........................... ..............................................................................21

3.5.3 Penurunan Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol Di Sudut

Sirip..........................................................................................................24

3.6 Metode Penelitian....................................................................................27

3.7 Cara Pengambilan Data, Pengolahan dan Pembahasan...........................28

3.8 Pengambilan Kesimpulan dan Saran........................................................28

xi


xii

BAB IV DATA DAN PEMBAHASAN ..............................................................29

4.1 Data Pengamatan......................................................................................29

4.1.1 Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Laju Aliran Kalor, Efisiensi dan

Efektivitas Sirip.......................................................................................29

4.1.2 Pengaruh Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap

Laju Aliran Kalor, Efisiensi dan Efektivitas Sirip..................................32

4.2 Pembahasan..............................................................................................34

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ..............................................................43

5.1 Kesimpulan..............................................................................................43

5.2 Saran........................................................................................................44

DAFTAR PUSTAKA ..........................................................................................46

LAMPIRAN .........................................................................................................47

xii


xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Ukuran Sirip ................................................................................ .......4

Gambar 2.1 Perpindajhan Kalor Secara Konduksi .................................................6

Gambar 3.1 Diagram Alur Penelitian .................................................................. 14

Gambar 3.2 Sirip yang Akan Diteliti ................................................................... 16

Gambar 3.3 Node-node Pada Seperempat Bagian Sirip ...................................... 18

Gambar 3.4 Volume Kontrol dan Perpindahan Kalor Di Node Posisi Tengah ... 19

Gambar 3.5 Volume Kontrol dan Perpindahan Kalor Di Node Posisi Rusuk ..... 22

Gambar 3.6 Volume Kontrol dan Perpindahan Kalor Di Node Posisi Sudut ...... 25

Gambar 4.1 Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Kalor Yang Dilepas Sirip ............ 36

Gambar 4.2 Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Efisiensi Sirip .............................. 37

Gambar 4.3 Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Efektivitas Sirip ........................... 38

Gambar 4.4 Pengaruh Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap

Kalor Yang Dilepas Sirip ................................................................. 39


Efisiensi Sirip ................................................................................... 40


Efektivitas Sirip...................... ......................................................... 41

xiii


xiv

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Bilangan Nusselt Untuk Dinding Vertikal ............................................ 10

Tabel 4.2 Sifat Bahan Sirip yang Diuji Dalam Penelitian .................................... 29

Tabel 4.2 Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Laju Aliran Kalor Sirip Dari

Waktu ke Waktu ................................................................................... 30

Tabel 4.3 Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Efisiensi Sirip Dari Waktu ke

Waktu............. ....................................................................................... 31

Tabel 4.4 Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Efektivitas Sirip Dari Waktu ke

Waktu..................... ............................................................................... 31

Tabel 4.5 Pengaruh Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap

Laju Aliran Kalor Sirip Berbahan Tembaga Dari Waktu Ke

Waktu.......... .......................................................................................... 33


Efisiensi Sirip Berbahan Tembaga Dari Waktu Ke Waktu .................. 33


Efektivitas Sirip Berbahan Tembaga Dari Waktu Ke Waktu ............... 34

xiv


1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sirip adalah suatu instrumen penting yang sering dijumpai sehari-hari.

Fungsi sirip sendiri adalah untuk memperluas permukaan agar laju perpindahan

kalor secara konveksi semakin besar. Contoh penggunaan sirip dapat dilihat pada

motor bakar, alat-alat elektronik, alat-alat penukar kalor seperti kondensor,

evaporator, dan radiator.

Pada motor bakar dengan adanya sirip laju perpindahan konveksi semakin

besar sehingga suhu dari piston bisa terjaga. Bila suhu dari piston terlalu tinggi

maka akan terjadi pemuaian piston yang dapat membuat piston tidak dapat

bergerak bila tanpa adanya oli. Pada alat-alat elektronik dengan adanya sirip

membuat suhu dari komponen-komponennya dapat terjaga sehingga tidak terjadi

kendala saat beroperasi. Pada alat penukar kalor semakin besar laju perpindahan

konveksi semakin meningkat performanya dan hal ini bisa diperoleh dengan

bantuan sirip.

Melihat dari pentingnya penggunaan sirip yang sudah dipaparkan di atas,

penulis merasa tertarik untuk melakukan penelitian tentang sirip. Penelitian yang

penulis lakukan adalah penelitian secara komputasi. Dibandingkan dengan

penelitian yang dilakukan secara eksperimen di laboratorium, penelitian

1


2

komputasi lebih memberikan keuntungan seperti: lebih murah, lebih cepat dan

bisa dilakukan dimana saja. Selain itu belum banyak refrensi tentang perhitungan

efisiensi dan efektivitas sirip dengan menggunakan metode komputasi

1.2 Rumusan Masalah

Kesulitan utama dalam proses perpindahan kalor pada sirip adalah

penyelesaian perhitungan besarnya laju aliran kalor, efisiensi, dan efektivitas sirip.

Penelitian ini ditujukan untuk mengetahui besarnya perpindahan kalor, efektivitas

sirip dan efisiensi sirip dengan metode komputasi beda-hingga secara eksplisit.

1.3 Tujuan

Tujuan dari penelitian ini adalah:

a. Membuat program untuk dipergunakan dalam perhitungan distribusi suhu,

perpindahan kalor, efektivitas dan efisiensi sirip.

b. Mengetahui pengaruh bahan sirip terhadap waktu yang diperlukan sirip untuk

mencapai keadaan tunak.

c. Mengetahui pengaruh bahan sirip terhadap besar laju aliran kalor yang

dilepas sirip.

d. Mengetahui pengaruh bahan sirip terhadap besar efisiensi sirip.

e. Mengetahui pengaruh bahan sirip terhadap besar efektivitas sirip.

f. Mengetahui pengaruh nilai koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap

waktu yang diperlukan sirip untuk mencapai keadaan tunak.

g. Mengetahui pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap besar

laju aliran kalor yang dilepas sirip.


3

h. Mengetahui pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap besar

efisiensi sirip.

i. Mengetahui pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap besar

efektivitas sirip.

1.4 Batasan Masalah

Batasan masalah dari penelitian ini adalah:

a. Sirip yang diteliti adalah sirip dua dimensi

b. Penelitian dilakukan dengan asumsi:

Kondisi tak tunak atau suhu sirip berubah dari waktu ke waktu

Sifat-sifat bahan sirip di setiap posisi tetap, tidak berubah terhadap

suhu.

Selama proses, sirip tidak berubah-ubah bentuk.

Suhu lingkungan sirip tidak berubah-ubah

Perpindahan kalor secara radiasi diabaikan

c. Sirip yang diteliti memiliki panjang 20 cm, lebar 20 cm dan tebal 0,1 cm

sesuai dengan Gambar 1.1

Gambar 1.1 Ukuran sirip


4

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah:

a. Hasil penelitian dapat dipergunakan untuk menambah kasanah ilmu

pengetahuan dan sebagai refrensi yang ditempatkan di perpustakaan

Perguruan Tinggi

b. Menjadi acuan pemilihan sirip berdasarkan efektivitas dan efisiensi yang

dihasilkan.


5

BAB II

DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Perpindahan Kalor

2.1.1. Kalor

Kalor adalah energi yang dipindahkan di antara sistem fisika dengan

lingkungannya akibat perbedaan temperatur. Ada tiga cara proses perpindahan

kalor, secara konduksi, secara konveksi dan secara radiasi.

2.1.2. Perpindahan Kalor Konduksi

Perpindahan kalor konduksi yaitu perpindahan kalor melalui suatu zat

tanpa disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut, yang dapat dirumuskan

dengan persamaan (2.1)

q = k.A. ....................................................................................................... (2.1)

Pada persamaan (2.1)

k = konduktivitas thermal ( )

A = luas penampang ( )

ΔT = beda suhu permukaan 1 dan permukaan 2 dari benda (

= T1 – T2

Δx = tebal benda (m)

5


6

Gambar 2.1 Perpindahan kalor secara konduksi

Perpindahan kalor konduksi dapat berlangsung pada benda padat, cair, dan

gas. Untuk perpindahan pada zat cair dan gas, syaratnya adalah dalam keadaan

diam.

2.1.3. Perpindahan Kalor Konveksi

Perpindahan kalor konveksi yaitu perpindahan kalor pada suatu zat yang

disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut. Perpindahan kalor konveksi

dapat terjadi pada fluida mengalir (zat cair dan gas). Perpindahan kalor konveksi

terdiri dari dua macam yaitu perpindahan kalor konveksi paksa dan perpindahan

kalor konveksi bebas.

a. Perpindahan Kalor Konveksi Paksa

Perpindahan kalor konveksi paksa ditandai dengan adanya fluida yang

bergerak disebabkan oleh peralatan bantu. Alat bantu untuk menggerakan fluida

dapat berupa kipas angin, blower, pompa dll. Prosedur untuk menghitung laju

perpindahan panas konveksi paksa adalah:

A

T1

k

T2

q

∆x


7

Menentukan jenis aliran laminar atau turbulen dengan menghitung bilangan

Reynold yang dirumuskan dengan persamaan (2.2)

Re = ......................................................................... (2.2)

syarat aliran laminar Re< 100.000

syarat aliran turbulen 500.000<Re< 10.000.000

pada persamaan (2.2)

Re = bilangan reynold

ρ = massa jenis fluida (kg/m3)

U∞ = kecepatan fluida (m/det)

L = panjang (m)

μ = viskositas (kg/m.s)

Menghitung nilai bilangan Nusselt

Untuk aliran laminar perhitungan bilangan Nusselt mempergunakan persamaan

(2.3)

Nu= 0,664 Re1/2

Pr1/3

.................................................................................. (2.3)

Untuk aliran turbulen perhitungan bilangan Nusselt mempergunakan

persamaan (2.4)

Nu =( 0,037 Re4/5

– 871)Pr1/3

..................................................................... (2.4)


8

Pada persamaan( 2.3) dan (2.4):

Nu = bilangan Nusselt

Re = bilangan Reynold

Pr = bilangan Prandtl

Menghitung nilai koefisien perpindahan panas konveksi menggunakan

persamaan (2.5)

h = ...................................................................................... (2.5)

Pada persamaan (2.5)

h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 o

C)

Nu = bilangan Nusselt

L = panjang dinding (m)

kf = Koefisien perpindahan panas konduksi fluida (W/oC)

Menghitung laju perpindahan kalor konveksi paksa menggunakan persamaan

(2.6)

q = h A (Ts - T∞) .......................................................................................... (2.6)

Pada persamaan (2.6):

q = laju perpindahan kalor konveksi paksa (Watt)

h = koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m2o

C)

A = luas permukaan yang bersentuhan dengan fluida (m2)


9

Ts = suhu benda (oC)

T∞ = suhu fluida (oC)

b. Perpindahan Kalor Konveksi Bebas

Perpindahan kalor konveksi bebas ditandai dengan adanya fluida bergerak

yang disebabkan karena perbedaan massa jenisnya. Jadi pergerakan aliran fluida

tidak disebabkan karena adanya alat bantu pergerakan. Prosedur untuk

menghitung laju pepindahan kalor konveksi bebas adalah:

Menghitung Rayleigh number yang dinyatakan dengan persamaan (2.7)

Ra =Gr Pr = ........................................................... (2.7a)

β = , dengan Tf = ......................................................(2.7b)


g = percepatan grafitasi (9,81 m/s2)

δ = panjang karakteristik (m)

Ts = suhu dinding (oC)


v = viskositas kinematik (m2/detik)

Pr = bilangan prandtl


10

Menghitung bilangan Nusselt

Tabel 2.1 Bilangan Nusselt untuk dinding vertikal

Geometri Panjang

Karekteristik Ra Nusselt (Nu)

δ = L

104 s.d

109 Nu = 0,59

109 sd

1013

Nu = 0,1

Untuk

semua Ra

Nu =

*koompleks tetapi lebih akurat

Menghitung koefisien perpindahan kalor sesuai dengan persamaan (2.8)

h = .......................................................................................................... (2.8)


h = koefisien perpidahan kalor konveksi (W/m2 o

C)

k = koefisien perpindahan kalor konduksi fluida (W/ m oC)

Menghitung laju perpindahan kalor konveksi bebas sesuai persamaan (2.9)

q = h A (Ts - T∞)........................................................................................... (2.9)

Ts

L


11


q = laju peprpindahan kalor konveksi bebas (q)

h = koefisien perpidahan kalor konveksi (W/m2 o

C)

A = luas permukaan yang besentuhan dengan fluida (m2)



2.2. Sirip

Fungsi sirip (fin) secara umum adalah untuk memperluas permukaan

benda, agar laju perpindahan kalor konveksi dapat diperbesar, sehingga dapat

mempercepat proses pelepasan panas.

2.2.1. Efisiensi Sirip

Efisiensi sirip merupakan perbandingan antara panas sesungguhnya yang

dilepas sirip dengan kalor maksimum yang dapat dilepas sirip atau dapat

dinyatakan dengan persamaan (2.10)

η = = .............................................................................. (2.10)


η = Efisiensi sirip

qactual = panas sesungguhnya yang dilepas sirip (Watt)

qmax = panas maksimal yang dilepas sirip (Watt)


12

h = koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m2 o

C)

A = luas permukaan yang bersentuhan dengan fluida (m2)



2.2.2. Efektivitas Sirip

Efektivitas sirip merupakan perbandingan panas yang dilepas seluruh

permukaan benda bersirip dengan permukaan benda jika tanpa sirip. Efektivitas

sirip dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.11)

ε = = ............................................................ (2.11)

Pada Persamaan (2.11):

ε = efektivitas sirip

qactual = panas sesungguhnya yang dilepas sirip (Watt)

qnofin = panas yang dilepaskan tanpa sirip (Watt)

h = koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m2 o

C)

Anofin = luas benda jika tanpa sirip (m2)




13

2.3. Tinjauan Pustaka

Nuryanto (2002) meneliti tentang laju perpindahan kalor dan efektivitas

pada sirip tiga dimensi keadaan tak tunak. Tujuan penelitian untuk menentukan

besarnya laju perpindahan kalor yang dilepas sirip dan efektivitas sirip pada

keadaan tak tunak dengan berbagai nilai koefisien perpindahan kalor konveksi dan

berbagai bahan sirip. Perpindahan konduksi pada sirip ditinjau dalam tiga dimensi

(arah x, arah y dan arah z). Penelitian dilakukan secara komputasi. Hasil

penelitian menujukkan semakin besar nilai perpindahan kalor konveksi semakin

besar laju aliran kalor yang dilepas sirip dan semakin kecil nilai efektivitas sirip.

Yohana (2004) meneliti tentang laju perpindahan kalor dan efektivitas

pada sirip tiga dimensi keadaan tak tunak. Tujuan penelitian untuk mengetahui

laju aliran kalor dan efektivitas sirip tiga dimensi pada keadaan tak tunak pada

sirip berongga. Perpindahan konduksi pada sirip ditinjau dalam tiga dimensi (arah

x, arah y dan arah z). Penelitian dilakukan secara komputasi. Hasil penelitian: (a)

Semakin besar nilai koefisien konveksi di luar sirip (h1) maka semakin besar laju

perpindan kalor dan efektivitas menurun. (b) semakin besar nilai koefisien

konveksi di dalam sirip (h2) maka laju perpindahan dan efektivitas sirip semakin

besar. (c) semakin besar nilai h1 =h2 maka laju perpindahan kalor dan efektivitas

sirip semakin kecil. (d) Sifat bahan sirip mempengaruhi laju aliran kalor dan

efektivitas sirip.

Andi (2012) meneliti tentang Perbandingan laju perpindahan kalor,

efisiensi dan efektivitas sirip dua dimensi utuh dan berlubang pada keadaan tak


14

tunak. Tujuan penelitian untuk mengetahui perbandingan laju aliran kalor,

efisiensi dan efektivitas sirip antara sirip berlubang dan sirip utuh. Perpindahan

konduksi pada sirip ditinjau dalam dua dimensi (arah x dan arah y). Hasil

penelitian (a) Besar laju perpindahan kalor pada sirip utuh lebih tinggi

dibandingkan dengan laju perpindahan kalor sirip berlubang. (b) Efisiensi sirip

utuh lebih besar dari efisiensi sirip berlubang. (c) Efektivitas sirip utuh lebih besar

dibanding dengan efektivitas sirip berlubang.


15

BAB III

METEDOLOGI PENELITIAN

3.1. Diagram Alur Penelitian

Diagram alur penelitian disajikan pada Gambar 3.1 di bawah ini

Gambar 3.1 Diagram Alur Penelitian

menentukan bentuk sirip yang akan

diteliti

Mulai

Diskritisasi pada sirip

Pernurunan persamaan numerik pada

setiap node untuk kasus dua dimensi

Membuat program untuk menghitung distribusi

suhu pada sirip sesuai dengan persamaan

Membuat program untuk menghitung

kalor yang dilepas sirip

Menghitung efisiensi dan efektivitas sirip dengan

mengubah nilai h dan variasi bahan agar mendapat

efektivitas dan efisiensi yang berbeda sesuai nilai h

dan

Menganalisis, menarik kesimpulan dan membuat saran

Selesai

15


16

3.2. Alat Penelitian

Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini :

a. Komputer portable dengan spesifikasi

Merk : Compaq

Tipe : 510

Prosesor : Intel core duo

b. Software Microssoft Office Excel 2007

3.3. Objek Penelitian

Objek penelitian ini adalah sebuah sirip yang memiliki ukuran panjang 20

cm, lebar 20 cm dan tebal 0,1 cm sesuai Gambar 3.2 .

Gambar 3.2 Sirip yng akan diteliti (a) tampak atas, (b) tampak samping

(a)

(b)


17

3.4. Variabel Penelitian

Variabel pada penelitian ini dibagi menjadi tiga yaitu :

a. Variabel tetap yaitu variabel yang dipertahankan tetap ;

Suhu pipa kalor/suhu dasar (Tb)

Suhu udara sekitar (Tf)

Suhu awal sirip (To)

b. Variabel tak tetap yaitu variabel yang sengaja diubah-ubah

Nilai h

Nilai k

c. Variabel yang diamati yaitu variabel yang dibandingkan dan diamati sesuai

perubahan variabel tak tetap

Distribusi suhu pada setiap node pada setiap perubahan waktu

Laju perpindahan kalor pada setiap node

Efisiensi

Efektivitas

3.5. Penurunan Persamaan Numerik Pada Volume Kontrol

Penyelesaian metode komputasi diselesaikan dengan membagi sirip menjadi

elemen-elemen kecil. Pada pengujian ini dinyatakan bahwa dx = dy = 1cm. Untuk

mempermudah penelitian, sirip yang diamati hanya seperempat bagianya saja,

sehingga sirip dapat dibagi menjadi 96 volume kontrol seperti yang tersaji pada

Gambar 3.3


18

Gambar 3.3 Node-node pada seperempat bagian sirip

Penurunan persamaan numerik berdasarkan pada prinsip kesetimbangan

energi pada setiap volume kontrol. Pada pengujian ini volume kontrol dengan

nomor 61, 62, 63, 64, 65, 66, 72, 78, 84, 90 dan 96 berada pada dasar sirip.

Sehingga volume kontrol pada dasar sirip tidak dilakukan penurunan persamaan

numerik karena suhu pada volume kontrol tersebut sama dengan suhu pada dasar

sirip. Maka penurunan persamaan numerik dilakukan pada volume kontrol yang

berada di tengah sirip, rusuk sirip dan sudut sirip

3.5.1 Persamaan numerik pada volume kontrol di tengah sirip

Volume kontrol di tengah sirip adalah volume kontrol yang tidak

bersinggungan dengan udara sekitar pada arah x dan y seperti yang tersaji pada

gambar 3.3 di atas. Volume kontrol yang berada ditengah sirip antara lain volume

kontrol dengan nomor 13 s/d 22, 24 s/d 33, 35 s/d 44, 46 s/d 55, 57 s/d 60 68 s/d

71, 74 s/d 77, 80 s/d 83, 86 s/d 89, 92 s/d 95. Pada volume kontrol posisi tengah

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44

45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55

56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66

67 68 69 70 71 72

73 74 75 76 77 78

79 80 81 82 83 84

85 86 87 88 89 90

91 92 93 94 95 96

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11


19

perpindahan kalor konduksi terjadi pada arah sumbu x dan sumbu y yaitu q1 s/d q4

sedangkan perpindahan kalor konveksi terjadi pada arah sumbu z (dari arah atas

dan bawah) yaitu q5 dan q6, seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.4

Gambar 3.4 Volume kontrol dan perpindahan kalor di node posisi tengah

(a) Tampak atas (b) tampak samping

(b)

(a)


20

Sehingga dapat diketahui nilai

q1 = k A1 ( ) = k (dy t) ( ) = k (dx t) ( ) .............. (3.1)

q2 = k A2 ( ) = k (dy t) ( ) = k (dx t) ( ) ............................. (3.2)

q3 = k A3 ( ) = k (dx t) ( ) =k (dx t) ( ) ............ (3.3)

q4 = k A4 ( ) = k (dx t) ( ) = k (dx t) ( ) ............ (3.4)

q5 = q6 = h A5 (Tf – Ti,j ) =h (dx dy) (Tf – Ti,jn ) = h (dx dx) (Tf – Ti,j

n ) ........ (3.5)

dengan menggunakan prinsip kesetimbangan energi

= m c ............................................................................................ (3.6)

q1 + q2 + q3 + q3 + q4 + q5 + q6 = (ρV) c ................................................ (3.7)

k (dx t) ( ) += k (dx t) ( ) + k (dx t) ( ) + k (dx t) ( )

+ 2h(dx dx)(Tf-Ti,jn) = ρc(dx dy t) .............................................. (3.8)

dari persamaan (3.8) dikalikan maka menjadi :

(dx t) ( – ) + (dx t) ( – ) + (dx t) ( – ) +(dx t) ( – )

+ 2 (dx dx) (Tf – ) = (dx dx t) dx ............................. (3.9)

dari persamaan (3.9) dikalikan maka menjadi:

+ + + + 2Bi Tf - ( 4 + 2Bi ) = ( - )

........................................................................................................................ (3.10)

Dengan nilai B1 = , α = dan =


21

Dari persamaan (3.10) dikalikan Fo maka menjadi

= Fo( + + + + 2Bi Tf ) - ( 4Fo + 2Bi Fo-1)

........................................................................................................................ (3.11)

dengan syarat stabilitas :

(4Fo + 2Bi Fo-1) ≥ 0

- Fo (4+2Bi ) ≥ -1

Fo (4+2Bi ) ≤ 1

maka Fo ≤ ......................................................................................... (3.12)

3.5.2 Persamaan numerik pada volume kontrol di rusuk sirip

Volume kontrol di rusuk sirip adalah volume kontrol yang berada pada

tepi sirip yang besinggungan dengan udara dari arah luar ke dalam sirip pada

sumbu y dan dari arah sumbu z (dari arah atas dan arah bawah) seperti yang tersaji

pada Gambar 3.3 Volume kontrol yang berada di rusuk sirip antara lain volume

kontrol dengan nomor 2 s/d 11, 12, 23, 34, 45, 56, 67, 73, 79, 85 dan 91. Pada

volume kontrol di rusuk sirip perpindahan kalor konduksi terjadi pada arah sumbu

x yaitu q1 dan q2 serta dari arah sirip ke luar (lingkungan sekitar) pada sumbu y

yaitu q3. Sedangkan perpindahan kalor konveksi terjadi dari luar (lingkungan

sekitar) ke sirip pada arah sumbu y yaitu q4 dan pada sumbu z (dari arah atas dan

bawah) yaitu q5 dan q6, seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.5


22

Gambar 3.5 Volume kontrol dan perpindahan kalor di node posisi rusuk.

tampak atas, (b) tampak samping


q1 = k A1 ( ) = k (0,5dy t) ( ) = k (0,5dx t) ( ) .......... (3.13)

q2 = k A2 ( ) = k (0,5dy t) ( ) = k (0,5dx t) ( ) .......... (3.14)

(b)

(a)


23

q3 = k A3 ( ) = k (dx t) ( ) = k (dx t) ( ) .................. (3.15)

q4 = h A4 (Tf – ) =h (dx t) (Tf – ) = h (dx t) (Tf – ) ...................... (3.16)

q5 = q6 = h A5 (Tf – ) =h (dx 0,5dy) (Tf – ) = h (0,5dx dx) (Tf – )

........................................................................................................................ (3.17)


= m c ............................................................................................. (3.18)

q1 + q2 + q3 + q3 + q4 + q5 + q6 = (ρV) c ................................................ (3.19)

k (0,5dx t) ( ) + k (0,5dx t) ( ) + k (dx t) ( ) +

h (dx t) (Tf – ) + 2h(0,5dx dx) (Tf – )= ρ c (dx 0,5dy t)

........................................................................................................................ (3.20)


(0,5dx t) ( – ) + (0,5dx t) ( – ) + (dx t) ( – ) + (dx t)

(Tf – ) + 2 (0,5 dx dx) (Tf – ) = (0,5dx dx t) dx

........................................................................................................................ (3.21)

dari persamaan (3.20) dikalikan maka menjadi

+ +2 + 2Bi Tf + 2B1 Tf - Ti,jn (4 +2Bi + 2B1 ) =

( - ) ................................................................................................. (3.22)

dengan nilai B1 = , α = dan =

dari persamaan (3.22) dikalikan Fo maka menjadi:


24

= ( + +2 + 2Bi Tf + 2B1 Tf) -Ti,jn(4Fo+2Bi Fo+ 2B1 Fo-1)

........................................................................................................................ (3.23)

syarat stabilitas :

-(4Fo+2Bi Fo+ 2B1 Fo-1) ≥ 0

1-4Fo - 2Bi Fo -2B1 Fo ≥ 0

- (4 +2Bi +2B1 ) ≥ -1

(4 +2Bi +2B1 ) ≤ 1

maka Fo ≤ ................................................................................ (3.24)

3.5.3 Persamaan numerik pada volume kontrol di sudut sirip

Volume kontrol di sudut sirip adalah volume kontrol yang berada pada tepi

sirip yang besinggungan dengan udara dari arah luar ke dalam sirip pada sumbu y

dan sumbu x dari arah sumbu z (dari arah atas dan arah bawah) seperti yang tersaji

pada gambar 3.3. Volume kontrol yang berada di sudut sirip adalah volume

kontrol dengan nomor 1. Pada volume kontrol di sudut sirip, perpindahan kalor

konduksi terjadi pada sumbu x dan sumbu y dari arah dalam sirip menuju ke luar

(lingkungan sekitar) yaitu q1 dan q2. Sedangkan perpindahan kalor konveksi

terjadi pada sumbu x dan sumbu y dari arah luar (lingkungan sekitar) menuju sirip

serta dari arah sumbu z (arah atas dan arah bawah) sesuai dengan Gambar 3.6 .


25

Gambar 3.6 Volume kontrol dan perpindahan kalor di node posisi sudut

(a) Tampak atas, (b) tampak samping


q1 = k A1 ( ) = k (0,5dy t) ( )= k (0,5dx t) ( ) ....... (3.25)

q2 = k A2 ( ) = k (0,5dx t) ( ) = k (0,5dx t) ( ) .......... (3.26)

q3 = h A3 (Tf – Ti,j) = h (0,5 dx t) (Tf – Ti,j) = h (0,5 dx t) (Tf – Ti,j) ........... (3.27)

(b)

(a)


26

q4 = h A4 (Tf – ) = h (0,5 dy t) (Tf – ) = h (0,5 dx t) (Tf – ) .......... (3.28)

q5 =q6 = h A5 (Tf – ) = h (0,5 dx 0,5dy) (Tf – ) = h (0,25 dx dx) (Tf – )

........................................................................................................................ (3.29)


= m c ............................................................................................. (3.30)

q1 + q2 + q3 + q3 + q4 + q5 + q6 = (ρV) c ................................................. (3.31)

k (0,5dx t) ( ) + k (0,5dx t) ( ) + h (0,5 dx t) (Tf – ) + h (0,5 dx t)

(Tf – ) + 2 h (0,25 dx dx) (Tf – ) = ρ c (dx 0,5dy t)

........................................................................................................................ (3.32)


(0,5dx t) ( – ) + (0,5dx t)( – ) + 2 (0,5dx t) (Tf – ) + 2

(0,25 dx dx) (Tf – ) = (0,5dx dx t) dx ..................... (3.33)


2( + + 2 Bi Tf + Bi Tf ) - Ti,jn (4 + 4 Bi + 2 Bi )

= ( - ) .......................................................................................... (3.34)

dengan nilai B1 = , α = dan =

dari persamaan (3.34) dikalikan Fo maka menjadi:

== 2Fo( + + 2 Bi Tf + Bi Tf ) - (4 Fo + 4 Bi Fo + 2 Bi Fo-1)

........................................................................................................................ (3.35)


27

Syarat stabilitas :

-(4 Fo + 4 Bi Fo + 2 Bi Fo-1) ≥ 0

1- 4 Fo + 4 Bi Fo + 2 Bi Fo ≥ 0

-Fo (4 + 4 Bi + 2 Bi ) ≥ -1

Fo (4 + 4 Bi + 2 Bi ) ≤ 1

maka Fo ≤ ................................................................................. (3.36)

3.5. Metode Penelitian

Penelitian ini dilakukan secara komputasi dengan menggunakan metode

beda hingga secara eksplisit. Langkah-langkah yang dilakukan untuk

mendapatkan metode beda hingga secara eksplisit sebagai berikut:

a. Memilih seperempat bagian dari benda uji sirip untuk diamati dan membagi

seperempat bagian dari benda uji sirip tersebut menjadi elemen-elemen kecil

seperti yang ditunjukan pada gambar 3.2. Suhu pada elemen-elemen kecil

tersebut mewakili suhu volume kontrol elemen kecil tersebut.

b. Menuliskan persamaan numerik pada setiap volume kontrol dengan metode

beda hingga eksplisit berdasarkan prinsip kesetimbangan energi pada sirip.

c. Membuat program komputasi untuk mendapatkan distribusi suhu, laju aliran

kalor, efisiensi dan efektivitas dari waktu ke waktu pada benda uji sirip.

d. Memasukan data yang diperlukan untuk dapat mengetahui hasil dari

pengolahan data yang dijalalankan dari program yang telah dibuat.


28

Pengujian pada sirip dilakukan dengan variasi bahan yang telah ditentukan

untuk dapat mengetahui perbedaan distribusi suhu, laju aliran kalor, efisiensi dan

efektivitas dari variasi bahan tersebut.

3.6. Cara Pengambilan Data, Pengolahan dan Pembahasan.

Pengambilan data dilakukan dengan membuat program terlebih dahulu pada

microsoft office excel sesuai dengan metode yang digunakan, kemudian

memasukan data kedalam program yang telah dibuat. Hasil perhitungan dari

program yang telah dibuat berupa distribusi suhu, laju aliran kalor efisiensi dan

efektivitas.

Hasil perhitungan dari program yang didapat kemudian diolah untuk dapat

ditampilkan dalam grafik. Grafik yang ditampilkan adalah grafik :

a. Laju aliran kalor dari waktu ke waktu

b. Efesiensi dari waktu ke waktu

c. Efektivitas dari waktu ke waktu

Pembahasan dapat dilakukan berdasarkan grafik-grafik yang disajikan sehingga

dapat diambil kesimpulan dari penelitian. Dalam melakukan pembahasan,

memperhatikan juga hasil-hasil penelitian yang terkait.

3.7. Pengambilan Kesimpulan dan Saran

Kesimpulan dibuat berdasarkan pembahasan yang telah dilakukan dan

kesimpulan merupakan jawaban dari tujuan penelitian. Saran diberikan agar

penelitian yang dilakukan berikut dapat dijalankan dengan lebih baik.


29

BAB IV

DATA DAN PEMBAHASAN

4.1. Data Pengamatan

Percobaan dilakukan untuk mengetahui pengaruh bahan sirip dan

pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap laju aliran kalor,

efisiensi dan efektivitas sirip pada keadaan tak tunak.

4.1.1. Pengaruh Bahan Sirip Terhadap Laju Aliran Kalor, Efisiensi dan

Efektivitas Sirip

Pengaruh bahan sirip terhadap laju aliran kalor, efisiensi dan efektivitas

sirip dapat diketahui dengan melakukan empat variasi bahan yaitu alumunim, besi

nikel dan tembaga . Sifat-sifat dari keempat bahan yang diamati disajikan dalam

Tabel 4.1.

Tabel 4.1 Sifat bahan sirip yang diuji dalam penelitian

No Bahan

Sifat-sifat bahan

Kondukvitas

Termal k

(watt/moC)

Kalor

Jenis c

(J/kgoC)

Massa

Jenis ρ

(kg/m3)

Difusivitas

Termal α

(m2/s)

1

Alumunium

204 900 2707 8,37 x 10-5

2

Besi

73 460 7897 2,01 x 10-5

3

Nikel

93 454 8906 2,3 x 10-5

4

Tembaga

398 390 8954 1,13 x 10-4

29


30

Percobaan dilakukan dengan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi yang

sama yaitu 50 watt/m2o

C. Percobaan dilakukan dengan kondisi sebagai berikut :

suhu awal sirip (To) : 30 ˚C

suhu dasar sirip (Tdasar) : 100 ˚C

suhu lingkungan (Tf) : 30 ˚C

Hasil penelitian disajikan dalam Tabel 4.2 sampai dengan Tabel 4.4.

Tabel 4.2 Pengaruh bahan sirip terhadap laju aliran kalor sirip dari waktu ke

waktu

No Waktu

(detik)

Laju Aliran kalor (watt)

Tembaga

Alumunium

Besi

Nikel

1 0 14,7 14,7 14,7 14,7

2 0,12 18,99 17,81 15,46 15,55

3 0,24 22,66 20,59 16,19 16,37

4 0,48 28,85 25,44 17,61 17,95

5 0,72 34,04 29,60 18,95 19,44

6 1,20 42,70 36,61 21,44 22,20

7 2,40 59,36 50,05 26,81 28,08

8 3,60 72,43 60,44 31,29 32,97

9 7,20 100,86 82,87 41,58 44,22

10 10,80 119,56 97,79 49,15 52,58

11 18 140,86 115,27 60,00 64,77

12 24 149,77 122,85 66,38 72,08

13 30 154,62 127,12 71,18 77,66

14 45 159,16 131,36 78,79 86,69

15 60 160,17 132,40 82,76 91,54

16 90 160,45 132,71 85,95 95,62

17 120 160,46 132,73 86,86 96,85

18 150 160,46 132,73 86,86 96,85


31

Tabel 4.3 Pengaruh bahan sirip terhadap efisiensi sirip dari waktu ke waktu

No waktu

(detik)

Efisiensi (%)

Tembaga Alumunium besi Nikel

1 0 6,91 6,91 6,91 6,91

2 0,12 8,92 8,37 7,26 7,31

3 0,24 10,65 9,68 7,61 7,69

4 0,48 13,56 11,95 8,27 8,44

5 0,72 15,99 13,91 8,90 9,14

6 1,2 20,07 17,20 10,08 10,43

7 2,4 27,90 23,52 12,60 13,20

8 3,6 34,03 28,40 14,70 15,49

9 7,2 47,40 38,94 19,54 20,78

10 10,8 56,18 45,96 23,10 24,71

11 18 66,20 54,17 28,20 30,44

12 24 70,38 57,73 31,20 33,87

13 30 72,66 59,74 33,45 36,49

14 45 74,80 61,73 37,03 40,74

15 60 75,27 62,22 38,89 43,02

16 90 75,40 62,37 40,39 44,93

17 120 75,40 62,37 40,82 45,51

18 150 75,40 62,37 40,82 45,51

Tabel 4.4 Pengaruh bahan sirip terhadap efektivitas sirip dari waktu ke waktu

No waktu

(detik)

Efektivitas

Tembaga Alumunium Besi Nikel

1 0,00 10,50 10,50 10,50 10,50

2 0,12 13,56 12,72 11,04 11,11

3 0,24 16,19 14,71 11,57 11,70

4 0,48 20,60 18,17 12,58 12,82

5 0,72 24,31 21,14 13,54 13,89

6 1,20 30,50 26,15 15,32 15,85

7 2,40 42,40 35,75 19,15 20,06

8 3,60 51,73 43,17 22,35 23,55

9 7,20 72,05 59,19 29,70 31,58

10 10,80 85,40 69,85 35,11 37,56


32

Tabel 4.4 Lanjutan

No Waktu

(detik)

Efektivitas

Tembaga Alumunium Besi Nikel

11 18 100,62 82,34 42,86 46,27

12 24 106,98 87,75 47,42 51,48

13 30 110,44 90,80 50,85 55,47

14 45 113,69 93,83 56,28 61,92

15 60 114,41 94,57 59,11 65,38

16 90 114,60 94,80 61,40 68,30

17 120 114,61 94,81 62,05 69,18

18 150 114,61 94,81 62,05 69,18

4.1.2. Pengaruh Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi Terhadap Laju

Aliran Kalor, Efektivitas dan Efisiensi Sirip

Pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap laju aliran

kalor, efisiensi dan efektivitas sirip dapat diketahui dengan melakukan empat

variasi, setiap percobaan yang dilakukan menggunakan variasi nilai koefisien

perpindahan kalor konveksi yang berbeda-beda yaitu 25 watt/m2 o

C, 50 watt/m2

oC, 100 watt/m

2 oC dan 200 watt/m

2 oC . Percobaan dilakukan pada bahan sirip

yang sama yaitu tembaga . Percobaan dilakukan dengan kondisi sebagai berikut:

suhu awal sirip (To) : 30 ˚C

suhu dasar sirip (Tdasar) : 100 ˚C

suhu lingkungan (Tf) : 30 ˚C

Hasil penelitian disajikan dalam Tabel 4.5 sampai dengan Tabel 4.7.


33

Tabel 4.5 Pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap laju aliran

kalor sirip dari waktu ke waktu

No Waktu

(detik)

Laju Aliran Kalor (watt)

h = 25

watt/m2 o

C

h = 50

watt/m2 o

C

h = 100

watt/m2 o

C

h = 200

watt/m2 o

C

1 0 7,35 14,70 29,40 58,80

2 0,12 9,49 18,99 37,97 75,95

3 0,24 11,34 22,66 45,30 90,47

4 0,48 14,44 28,85 57,54 114,49

5 0,72 17,06 34,04 67,75 134,22

6 1,2 21,45 42,70 84,61 166,12

7 2,4 30,00 59,36 116,26 223,21

8 3,6 36,82 72,43 140,19 263,38

9 7,2 52,19 100,86 188,88 334,80

10 10,8 62,86 119,56 217,57 368,61

11 18 75,99 140,86 245,68 393,24

12 24 82,07 149,77 255,26 398,78

13 30 85,68 154,62 259,60 400,52

14 45 89,58 159,16 262,73 401,29

15 60 90,66 160,17 263,17 401,33

16 90 91,05 160,45 263,24 401,33

17 120 91,08 160,46 263,24 401,33

18 150 91,08 160,46 263,24 401,33

Tabel 4.6 Pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap efisiensi sirip

dari waktu ke waktu

N0 waktu

(detik)

Efisiensi (%)

h = 25

watt/m2 o

C

h = 50

watt/m2 o

C

h = 100

watt/m2 o

C

h = 200

watt/m2 o

C

1 0 6,91 6,91 6,91 6,91

2 0,12 8,92 8,92 8,92 8,92

3 0,24 10,65 10,65 10,64 10,63

4 0,48 13,57 13,56 13,52 13,45

5 0,72 16,03 15,99 15,92 15,77

6 1,2 20,16 20,07 19,88 19,52

7 2,4 28,20 27,90 27,32 26,22

8 3,6 34,61 34,03 32,94 30,94


34

Tabel 4.6 Lanjutan

No Waktu

(detik)

Efisiensi (%)

h = 25

watt/m2 o

C

h = 50

watt/m2 o

C

h =100

watt/m2 o

C

h = 200

watt/m2 o

C

9 7,2 49,05 47,40 44,38 39,33

10 10,8 59,08 56,18 51,12 43,31

11 18 71,42 66,20 57,73 46,20

12 24 77,13 70,38 59,98 46,85

13 30 80,53 72,66 61,00 47,05

14 45 84,19 74,80 61,73 47,14

15 60 85,21 75,27 61,84 47,15

16 90 85,57 75,40 61,85 47,15

17 120 85,60 75,40 61,85 47,15

18 150 85,60 75,40 61,85 47,15

Tabel 4.7 Pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap Efektivitas

sirip dari waktu ke waktu

NO waktu

(detik)

Efektivitas

h = 25

watt/m2 o

C

h= 50

watt/m2 o

C

h = 100

watt/m2 o

C

h = 200

watt/m2 o

C

1 0 10,50 10,50 10,50 10,50

2 0,12 13,56 13,56 13,56 13,56

3 0,24 16,19 16,19 16,18 16,16

4 0,48 20,63 20,60 20,55 20,45

5 0,72 24,37 24,31 24,20 23,97

6 1,2 30,64 30,50 30,22 29,66

7 2,4 42,86 42,40 41,52 39,86

8 3,6 52,60 51,73 50,07 47,03

9 7,2 74,56 72,05 67,46 59,79

10 10,8 89,80 85,40 77,71 65,82

11 18 108,56 100,62 87,74 70,22

12 24 117,24 106,98 91,16 71,21

13 30 122,41 110,44 92,72 71,52

14 45 127,97 113,69 93,83 71,66

15 60 129,52 114,41 93,99 71,67

16 90 130,07 114,60 94,01 71,67

17 120 130,11 114,61 94,02 71,67

18 150 130,11 114,61 94,02 71,67


35

4.2. Pembahasan

Penelitian tentang pengaruh bahan sirip terhadap laju perpindahan kalor

sirip digambarkan dengan grafik seperti yang tersaji pada Gambar 4.1. Grafik

pada Gambar 4.1 menunjukkan bahwa seiring dengan pertambahan waktu laju

aliran kalor yang dilepas sirip semakin meningkat, hingga mencapai keadaan

tunak yaitu pada saat laju aliran kalor yang dilepas sirip tidak berubah-ubah lagi

terhadap waktu. Laju aliran kalor sirip mencapai keadaan tunak seperti yang

dirumuskan pada persamaan (4.1 )

x 100% ≤ 1% ................................................................................... (4.1)

Pada sirip berbahan tembaga, laju aliran kalor menjadi tunak setelah detik ke 45.

Pada sirip berbahan alumunium, laju aliran kalor menjadi tunak setelah detik ke

47. Pada sirip berbahan besi, laju aliran kalor menjadi tunak setelah detik ke 83.

Pada sirip berbahan nikel, laju aliran kalor menjadi tunak setelah detik ke 87.

Dengan demikian untuk mencapai keadaan tunak tercepat dimiliki oleh tembaga

kemudian diikuti berturut-turut sirip dari bahan alumunium, besi dan nikel.

Grafik pada Gambar 4.1 menunjukkan bahwa bahan sirip berpengaruh

terhadap laju aliran kalor yang dilepas sirip. Pada penelitian ini laju aliran kalor

terbesar yang dilepas sirip dimiliki oleh bahan tembaga, kemudian diikuti

berturut-turut dari bahan alumunium, nikel dan besi.

Ketika keadaan sudah tunak besar laju aliran kalor yang dilepas sirip dari

bahan tembaga, alumunium, besi dan nikel berturut-turut sebesar: 160 watt, 133

watt, 86 watt dan 97 watt.


36

Gambar 4.1 Pengaruh bahan sirip terhadap laju aliran kalor yang dilepas sirip

Penelitian tentang pengaruh bahan sirip terhadap efisiensi sirip

digambarkan dengan grafik seperti yang tersaji pada Gambar 4.2. Grafik pada

Gambar 4.2 menunjukkan bahwa seiring dengan pertambahan waktu nilai

efisiensi sirip semakin meningkat, hingga mencapai keadaan tunak yaitu pada saat

efisiensi sirip tidak berubah-ubah lagi terhadap waktu. Laju efisiensi sirip

mencapai keadaan tunak seperti yang dirumuskan pada persamaan (4.2 )

x 100% ≤ 1% ................................................................................... (4.2)

Pada sirip berbahan tembaga, efisiensi sirip menjadi tunak setelah detik ke 45.

Pada sirip berbahan alumunium, efisiensi sirip menjadi tunak setelah detik ke 47.

Pada sirip berbahan besi, efisiensi sirip menjadi tunak setelah detik ke 83. Pada

sirip berbahan nikel, efisiensi sirip menjadi tunak setelah detik ke 87.


terhadap efisiensi. Pada penelitian ini laju aliran kalor terbesar yang dilepas sirip

dimiliki oleh bahan tembaga kemudian diikuti berturut-turut dari bahan

alumunim, nikel dan besi.

020406080

100120140160180

0 50 100 150

Laju

Alir

an K

alo

r (w

att)

waktu (detik)

tembaga

alumunium

besi

nikel


37

Ketika keadaan sudah tunak besar efisiensi sirip dari bahan tembaga,

alumunium, besi dan nikel berturut-turut sebesar: 75%, 62%, 41% dan 46%.

Gambar 4.2 Pengaruh bahan sirip terhadap efisiensi sirip

Penelitian tentang pengaruh bahan sirip terhadap efektivitas sirip

digambarkan dengan grafik seperti yang tersaji pada Gambar 4.3. Grafik pada

Gambar 4.3 menunjukkan bahwa seiring dengan pertambahan waktu efektivitas

sirip semakin meningkat, hingga mencapai keadaan tunak yaitu pada saat

efektivitas sirip tidak berubah-ubah lagi terhadap waktu. Laju efektivitas sirip

mencapai keadaan tunak seperti yang dirumuskan pada persamaan (4.3 ).

x 100% ≤ 1% ................................................................................... (4.3)

Pada sirip berbahan tembaga, efektivitas sirip menjadi tunak setelah detik ke 45.

Pada sirip berbahan alumunium, efektivitas sirip menjadi tunak setelah detik ke

47. Pada sirip berbahan besi, efektivitas sirip menjadi tunak setelah detik ke 83.

Pada sirip berbahan nikel, efektivitas sirip menjadi tunak setelah detik ke 87

01020304050607080

0 50 100 150

Efis

ien

si (

%)

waktu (detik)

tembaga

alumunium

besi

nikel


38


terhadap efektivitas sirip. Pada penelitian ini efektivitas sirip terbesar dimiliki

oleh bahan tembaga kemudian diikuti berturut-turut dari bahan alumunium, nikel

dan besi.

Ketika keadaan sudah tunak besar efektivitas sirip dari bahan tembaga,

alumunium, besi dan nikel berturut-turut sebesar: 115, 95, 62 dan 69.

Gambar 4.3 Pengaruh bahan terhadap efektivitas sirip

Penelitian tentang pengaruh koefisien perpindahan kalor konveksi

terhadap laju perpindahan kalor sirip digambarkan dengan grafik seperti tersaji

pada Gambar 4.4. Dari Gambar 4.4 untuk bahan sirip tembaga terlihat bahwa laju

aliran kalor sirip untuk nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/ m2 oC

akan mencapai tunak setelah detik ke 52, nilai koefisien perpindahan kalor

konveksi 50 watt/m2 o

C akan mencapai tunak setelah detik ke 45, nilai koefisien

perpindahan kalor konveksi 100 watt/ m2 oC akan mencapai tunak setelah detik ke

37, nilai koefisien perpindahan panas konveksi 200 watt/ m2

oC akan mencapai

tunak setelah detik ke 27. Dengan demikian untuk mencapai keadaan tunak

tercepat ketika nilai koefisien perpindahan panas konduksi sebesar 200 watt/ m2

0

20

40

60

80

100

120

140

0 50 100 150

Efe

ktiv

itas

waktu (detik)

tembaga

alumunium

besi

nikel


39

oC kemudian diikuti berturut-turut 100 200 watt/ m

2 oC , 50 200 watt/ m

2 oC dan

25 200 watt/ m2 oC.

Grafik pada Gambar 4.4 menunjukkan bahwa nilai koefisien

peprpindahan kalor konveksi berpengaruh terhadap laju aliran kalor yang dilepas

sirip. Pada penelitian ini laju aliran kalor terbesar yang dilepas sirip dari bahan

tembaga ketika nilai koefisien perpindahan kalor konveksi sebesar 200 watt/m2 oC

kemudian diikuti berturut-turut 100 watt/ m2 oC, 50 watt/ m

2 oC dan 25 watt/m

2oC.

Ketika keadaan sudah tunak besar laju aliran kalor yang dilepas sirip dari

bahan tembaga pada saat nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25

watt/m2o

C, 50 watt/ m2

oC, 100 watt/ m

2

oC dan 200 watt/ m

2

oC berturut-turut

sebesar: 91 watt, 160 watt, 263 Watt dan 401 watt.

Gambar 4.4 Pengaruh nilai koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap laju

aliran kalor sirip bahan tembaga


terhadap efisiensi sirip digambarkan dengan grafik seperti tersaji pada Gambar

4.5. Dari Gambar 4.5 untuk bahan sirip tembaga terlihat bahwa efisiensi sirip

untuk nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/ m2

oC akan mencapai

050

100150200250300350400450

0 50 100 150

Laju

Alir

an K

alo

r(w

att)

waktu (detik)

h= 25 W/m² ˚C

h=50 W/m² ˚C

h=100 W/m² ˚C

h=200 W/m² ˚C


40

tunak setelah detik ke 52, nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 50

watt/m2o

C akan mencapai tunak setelah detik ke 45, nilai koefisien perpindahan

kalor konveksi 100 watt/ m2 oC akan mencapai tunak setelah detik ke 37 dan nilai

koefisien perpindahan panas konveksi 200 watt/ m2

oC akan mencapai tunak

setelah detik ke 27.

Grafik pada Gambar 4.5 menunjukkan bahwa nilai koefisien perpindahan

kalor konveksi berpengaruh terhadap efisiensi sirip. Pada penelitian ini efisiensi

terbesar sirip dari bahan tembaga, ketika nilai koefisien perpindahan kalor

konveksi sebesar 25 watt/ m2 oC kemudian diikuti berturut-turut 50 watt/ m

2 oC,

100 watt/ m2 oC dan 200 watt/ m

2 oC.

Ketika keadaan sudah tunak besar efisiensi sirip dari bahan tembaga

pada saat nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/ m2 oC, 50 watt/ m

2

oC, 100 watt/ m

2 oC dan 200 watt/ m

2 oC berturut-turut sebesar: 86%, 75%, 62%

dan 47%.

Gambar 4.5 Pengaruh nilai koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap

efisiensi sirip bahan tembaga

0102030405060708090

0 50 100 150

Efis

ien

si (

%)

waktu (detik)

h=25 W/m² ˚C

h=50 W/m² ˚C

h=100 W/m² ˚C

h=200 W/m² ˚C


41


terhadap efektivitas sirip digambarkan dengan grafik seperti tersaji pada Gambar

4.6. Grafik pada Gambar 4.6 untuk bahan sirip tembaga terlihat bahwa laju

efektivitas sirip untuk nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/ m2

oC

akan mencapai tunak setelah detik ke 52, nilai koefisien perpindahan kalor

konveksi 50 watt/m2 o

C akan mencapai tunak setelah detik ke 45, nilai koefisien

perpindahan kalor konveksi 100 watt/ m2 oC akan mencapai tunak setelah detik ke

37 dan nilai koefisien perpindahan panas konveksi 200 watt/ m2 oC akan mencapai

tunak setelah detik ke 27.

Gambar 4.6 Pengaruh nilai koefisien perpindahan kalor konveksi terhadap

efektivitas sirip bahan tembaga

Grafik pada Gambar 4.6 menunjukkan bahwa nilai koefisien perpindahan

kalor konveksi berpengaruh terhadap efektivitas sirip. Pada penelitian ini

efektivitas sirip terbesar dari bahan tembaga ketika nilai koefisien perpindahan

0

20

40

60

80

100

120

140

0 50 100 150

Efe

ktiv

itas

waktu (detik)

h=25 W/m² ˚C

h=50 W/m² ˚C

h=100 W/m² ˚C

h=200 W/m² ˚C


42

kalor konveksi sebesar 25 watt/m2 o

C, kemudian diikuti berturut-turut 50

watt/m2 o

C, 100 watt/m2 o

C dan 200 watt/m2o

C.

Ketika keadaan sudah tunak besar efektivitas sirip dari bahan tembaga

pada saat nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/m2 oC, 50 watt/m

2oC,

100 watt/ m2 oC dan 200 watt/ m

2 oC berturut-turut sebesar: 130, 115, 94 dan 72.


43

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari hasil penelitian dan pembahasan yang telah dilakukan pada sirip

dengan variasi bahan dan koefisien perpindahan panas konveksi dapat diambil

kesimpulan bahwa :

a. Telah berhasil dibuat program dari Microsoft Ofice Excel untuk

menghitung distribusi suhu, laju aliran perpindahan kalor sirip,

efektivitas dan efisiensi sirip.

b. Laju aliran kalor, efisiensi dan efektivitas sirip berubah-ubah terhadap

waktu hingga mencapai keadaan tunak. Waktu yang diperlukan sirip

berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel untuk mencapai keadaan

tunak pada nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 50 watt/m2 o

C

berturut-turut adalah 45 detik, 47 detik, 83 detik dan 87 detik.

c. Besar laju aliran kalor sirip berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel

saat keadaan tunak pada nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 50

watt/m2 o

C berturut-turut adalah 160 watt, 133 watt, 86 watt dan 97 watt.

d. Besar efisiensi sirip berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel saat

keadaan tunak pada nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 50 watt/m2

oC berturut-turut adalah 75%, 62%, 41% dan 46%.

43


44

e. Besar efektivitas sirip berbahan tembaga, alumunium, besi dan nikel saat

keadaan tunak pada nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 50 watt/m2

oC berturut-turut adalah 115, 95, 62 dan 69.

f. Waktu yang dibutuhkan sirip berbahan tembaga untuk mencapai keadaan

tunak pada nilai koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/m2 o

C, 50

watt/m2 o

C, 100 watt/m2 o

C dan 200 watt/m2 o

C adalah 52 detik, 45 detik,

37 detik dan 27 detik.

g. Besar laju aliran kalor sirip berbahan tembaga saat keadaan tunak pada

koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/m2 o

C, 50 watt/m2 o

C, 100

watt/m2 o

C dan 200 watt/m2 o

C berturut-turut adalah 91 watt, 160 watt, 263

watt dan 401 watt.

h. Besar efisiensi sirip berbahan tembaga saat keadaan tunak pada koefisien

perpindahan kalor konveksi 25 watt/m2 o

C, 50 watt/m2 o

C, 100 watt/m2 o

C

dan 200 watt/m2 o

C berturut-turut adalah 86%, 75%, 62 % dan 47%.

i. Besar efektivitas sirip berbahan tembaga saat keadaan tunak pada

koefisien perpindahan kalor konveksi 25 watt/m2 o

C, 50 watt/m2 o

C, 100

watt/m2 o

C dan 200 watt/m2 o

C berturut-turut adalah 130, 115, 94 dan 72

5.2 Saran

Saran yang perlu dikemukakan untuk penelitian yang lebih lanjut tentang

sirip adalah:


45

a. Hasil penelitian akan lebih akurat jika volume kontrol yang digunakan

lebih kecil.

b. Penelitian akan lebih akan lebih cepat dan mudah jika menggunakan

komputer dengan prosesor yang lebih baik

c. Penelitian dapat dilakukan dengan variasi bahan dan bentuk sirip yang

yang berbeda.


46

DAFTAR PUSTAKA

Cengel, Yunus A.2002.Heat Transfer A Practical Approach, M C Graw-Hill.

New York.

Holman, J.P.1997.Heat Transfer,M C Graw-Hill. New York.

Kuncoro,A.S.2012.Perbandingan Laju Perpindahan Kalor,Efisiensi dan

Efektivitas Sirip Dua Dimensi Utuh dan Berlubang Pada keadaan Tak Tunak

dengan Variasi Bahan.Universitas Sanata Dharma.Yogyakarta

Nuryanto,Y.D.2002.Laju Perpindahan Kalor dan Efektivitas Sirip Keadaan Tak

Tunak. Universitas Sanata Dharma. Yogyakarta.

Yohana,S.2004.Laju Perpindahan Kalor dan Efektivitas Sirip Pada Kasus Tiga

Dimensi Keadaan Tak Tunak.Universitas Sanata Dharma.Yogyakarta.

46


47

LAMPIRAN

Lampiran 1. Massa Jenis dan Kalor Jenis beberapa Bahan

47


48

Lampiran 2. Koefisien Perpindahan Kalor Konduksi Beberapa Bahan

48


Documents

PENGARUH KOEFISIEN PERPINDAHANKALOR KONVEKSI … · DAFTAR GAMBAR .....xiii DAFTAR TABEL ... Sirip yang diteliti adalah sirip dua dimensi b. Penelitian dilakukan dengan asumsi: Kondisi