skripsirepository.ub.ac.id/2419/1/dimas%20dewa%c2%a0aryoga.pdf · 2020. 9. 15. · skripsi teknik...

PENGARUH KONDUKTIVITAS TERMAL EFEKTIF MATERIAL

DAN KECEPATAN INLET UDARA PANAS TERHADAP

PERPINDAHAN KALOR POROUS MEDIA

SKRIPSI

TEKNIK MESIN KONSENTRASI TEKNIK KONVERSI ENERGI

Diajukan untuk memenuhi persyaratan

memperoleh gelar Sarjana Teknik

DIMAS DEWA ARYOGA

NIM. 135060200111042

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

FAKULTAS TEKNIK

MALANG

2017

JUDUL SKRIPSI :

PENGARUH KONDUKTIVITAS TERMAL EFEKTIF MATERIAL DAN

KECEPATAN INLET UDARA PANAS TERHADAP PERPINDAHAN

KALOR POROUS MEDIA

Nama Mahasiswa : Dimas Dewa Aryoga

NIM : 135060200111042

Program Studi : Teknik Mesin

Konsentrasi : Teknik Konversi Energi

KOMISI PEMBIMBING

Dosen pembimbing I : Dr.Eng. Eko Siswanto, ST., MT.

Dosen pembimbing II : Dr.Eng. Moch. Agus Choiron, ST., MT.

TIM DOSEN PENGUJI

Dosen penguji I : Agung Sugeng Widodo, ST., MT., Ph.D.

Dosen penguji II : Ir. Hastono, MT.

Dosen penguji III : Khairul Anam, ST., MSc.

Tanggal Ujian : 26 Juli 2017

SK Ujian : 916/UN10.6/SK/2017

Karya Ilmiah ini saya persembahkan untuk

Ayah dan Ibu tercinta,

kakak dan adik saya yang sangat saya sayangi,

dan juga untuk teman-teman saya yang saling menyemangati dan

memberi motivasi saya.

Serta

Untuk kamu yang sedang membaca skripsi ini, semoga ada sedikit

ilmu yang dapat kamu petik, tetap semangat menyelesaikan apa

yang kamu mulai.

i

KATA PENGANTAR

Puji syukur atas kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-

Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “Pengaruh Konduktivitas

Termal Efektif Material dan Kecepatan Inlet Udara Panas terhadap Perpindahan

Kalor Porous Media” ini dengan baik. Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan

terimakasih yang tidak terhingga kepada semua pihak yang telah membantu dalam

penyususnan skripsi ini terutama kepada :

1. Bapak Dr. Eng. Nurkholis Hamidi, ST., M.Eng. Selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Brawijaya.

2. Ibu Dr. Eng. Widya Wijayanti, ST., MT. Selaku Ketua Program Studi S1 Jurusan

Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya.

3. Ibu Francisca Gayuh Utami Dewi, ST., MT selaku Ketua Kelompok Dasar Keahlian

Konsentrasi Konversi Energi.

4. Bapak Dr. Eng. Eko Siswanto, ST., MT. Selaku dosen pembimbing I yang telah

banyak membantu, memberikan masukan, bimbingan, pengetahuan dan motivasi

didalam penyusunan skripsi ini.

5. Bapak Dr.Eng. Moch. Agus Choiron, ST., MT. Selaku dosen pembimbing II yang

telah banyak membantu, memberikan masukan, pengetahuan, kritikan dan arahan

sehingga saya termotivasi untuk selalu memperbaiki di dalam penyusunan skripsi

ini.

6. Bapak Ir. Ari Wahjudi, M.T. selaku dosen wali yang selalu memberikan saran dan

motivasi selama penulis menyelesaikan perkuliahan di Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Brawijaya.

7. Bapak dan Ibu dosen pengajar yang telah memberikan ilmu pengetahuan serta

motivasi, staf Jurusan Teknik Mesin (Mbak Lina, Mbak Endang, Pak Catur dan Pak

Totok) yang telah sabar membantu lancarnya perkuliahan.

8. Kedua orang tua tercinta, Ibu Agus Heri S.I. yang selalu membimbing, merawat dari

kecil hingga dewasa, selalu memberi motivasi, tiada hentinya mendoakan dan Ayah

Sutoyo(Alm) yang telah mendidik saya sejak kecil serta selalu menjadi motivasi saya

untuk sukses.

9. Kakak kandung Dimas Ryo Kurnia dan adik kandung Sang Norma Lintang Asmara

yang selalu memotivasi dan mendoakan yang terbaik kepada penulis.

http://mesin.ub.ac.id/sarjana/?p=134

ii

10. Arditya Noor Risky Pricandi partner skripsi yang telah membantu, berjuang bersama

baik dalam suka dan duka selama Seminar Proposal, Seminar Hasil, Ujian Skripsi

dan selama penelitian berlangsung.

11. Asisten Studio Perancangan dan Rekayasa Sistem : Kamarudin, Ach. Syaifudin dan

Ilyas selaku yang telah banyak membantu dan membimbing simulasi software.

12. Semua anggota keluarga besar M’13 yang sangat saya banggakan, semoga kita selalu

diberi kemudahan dan kelancaran hingga masing-masing akan sukses.

13. Keluarga GAPEMA ’10 : Molek, Falis, Fembi, Ikbal, Bimo, Tifani, Azhar, Edo,

Soni, Ika, Satria, Junda, Mirza, Avis, Bian dan Uen yang telah saya anggap keluarga

dan telah membantu dari segi motivasi, saran, dan tempat suka duka.

14. Teman-teman, Tajul, Daus, Okta, Krisna, Alim, Rio, Syafiq, Dani, Budi yang selalu

menghibur dari awal perkuliahan sampai selesai.

15. Tim UNO, Gema, Ainun, Mahda dan Fikri yang saling memotivasi demi selesainya

skripsi masing-masing.

16. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu – persatu yang telah membantu

penulis demi kelancaran penyelesaian skripsi ini.

Dalam penyusunan skripsi ini, penulis telah berusaha sebaik mungkin untuk

menyelesaikan skripsi ini dengan sebaik-baiknya dan penulis juga menyadari bahwa skripsi

ini masih jauh dari sempurna. Oleh sebab itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang

membangun demi penyusunan yang lebih baik lagi.

Akhirnya penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat khususnya bagi penulis

dan bagi para pembaca umumnya sekaligus dapat menjadi bahan acuan untuk penelitian

lebih lanjut. Amin

Malang, 19 Juli 2017

Penulis

iii

DAFTAR ISI

Halaman

KATA PENGANTAR ................................................................................................... i

DARTAR ISI .................................................................................................................. iii

DAFTAR TABEL .......................................................................................................... v

DAFTAR GAMBAR ..................................................................................................... vi

DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................................. viii

RINGKASAN .................................................................................................................. ix

SUMMARY ...................................................................................................................... x

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

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

1.2 Rumusan Masalah ............................................................................................. 3

1.3 Batasan Masalah ................................................................................................ 3

1.4 Tujuan Penelitian ............................................................................................... 3

1.5 Manfaat Penelitian ............................................................................................. 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................... 5

2.1 Penelitian Sebelumnya ....................................................................................... 5

2.2 Media Berpori (Porous Media) .......................................................................... 5

2.3 Lapisan Batas ..................................................................................................... 7

2.4 Perpindahan Panas .............................................................................................. 8

2.4.1 Perpindahan Panas Konduksi ................................................................... 8

2.4.2 Perpindahan Panas Konveksi .................................................................... 9

2.5 Konduktivitas Termal ........................................................................................ 11

2.6 Konduktivitas Termal Efektif ............................................................................. 13

2.7 Gradien Temperatur ............................................................................................ 13

2.8 Reynolds Number ................................................................................................ 14

2.9 Prandtl Number ................................................................................................... 14

2.10 Grashof Number ................................................................................................ 15

2.11 Software FEA (Finite Element Analysis) ......................................................... 15

2.12 Langkah-Langkah Simulasi pada Software Ansys ............................................. 16

2.12.1 Pre - processing ...................................................................................... 16

iv

2.12.2 Solution .................................................................................................... 17

2.12.3 Postprocessing ......................................................................................... 17

2.13 Hipotesis ............................................................................................................ 17

BAB III METODE PENELITIAN ............................................................................... 19

3.1 Metode Penelitian ................................................................................................ 19

3.2 Rancangan Penelitian .......................................................................................... 19

3.3 Variabel Penelitian .............................................................................................. 20

3.4 Tempat dan Waktu Penelitian ............................................................................. 21

3.5 Prosedur Penelitian .............................................................................................. 21

3.6 Prosedur Pengambilan Data ................................................................................ 23

3.7 Diagram Alir Penelitian ...................................................................................... 25

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................................ 27

4.1 Hasil Simulasi Komputer .................................................................................... 27

4.1.1 Plot Distribusi Temperatur pada Variasi Kecepatan ................................. 27

4.1.2 Visualisasi Distribusi Perpindahan Panas Tampak Depan ....................... 28

4.1.3 Hasil Data Temperatur Tiap Titik ............................................................. 31

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

4.2.1 Pengaruh Konduktivitas Termal Efektif terhadap Perpindahan Panas ..... 35

4.2.2 Pengaruh Variasi Kecepatan terhadap Perpindahan Panas ....................... 40

BAB V PENUTUP .......................................................................................................... 49

5.1 Kesimpulan ......................................................................................................... 49

5.2 Saran .................................................................................................................... 49

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

v

DAFTAR TABEL

No Judul Halaman

Tabel 2.1 Konduktivitas Termal Berbagai Bahan .................................................. 12

Tabel 4.1 Data Hasil Simulasi Variasi 1 m/s ........................................................... 31

Tabel 4.2 Data Hasil Simulasi Variasi 2 m/s .......................................................... 32



Tabel 4.5 Data Hasil Laju Perpindahan Panas pada Porous Media Aluminium dan

Tembaga ................................................................................................. 39

Tabel 4.6 Data Hasil Laju Perpindahan Panas pada Porous Media Al ................... 46

vi

DAFTAR GAMBAR

No Judul Halaman

Gambar 2.1 Ilustrasi porous media . ........................................................................... 6

Gambar 2.2 Porous media dalam aplikasi teknik ....................................................... 7

Gambar 2.3 Lapisan batas kecepatan pada plat datar .................................................. 7

Gambar 2.4 Perpindahan panas pada dinding datar satu dimensi ............................... 8

Gambar 2.5 Lapisan batas pada perpindahan panas konveksi .................................... 10

Gambar 2.6 Contoh konveksi paksa dan konveksi alami............................................ 11

Gambar 2.7 Range Konduktivitas Termal Berbagai Material pada Suhu dan Tekanan

Normal ..................................................................................................... 12

Gambar 2.8 Hubungan antara Sistem Koordinat, Arah Aliran Panas, dan Gradien

Temperatur .............................................................................................. 13

Gambar 3.1 Skema simulasi 3D .................................................................................. 19

Gambar 3.2 Skema simulasi 2D .................................................................................. 20

Gambar 3.3 Geometri porous media ........................................................................... 22

Gambar 3.4 Proses meshing ........................................................................................ 22

Gambar 3.5 Penamaan area ......................................................................................... 23

Gambar 3.6 Porous media tampak secara melintang .................................................. 24

Gambar 3.7 Pengambilan data porous media tampak depan ...................................... 24

Gambar 3.8 Diagram alir penelitian ............................................................................ 25

Gambar 4.1 Gradien temperatur porous media variasi kecepatan 1 m/s .................... 27




Gambar 4.5 Visualisasi porous media tampak depan dengan variasi kecepatan 4 m/s

pada material (a) aluminium, (b) tembaga di jarak 20 mm dari inlet ...... 29


pada material (a) aluminium, (b) tembaga di jarak 130 mm dari inlet .... 29


pada material (a) aluminium, (b) tembaga di jarak 240 mm dari inlet .... 29

Gambar 4.8 Grafik hubungan temperatur dengan jarak pada material Al .................. 35

Gambar 4.9 Grafik hubungan temperatur dengan jarak pada material Cu .................. 36

vii

Gambar 4.10 Grafik hubungan temperatur dengan jarak pada material Al.................. 36

Gambar 4.11 Grafik Hubungan Jarak terhadap Laju Perpindahan Panas Material

Aluminium dan Tembaga ....................................................................... 40

Gambar 4.12 Grafik hubungan temperatur dengan jarak pada variasi 1 m/s .............. 41

Gambar 4.13 Grafik hubungan temperatur dengan jarak pada variasi 2 m/s ............... 42



Gambar 4.16 Grafik hubungan temperatur dengan jarak pada berbagai variasi

kecepatan ................................................................................................ 43

Gambar 4.17 Grafik Hubungan Jarak terhadap Laju Perpindahan Panas pada Material

Aluminium dengan Berbagai Variasi Kecepatan .................................. 47

viii

DAFTAR LAMPIRAN

No Judul

Lampiran 1 Tabel Properties Konduktivitas Termal

Lampiran 2 Persamaan Navier Stoke

Lampiran 3 Tutorial Software FEA

ix

RINGKASAN

Dimas Dewa Aryoga, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya, Juli

2017, Pengaruh Konduktivitas Termal Efektif Material dan Kecepatan Inlet Udara Panas

terhadap Perpindahan Kalor Porous Media. Dosen Pembimbing : Eko Siswanto dan Moch.

Agus Choiron.

Porous media atau biasa disebut media berpori merupakan suatu fasa padat kontinyu

yang memiliki pori-pori atau banyak ruang di dalamnya. Rongga berpori ini bisa dilalui oleh

fluida yang dalam penelitian ini porous media berfungsi sebagai media penghantar panas. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh konduktivitas termal efektif

material dan variasi kecepatan inlet pada porous media yang dilakukan secara numerik

dengan menggunakan software berbasis FEA (Finite Element Analysis).

Material porous media yang digunakan dalam penelitian ini yaitu material Aluminium

(Al) dan Tembaga (Cu). Temperatur udara yang masuk 100 0C, temperatur dinding 27 0C,

temperatur plat 10 0C. Variasi kecepatan udara yang masuk porous media yaitu sebesar 1

m/s, 2 m/s, 3 m/s dan 4 m/s. Porositas yang digunakan sebesar 38 %. Hasil penelitian menunjukkan nilai konduktivitas termal efektif berpengaruh terhadap

distribusi temperatur tiap titik dan laju perpindahan panas pada porous media. Semakin

tinggi nilai konduktivitas termal efektif maka distribusi temperatur tiap titik semakin rendah,

namun laju perpindahan panas semakin besar. Nilai laju perpindahan panas pada material

tembaga lebih tinggi dengan nilai q sebesar 84,53 Watt dibandingkan dengan material

aluminium 42,53 Watt. Penelitian juga menunjukkan bahwa kecepatan udara yang masuk

juga berpengaruh terhadap distribusi temperatur tiap titik dan laju perpindahan panas pada

porous media. Semakin tinggi nilai kecepatan udara maka semakin besar pula gradien

temperatur dan laju perpindahan panas. Nilai laju perpindahan panas yang paling tinggi

adalah pada variasi 4 m/s kemudian berurutan 3 m/s, 2m/s dan yang paling rendah 1 m/s.

Kata Kunci: Porous Media, Konduktivitas Termal Efektif, Kecepatan, Perpindahan Panas,

Aluminium, Tembaga

x

SUMMARY

Dimas Dewa Aryoga, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering,

Brawijaya University, July 2017, Impact of Effective Thermal Conductivity of Material and

Velocity of Inlet Heated Air to Heat Transfer in Porous Media. Academic Supervisor : Eko

Siswanto and Moch. Agus Choiron.

Porous media is a continuous solid phase that has pores or a lot of space in it. This

porous cavity can be passed by fluid which in this research porous media serves as a medium

of heat conductor. The purpose of this research was to determine the impact of effectiveness

thermal conductivity material and the variation of inlet velocity on the porous media which

is done numerically by using FEA (Finite Element Analysis) software.

Porous media materials that were used in this research are Aluminum (Al) and Copper

(Cu) materials. The temperature of infiltrate air is 1000 C, wall temperature is 270 C, and

for plate temperature is 100 C. The variation of inlet velocity of air on the porous media that

is equal to 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s and 4 m/s. The porosity that was used is 38%.

The results showed that the effective thermal conductivity value influenced the

temperature distribution of each point and the heat transfer rate on the porous media.

Increasingly, while the effective thermal conductivity value is higher, then the temperature

distribution of each point is lower, but the heat transfer rate is greater. The value of heat

transfer rate in copper material is higher with a value of q is 84.53 Watt compared to 42.53

Watt of aluminum material. The results showed that the inlet velocity of air also influenced

to the temperature distribution of each point and the heat transfer rate on the porous media.

Increasingly, while the value of thermal conductivity is higher, then it would also happen in

gradient temperature and the heat transfer rate. The highest rate of heat transfer is at 4 m/s,

3 m/s, 2 m/s and the lowest one is 1 m/s.

Keywords: Porous Media, Effective Thermal Conductivity, Velocity, Heat Transfer,

Aluminium, Copper

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Perpindahan panas atau heat transfer merupakan suatu ilmu untuk mengetahui dan

meramalkan perpindahan energi karena perbedaan suhu diantara benda atau material.

Berbagai jenis konduktor telah banyak dikembangkan industri untuk memenuhi mutu yang

diinginkan. Namun seringkali masih terdapat permasalahan mengenai panas pada mesin

yang berlebihan atau biasa disebut overheat. Temperatur atau suhu mesin normal berkisar

antara 83 - 95⁰C. Pada suhu tersebut, mesin dapat bekerja dengan optimal. Jika temperatur

melebihi temperatur normal, hal ini disebabkan karena sistem pendingin tidak bekerja secara

optimal. Contoh gejala overheat pada kendaraan bermotor dapat dideteksi melalui beberapa

indikator salah satunya yaitu meningkatnya temperatur kerja mesin >95⁰C (Urip Sudirman,

2005).

Beberapa alat yang dapat digunakan untuk meningkatkan efektifitas perpindahan panas,

yaitu dengan menggunakan heat exchanger contohnya radiator ataupun sirip. Heat

exchanger atau yang biasa disebut alat penukar kalor memiliki peran yang sangat penting

baik di kalangan rumah tangga, di dunia perindustrian, maupun di bidang otomotif atau

kendaraan. Pada dasarnya tujuan yang akan dicapai adalah menurunkan temperatur serendah

mungkin agar tidak terjadi panas yang berlebih atau over heat pada mesin. Oleh karena itu

kontruksi pada heat exchanger biasanya dibuat dengan prinsip menambah luas suatu

permukaan atau biasa disebut dengan extended surface.

Salah satu hasil dari perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi adalah dengan

dicobanya metode baru dengan tujuan dan fungsi yang sama yaitu untuk meningkatkan

efektifitas perpindahan panas. Desain atau metode baru yang telah dicoba adalah porous

medium atau biasa disebut media berpori. Media berpori merupakan suatu fasa padat

kontinyu yang memiliki pori-pori atau banyak ruang di dalamnya. Rongga berpori ini bisa

saja berhubungan satu sama lain, maupun tidak dan bisa juga dilalui oleh fluida. Misalnya

adalah sponges, kertas, batu bata dan lain-lain. Rongga – rongga atau pori – pori yang

tersebar di dalam porous medium ini mengakibatkan luas permukaan perpindahan panas

semakin besar.

2

Eko Siswanto (2011) melakukan penelitian eksperimental pada kondensasi laminar pada

porous media guna mengetahui pengaruh temperatur ambien terhadap aliran dinamik

migrasi lateral kondensat pada porous media dengan kelembaban yang berbeda. Pada

penelitian tersebut didapatkan bahwa aliran yang diamati tidak hanya uniform (seragam) ,

tetapi juga ditemukan aliran nonuniform, bahkan terjadi kekacauan propagation

(perambatan) pada beberapa kasus. Kemudian penelitian dilanjutkan oleh Ferdiantara (2016)

mengenai pengaruh konduktivitas termal terhadap perpindahan panas pada media berpori di

bawah aliran saturated vapor dengan simulasi menggunakan software ANSYS 14.5. Pada

penelitian tersebut material yang digunakan pada media berpori yaitu tembaga, baja (C =

1%), dan keramik. Dengan hasil material tembaga memiliki perpindahan panas dan gradien

temperatur pada media berpori paling besar, diikuti dengan baja, kemudian keramik.

Putra (2017) melakukan penelitian dengan menggunakan metode pendekatan numerik

untuk menganalisis pengaruh geometri dan kecepatan fluida terhadap distribusi temperatur

tube heat exchanger. Peneliti memvariasikan kecepatan fluida 1,6 m/s, 3,6 m/s, dan 5,6 m/s.

Dan hasil yang didapatkan , nilai performa terbaik ada pada tube diameter 0,5 in serta

kecepatan fluida 1,6 m/s dengan hasil temperatur air keluar 74,5 C, laju perpindahan panas

sebesar 13,3 Watt [8].

Dari hasil penelitian yang sudah ada, belum semua material dikaji dan diteliti. Padahal

material yang ada sekarang sangat banyak dan bervariasi, inilah yang menjadi alasan

dilakukan penelitian tentang pengaruh variasi konduktivitas termal efektif dari material

tembaga dan aluminium. Begitu juga tentang kecepatan fluida yang dialirkan pada porous

media. Belum dikaji tentang pengaruh berbagai variasi kecepatan fluida. Agar dapat

mengetahui perilaku perpindahan panas pada media berpori dibutuhkan peralatan

eksperimen yang mahal dan cukup rumit. Belum lagi dibutuhkan ketelitian pada saat

pengaturan (setting) alat. Selain itu, untuk mendapatkan kecepatan yang diinginkan secara

konstan tidak mudah mengingat sifat dari fluida gas yang mudah terpengaruh oleh perubahan

temperatur. Berdasarkan permasalahan dan pertimbangan di atas, maka pada penelitian ini

dilakukan simulasi dari perilaku perpindahan panas dengan porous media sehingga dapat

diketahui pengaruh variasi kecepatan fluida dan konduktivitas termal material terhadap

distribusi temperatur pada porous media menggunakan software FEA (finite element

analysis).

3

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang tersebut, maka dapat diambil suatu rumusan masalah sebagai

berikut :

1. Bagaimana pengaruh konduktivitas termal efektif material terhadap distribusi

temperatur dan laju perpindahan kalor pada porous media?

2. Bagaimana pengaruh kecepatan inlet udara panas terhadap distribusi temperatur dan

laju perpindahan kalor pada porous media?

1.3 Batasan Masalah

Pembatasan masalah penelitian dimaksudkan agar permasalahan tidak menjadi semakin

luas dan pertimbangan keterbatasan masalah. Adapun batasan masalah dalam penelitian ini

adalah sebagai berikut :

1. Perpindahan panas yang diteliti adalah perpindahan panas pada section 2 (dinding

atas porous media) dan section 4 (dinding bawah porous media)

2. Aliran fluida pada porous media dianggap steady.

1.4 Tujuan Penelitian

Berdasarkan rumusan masalah yang telah diterangkan di atas, tujuan dari penelitian ini

adalah untuk mengetahui pengaruh konduktivitas termal efektif material dan kecepatan inlet

udara panas terhadap perpindahan kalor pada porous media yang dilakukan secara simulasi

dengan bantuan Software FEA (Finite Element Analysis).

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat yang diperoleh dari penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Mengetahui pengaruh kecepatan inlet dan jenis material terhadap gradien temperatur

perpindahan panas pada media berpori.

2. Mampu menghasilkan konfigurasi jenis material dan kecepatan inlet untuk

mendapatkan laju perpindahan panas secara simulasi komputer sehingga dapat

dikembangkan sebagai input awal dan validasi pada penelitian eksperimental.

3. Diharapkan mampu memberikan terobosan baru di dunia engineering dengan

memanfaatkan parameter desain media berpori yang telah disimulasikan sebagai

alternatif untuk meningkatkan laju perpindahan panas.

5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Penelitian Sebelumnya

Eko Siswanto (2011) melakukan penelitian eksperimental pada kondensasi laminar pada

porous media guna mengetahui pengaruh temperatur ambien terhadap aliran dinamik

migrasi lateral kondensat pada porous media dengan kelembaban yang berbeda. Pada

penelitian tersebut didapatkan bahwa aliran yang diamati tidak hanya uniform (seragam) ,

tetapi juga ditemukan aliran nonuniform, bahkan terjadi kekacauan propagation

(perambatan) pada beberapa kasus.

Angga (2013) melakukan simulasi numerik untuk menganalisa pengaruh temperatur

udara masuk terhadap distribusi temperatur pada porous media. Dari penelitian tersebut

didapatkan hasil bahwa semakin meningkatnya kecepatan udara masuk, distribusi

temperatur pada porous media pada jarak yang sama semakin tinggi.

Ferdiantara (2016) melakukan penelitian mengenai pengaruh konduktivitas termal

terhadap perpindahan panas pada media berpori di bawah aliran saturated vapor dengan

simulasi menggunakan software ANSYS 14.5. Pada penelitian tersebut material yang

digunakan pada media berpori yaitu tembaga, baja (C = 1%), dan keramik. Dengan hasil

material tembaga memiliki perpindahan panas dan gradien temperatur pada media berpori

paling besar, diikuti dengan baja, kemudian keramik.

Putra (2017) melakukan penelitian dengan menggunakan metode pendekatan numerik

untuk menganalisis pengaruh geometri dan kecepatan fluida terhadap distribusi temperatur

tube heat exchanger. Peneliti memvariasikan diameter tube, dan kecepatan fluida 1,6 m/s,

3,6 m/s, dan 5,6 m/s. Dan hasil yang didapatkan , nilai performa terbaik ada pada tube

diameter 0,5 in serta kecepatan fluida 1,6 m/s dengan hasil temperatur air keluar 74,5 C, laju

perpindahan panas sebesar 13,3 Watt, NTU sebesar 1,36 serta daya pompa yang dibutuhkan

untuk mensirkulasikan fluida di dalam sistem sebesar 4,7 Watt.

2.2 Media Berpori (Porous Media)

Menurut Nield dan Bejan (1999), porous medium adalah sebuah benda padat yang

memiliki ruang kosong yang saling berhubungan, dimana dapat diisi satu atau lebih fluida.

jjj

6

Media berpori disebut juga suatu fasa padat kontinyu yang memiliki ruang kosong yang

banyak, atau pori-pori di dalamnya. Ciri khas dari media berpori dapat diilustrasikan pada

Gambar 2.1 di bawah. Media berpori (porous media) adalah suatu media padat yang di

dalamnya mengandung ruang kosong (pori) baik yang saling berhubungan maupun tidak

terhubung. Letaknya tersebar di dalamnya baik beraturan maupun tidak beraturan (acak).

Pori-pori ini mungkin bisa berisi berbagai fluida seperti udara, air, minyak dan lain-lain. Jika

pori-pori tersebut mewakili suatu bagian tertentu dari sebagian besar volume yang saling

berhubungan, maka jaringan tersebut mampu mengalirkan fluida.

Gambar 2.1 Ilustrasi porous media

Sumber : Hans T. Aichlmayr (1999,p.1)

Berbagai contoh porous media dimana memegang peran penting yang dibutuhkan

dalam suatu teknologi yaitu :

1. Dalam Soil Science : media berpori (tanah) berfungsi mengangkut air dan

mengandung nutrisi yang berguna untuk tanaman.

2. Dalam Hidrologi : media berpori adalah bantalan air (water bearing) dan lapisan

penyegelan (sealing layer).

3. Dalam Teknik Kimia : media berpori diterapkan sebagai filter atau catalyst bed.

4. Dalam Teknik Perminyakan : media berpori (batuan reservoir) berfungsi menyimpan

minyak mentah dan gas alam.

7

Gambar 2.2 Porous media dalam aplikasi teknik

Sumber : Hans T. Aichlmayr (1999,p.2)

2.3 Lapisan Batas

Lapisan batas pertama kali diperkenalkan oleh Ludwig Prandtl pada tahun 1904 saat

berlangsungnya Ther Third International Mathemathics Congress (kongres matematika

internasional ketiga) di Jerman. Sedangkan definisi dari lapisan batas itu sendiri yaitu daerah

aliran yang tipis di dekat permukaan dimana aliran diperlambat oleh pengaruh gesekan

antara permukaan dengan aliran. Pengaruh gesekan dinyatakan oleh tegangan geser (shear

stress ,τ) tersebut disebabkan adanya velocity gradient yang sangat besar. Sedangkan

velocity gradient muncul akibat adanya kondisi tidak slip (no-slip condition) dimana

kecepatan fluida tepat di atas permukaan adalah nol. Dengan demikian tegangan geser

mencapai harga maksimumnya pada permukaan dan semakin menjauhnya jarak dari

permukaan maka velocity gradient akan semakin mengecil sehingga pengaruh tegangan

geser dapat diabaikan.

Gambar 2.3 Lapisan batas kecepatan pada plat datar

Sumber : Incropera, Frank P dan DeWitt, David P. (2011,p.389)

8

Jarak dari permukaan hingga suatu tempat di dalam medan aliran dimana pengaruh

tegangan geser dapat diabaikan didefinisikan sebagai tebalan lapisan batas (boundary layer

thickness), yang dilambangkan oleh δ. Posisi dimana efek tegangan geser dapat diabaikan

dinyatakan oleh kondisi kecepatan alirannya yaitu telah mencapai 0,99.ue , dimana ue adalah

kecepatan aliran di bagian terluar dari lapisan batas dimana efek viskos sudah tidak

berpengaruh lagi.

2.4 Perpindahan Panas

Perpindahan panas atau heat transfer adalah ilmu yang mempelajari perpindahan energi

yang terjadi, dimana energi yang berpindah tersebut dinamakan kalor atau panas. Ilmu

perpindahan panas diperlukan untuk menganalisa proses perpindahan panas dari suatu benda

lain atau dari suatu bagian benda ke bagian benda lainnya. Pada dasarnya perpindahan panas

terjadi akibat adanya ketidakseimbangan atau adanya perbedaan temperatur termal. Panas

akan berpindah dari medium yang bertemperatur lebih tinggi ke medium yang temperaturnya

lebih rendah. Perpindahan panas ini berlangsung terus sampai ada kesetimbangan temperatur

diantara kedua medium tersebut.

2.4.1 Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan panas konduksi adalah merupakan perpindahan panas yang mengalir dari

daerah bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah dalam satu medium (padat, cair,

atau gas), atau diantara medium – medium yang bersinggungan secara langsung. Untuk

kondisi perpindahan panas keadaan steady melalui dinding datar satu dimensi seperti yang

ditunjukkan pada gambar 2.4 :

Gambar 2.4 Perpindahan panas pada dinding datar satu dimensi


9

Hubungan dasar untuk perpindahan panas dengan cara konduksi disebut hukum

fourier’s. Menurut Holman, 2010 : halaman 2 dapat dihitung menggunakan persamaan

matematika sebagai berikut :

q = -k . A [𝑑𝑇

𝑑𝑥] ....................................................................................... (2-1)

dengan :

q = laju perpindahan panas (W)

k = konduktivitas bahan (W/m.k)

A = luas permukaan perpindahan panas (m2)

𝑑𝑇

𝑑𝑥 = gradien suhu pada penampang (K/m)

Tanda minus (-) diselipkan agar memenuhi hukum kedua termodinamika, yaitu bahwa

kalor berpindah dari media bertemperatur tinggi ke media yang bertemperatur lebih rendah.

Seperti yang ditunjukkan pada gambar 2. Diatas, bahwa kalor berpindah dari T1 menuju T2

karena T2 temperaturnya lebih rendah dibandingkan T1. Jika dilihat dari persamaan di atas,

𝑑𝑇 adalah selisih antara T2 dan T1 sehingga hasil yang didapat menjadi minus (-). Agar

memperoleh hasil yang positif (+) pada hasil akhir perhitungan oleh karena itu ditambahkan

tanda minus (-), sehingga tanda positif tersebut menunjukkan adanya kalor yang berpindah

dari temperatur tinggi ke temperatur lebih rendah.

2.4.2 Perpindahan Panas Konveksi

Perpindahan panas konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi dari suatu

permukaan benda dengan fluida yang bergerak atau sebaliknya akibat adanya perbedaan

temperatur. Pertama panas akan mengalir dengan cara konduksi dari permukaan partikel

fluida yang berbatasan. Energi yang ditransfer dengan cara tersbut akan menaikkan suhu dan

energi dalam partikel fluida. Kemudian partikel fluida akan bergerak ke daerha yang bersuhu

lebih rendah di dalam fluida, dimana partikel – partikel ini akan bercampurdan

memindahkan sebagian energinya kepada partikel fluida lainnya. Semakin cepat gerakan

fluida, semakin besar pula nilai perpindahan panas konveksinya.

10

Gambar 2.5 Lapisan batas pada perpindahan panas konveksi


Laju perpindahan panas konveksi merupakan pengaplikasian Hukum Newton tentang

pendinginan. Menurut Holman, 2010 : halaman 10 didapat rumus sebagai berikut :

𝑞 = ℎ . 𝐴. (𝑇𝑠 − 𝑇∞) .......................................................................................... (2-2)

dengan :

q = Laju aliran panas konveksi (Watt)

h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 0C)

A = Luas penampang (m2)

(Ts - T∞) = Beda temperatur permukaan dengan aliran bebas fluida (0C)

Ts = tempeparatur permukaan (0C)

T∞ = temperatur fluida (0C)

Perpindahan panas konveksi dapat diklasifikasikan menurut aliran fluidanya, yaitu

konveksi paksa (forced convection) dan konveksi alami (natural convection). Konveksi

paksa terjadi apabila aliran fluida disebabkan oleh gaya luar, seperti : kipas angin atau fan.

Sebaliknya untuk konveksi alami aliran fluidanya disebabkan oleh gaya apungnya, dimana

timbul dari perbedaan density yang disebabkan oleh variasi temperatur pada fluida.

11

Gambar 2.6 Contoh konveksi paksa dan konveksi alami

Sumber : Cengel, Boles (2004,p.94)

2.5 Konduktivitas Termal

Untuk menggunakan Hukum Fourier, konduktivitas termal suatu material harus

diketahui. Properti ini yang disebut sebagai properti yang menghubungkan dan memberikan

indikasi tingkat dimana energi ditransfer oleh difusi. Menurut Holman, 2010 : halaman 1

mengenai hukum fourier, konduktivitas termal dapat diketahui dengan rumus sebagai

berikut :

𝑘 = −q

A[𝑑𝑇

𝑑𝑥] ...................................................................................................... (2-3)

dengan :

k = konduktivitas termal (W/m.k)

q = laju perpindahan panas konduksi (W)

A = luas permukaan perpindahan panas (m2)

𝑑𝑇

𝑑𝑥 = gradien suhu pada penampang (K/m)

Konduktivitas termal merupakan kemampuan suatu benda untuk menghantarkan panas,

yang merupakan salah satu parameter yang diperlukan dalam sifat karakteristik suatu

material. Konduktivitas termal juga dapat menunjukkan seberapa cepat kalor mengalir

dalam bahan tertentu. Medium yang mempunyai konduktivitas termal (k) yang besar

menunjukkan bahwa medium tersebut merupakan penghantar kalor yang baik. Sebaliknya,

medium yang memiliki konduktivitas termal yang kecil merupakan penghantar kalor yang

buruk. Hal ini dikarenakan beberapa faktor, diantaranya : temperatur, kandungan uap air,

berat jenis. Pada faktor temperatur konduktivitas termal berbanding lurus seiring kenaikan

temperatur. Jadi semakin tinggi temperatur maka semakin besar pula nilai konduktivitas

termal suatu medium. Pada faktor kedua yaitu kandungan uap air.

12

Tabel 2.1

Konduktivitas Termal Berbagai Bahan

Sumber : Arismunandar Wiranto (1995,p.45)

Konduktivitas termal akan meningkat seiring bertambahnya kandungan kelembaman.

Apabila nilai konduktivitas termal (k) besar maka merupakan pengalir yang baik, namun

apabila nilai konduktivitas termal (k) kecil maka bukan pengalir yg baik. Faktor ketiga

adalah berat jenis, nilai konduktivitas termal akan berubah bila berat jenisnya berubah.

Semakin tinggi berat jenis maka semakin baik konduktivitas termalnya. Tetapan

kesebandingan (k) adalah sifat fisik bahan atau material yang disebut konduktivitas

termal.Pada umumnya konduktivitas termal sangat tergantung pada suhu.

Gambar 2.7 Range Konduktivitas Termal Berbagai Material pada Suhu dan Tekanan

Normal

Sumber : Incropera, Frank P dan DeWitt, David P., (2011,p.71)

13

2.6 Konduktivitas Termal Efektif

Fluida yang memasuki porous media akan menyentuh media berpori dan akan mengisi

pori – pori yang ada pada media berpori. Porous media dan fluida akan saling bergesekan

atau bersinggungan. Oleh karena itu, porous media memiliki perubahan konduktivitas

termal efektif selama kondensasi berlangsung. Konduktivitas termal efektif tersebut adalah

konduktivitas termal efektif lapisan porous media dengan void terisi fluida. Menurut Eko

Siswanto, 2013 : halaman 39 nilai konduktivitas termal efektif porous media dalam kondisi

fluid-void keff didefinisikan sebagai berikut:

Keff= [(1- ε2/3)+{ε2/3 / [(1- ε1/3) + ε1/3 (kp/ka)]}] kp ................................................... (2-4)

dengan :

Keff : Konduktivitas termal efektif

ε : porositas porous media

kp : konduktivitas termal partikel porous media

ka : konduktivitas termal fluid

2.7 Gradien Temperatur

Gradien temperatur merupakan proses pembagian temperatur melalui medium yang

memiliki node node sehingga dapat diketahui berapa besar gradien temperatur pada tiap

node yang telah ditentukan. Dalam penelitian ini gradien temperatur digambarkan dengan

warna.

Gradien temperatur di medium seperti dinding bisa ditentukan dengan menyelesaikan

persamaan panas dengan kondisi batas yang sesuai. Untuk kondisi steady state dengan

sumber yang tidak didistribusikan atau energi yang terbuang melalui dinding.

Gambar 2.8 Hubungan antara Sistem Koordinat, Arah Aliran Panas, dan Gradien

Temperatur

Sumber : Incropera, Frank P dan DeWitt, David P. (2011:69)

14

2.8 Reynolds Number

Dalam mekanika fluida, bilangan Reynolds adalah rasio antara gaya inersia (vsp)

terhadap gaya viskos (µ/L) yang menggambarkan hubungan kedua gaya tersebut dengan

suatu kondisi aliran tertentu. Reynold Number ini diambil dari nama seorang ilmuwan yang

bernama Osborne Reynolds (1842-1912) yang diusulkan pada tahun 1883. Pada

incompressible flow dalam pipa kondisi aliran laminer atau turbulen ditentukan oleh

besarnya bilangan Reynolds. Menurut Koestoer, 2002 : halaman 2 bilangan Reynolds dapat

dituliskan sebagai berikut :

DvDv ...Re ................................................................................................... (2-5)

dengan :

v = kecepatan rata-rata aliran dalam pipa [m/s]

D = diameter pipa [m]

= viskositas kinematik [m2/s]

µ = viskositas absolut/dinamik [N.s/ m2]

ρ = densitas [kg/m3]

Bilangan Reynolds merupakan salah satu bilangan tak berdimensi yang berfungsi

untuk menentukan bentuk aliran , apakah aliran suatu fluida termasuk dalam suatu fluida

laminar atau aliran turbulen.

2.9 Prandtl Number

Prandtl didefinisikan sebagai rasio momentum difusivitas untuk difusivitas termal.

Menurut Koestoer, 2002 : halaman 11 prandtl number dapat dihitung menggunakan rumus

berikut :

Pr =𝑉

𝛼 .................................................................................................................... (2-6)

dengan:

Pr = Prandtl number

v = Difusivitas momentum (viskositas kinematik) (m2/s)

α = Difusivitas termal (m2/s)

Apabila nilai Prandtl, Pr < 1, berarti mendominasi difusivitas termal. Sedangkan apabila

nilai Pr > 1, difusivitas momentum mendominasi perilaku. Dalam masalah perpindahan

15

panas, jumlah Prandtl mengontrol ketebalan relatif dari momentum dan lapisan batas termal.

Ketika Pr kecil, itu berarti bahwa panas berdifusi cepat dibandingkan kecepatan

(momentum).

2.10 Grashof Number

Grashof number (Gr) adalah jumlah berdimensi dalam dinamika fluida dan perpindahan

panas yang mendekati rasio daya apung untuk gaya viskositas yang bekerja pada fluida. Ini

sering muncul dalam studi situasi yang melibatkan konveksi alami. Menurut Koestoer, 2002

: halaman 86 perhitungan rejim perpindahan panas konveksi pada chamber dapat dihitung

dengan rumus Grashof number yaitu:

𝐺𝑟 =gβ(T1−T2)𝑑

𝑣2 .................................................................................................. (2-7)

dengan:

Gr = Grashof Number

G = Gravitasi

β = Koefisien ekspansi termal

T1 = Temperatur permukaan

T2 = Temperatur ambient

D = Diameter duck

V = Viskositas kinematik

2.11 Software FEA (Finite Element Analysis)

Software FEA (Finite Element Analysis) merupakan software yang berbasis elemen

hingga yang mempunyai kemampuan untuk mendiskritisasi model dengan sangat halus.

Mampu bekerja dengan elemen lebih banyak dan menghasilkan output dengan ketelitian

yang tinggi. Software FEA (Finite Element Analysis) dapat digunakan untuk berbagai

analisis antara lain:, analisis thermal, analisis struktural, analisis fluida.

• Beberapa hal yang dapat dilakukan dengan ansys workbench:

1. Model yang digambar dari beberapa software CAD dapat langsung diimport ke

Ansys Workbench.

2. Model yang telah dibuat dapat dikondisikan sesuai dengan jenis simulasi yang

menggunakan Design Modeler.

3. Simulasi FEA dapat dilakukan dengan baik.

4. Pengimplementasian design yang dipilih dapat dilakukan untuk kondisi sebenarnya.

16

• Project dan Database dalam Workbench

Project Ansys Workbench digunakan untuk mengatur langkah kerja yang dilakukan

oleh user melalui beberapa modul yang ada seperti design modeler, simulation, FE

Modeler, dan Design Xplore. Project ini digunakan untuk mengatur data yang

dibutuhkan menjadi lebih lengkap dalam proses CAE. Misalnya, jika user memasukan

sebuah link ke project maka segala sesuatu yang berhubungan dengan geometri link

tersebut akan dicatat dalam project page. Ketika project page ini dibuat maka secara

otomatis akan tercipta juga file database dalam workbench.dalam file database ini akan

tercatat definisi dari project dan juga hubungan dengan beberapa modul database yang

lain. Berikut ini adalah beberapa macam ekstensi file yang terdapat dalam database

workbench:

1. Design Modeler Database File = .agdb

2. CFX-Mesh Database File = .cmdb

3. BladeGen Database File = .bgd

4. Simulation Database File = .dsdb

5. Meshing Database File = .cmdb

6. Engineering Data Database File = .eddb

7. FE Modeler Database File = .fedb

8. Workbench Project Database File = .wbdb

9. Ansys Autodyn Database File = .dxdb

2.12 Langkah – Langkah Simulasi pada Software Ansys

Proses ini dilakukan menggunakan Software berbasis FEA. Langkah – langkah proses

simulasi dibagi menjadi 3 tahap, yaitu :

1. Pre processing

2. Solution

3. Post processing

2.12.1 Pre – processing

Pada tahap preprocessing akan dilakukan pemodelan meliputi :

1. Import geometri porous media chamber yang dimodelkan dari software Inventor. File

tersebut dalam bentuk file type (.igs)

2. Memasukkan material properties untuk porous media, dinding, plat, dan saturated

vapor.

17

3. Melakukan meshing pada semua bagian body porous media.

2.12.2 Solution

Pada tahap ini mendefinisikan jenis hasil yang akan ditampilkan yang mengacu kondisi

batas sebelumnya.

2.12.3 Postprocessing

Pada tahap ini dilakukan analisis hasil yang telah dilakukan ke dalam grafik maupun

tabel. Pada penelitian ini dilakukan analisis yaitu gradien temperatur dan perpindahan panas.

Kemudian hasil yang muncul akan digunakan pada simulasi berikutnya untuk mengetahui

optimasi perpindahan panas yang terjadi.

2.13 Hipotesis

Berdasarkan tinjauan pustaka maka dapat diambil hipotesis bahwa semakin tinggi nilai

konduktivitas termal suatu material, maka semakin tinggi juga laju perpindahan panas yang

terjadi, namun distribusi temperatur tiap titik rendah. Semakin tinggi nilai kecepatan inlet

yang masuk pada media berpori , maka semakin tinggi nilai laju perpindahan panas dan

distribusi temperatur tiap titik pada porous media.

19

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Metode Penelitian

Penelitian ini dilakukan secara numerik dengan menggunakan software berbasis

FEA (Finite Element Analysis), sehingga dapat diketahui pengaruh efek konduktivitas

termal efektif material dan variasi kecepatan inlet pada porous media. Diharapkan hasil dari

simulasi ini dapat memberikan gambaran hasil perpindahan panas yang nantinya dapat

dijadikan sumber referensi untuk melaksanakan pengujian eksperimental. Di samping itu

juga dilakukan studi literatur seperti buku referensi, jurnal penelitian maupun internet untuk

memperoleh informasi tambahan mengenai masalah perpindahan panas, cara pengujian,

serta sifat-sifat material.

3.2 Rancangan Penelitian

Dalam penelitian ini akan dilakukan simulasi tentang aliran fluida udara panas pada

porous media. Adapun instalasi percobaan porous media yang digunakan dapat dilihat pada

gambar 3.1 berikut :

Gambar 3.1 Skema simulasi 3D

20

Keterangan skema:

Gambar 3.2 Skema simulasi 2D

Keterangan skema:

Dinding = Kaca

Porous media = Tembaga atau Aluminium

Plat = Tembaga

Temperatur udara masuk (Tinlet) = 373 K

Temperatur dinding (Tambient dinding) = 300 K

Temperatur plat (Tambient plat bawah) = 283 K

Kecepatan udara masuk (Vin) = 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s dan 4 m/s

Porositas porous media = 38%

3.3 Variabel Penelitian

Pada penelitian ini variabel yang digunakan adalah :

a) Variabel Bebas

Variabel bebas adalah variabel yang ditentukan oleh seorang peneliti dan

besarnya tidak dipengaruhi oleh variabel lainnya. Variabel bebas pada penelitian

ini adalah konduktivitas termal material dan kecepatan inlet fluida yang masuk

pada porous media. Material yang akan divariasikan adalah material porous

media tembaga dan aluminium. Variasi inlet yang divariasikan adalah 1 m/s,

2m/s, 3m/s, dan 4m/s.

b) Variabel Terikat

Variabel terikat adalah variabel yang besarnya dipengaruhi oleh variabel

bebas yang telah ditentukan di atas. Variabel terikat yang digunakan dalam

penelitian ini adalah besarnya perpindahan panas pada porous media.

c) Variabel Kontrol

Variabel kontrol adalah variabel yang nilainya ditetapkan di awal dan dijaga

konstan selama proses penelitian. Variabel kontrol yang digunakan dalam

penelitian ini adalah :

21

• Tingkat porositas material yang digunakan untuk porous media yaitu 38 %

• Temperatur udara pada inlet 373 K

• Temperatur ambient dari dinding 300 K

• Temperatur ambient dari plat 283 K

• Dimensi dari porous media

• Tekanan udara panas yang digunakan 1 atm

• Persamaan Navier Stoke : kontinuitas, momentum, energi

3.4 Tempat dan Waktu Penelitian

Pada penelitian ini dilaksanakan di Studio Perancangan dan Rekayasa Sistem (SPRS)

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya dengan spesifikasi

komputer yang digunakan sebagai berikut :

• CPU (Processor) : Intel ® Core ™ i7-3770 CPU @ 3,30GHz(4 CPU’s),

• RAM : 16,0 GB

• Operating system : Windows 10 Pro 64-bit

Sedangkan waktu penelitian adalah Desember 2016 – Selesai.

3.5 Prosedur Penelitian

Pada penelitian ini peneliti menganalisa pengaruh konduktivitas termal material

dan variasi kecepatan inlet pada porous media. Adapun langkah – langkah dalam

penelitian ini adalah :

1. Melakukan permodelan porous media dengan membuat bentuk dengan ukuran

yang ditentukan. Pada tahap pembuatan geometri porous media, bisa dilakukan

di ANSYS secara langsung ataupun dengan bantuan software lain seperti

Inventor, Solidworks maupun software lainnya. Dalam penelitian ini, digunakan

bantuan software Inventor dalam pembuatan geometri.

22

Gambar 3.3 Geometri porous media

2. Melakukan Meshing, yaitu pembagian geometri yang menghasilkan node – node

dari elemen – elemen yang dipergunakan dalam perhitungan komputasi secara

elemen hingga. Pembagian geometri menjadi elemen – elemen yang semakin

kecil maka persamaan yang harus diselesaikan oleh software akan semakin besar

sehingga hasil yang didapatkan akan semakin akurat namun beban komputer

akan semakin bear. Hal ini disebabkan node yang dihasilkan dari elemen yang

semakin kecil sangat banyak.

Gambar 3.4 Proses meshing

23

3. Memberikan penamaan area tiap-tiap domain.

Gambar 3.5 Penamaan area

4. Melakukan setting boundary condition yaitu menentukan kondisi batas pada

porous media seperti jenis material, jenis fluida, kecepatan, temperatur inlet,

temperatur dinding, temperatur plat, porositas dan persamaan navier stoke.

5. Melakukan processing solution, yaitu melakukan proses solving (penyelesaian)

yang dikerjakan oleh ANSYS.

6. Proses pembacaan hasil (general post processing) dengan menggunakan contour

plot akan tampak distribusi temperatur atau variabel lainnya pada model (porous

media) sehingga mudah dalam menginterpretasikan informasi yang disajikan.

3.6 Prosedur Pengambilan Data

Metode pengambilan data yang akan dilakukan oleh peneliti yaitu dengan cara membagi

gradien temperatur dibagi menjadi 4 section, yang pertama yaitu section 1 terletak mendekati

dinding atas porous media, kemudian section 2 terletak sejajar dengan inlet fluida, section 3

terletak sejajar dengan outlet fluida, dan yang terakhir section 4 terletak pada dinding bawah

porous media. Tujuan dibagi beberapa section adalah untuk mengetahui gradien temperatur

tiap titik pada porous media. Selain dibagi menjadi 4 section, juga dilakukan pembagian tiap

24

Section 2 : sejajar dengan inlet

Section 3 : sejajar dengan outlet

Section 4 : dinding bawah porous media

10 mm dimulai dari 10 mm dari lubang inlet bagian dalam porous media searah sumbu x

sampai 23 titik. Berikut gambaran pembagian porous media yang akan diambil datanya :

Gambar 3.6 Pengambilan data porous media

Cara pengambilan data :

1. Membuat penampang (x,y) sebanyak 23 titik tiap 10 mm dari inlet porous media.

2. Tiap penampang akan diambil 4 data temperatur sesuai section yang telah ditentukan.

3. Dibuatlah penampang (x,z) sebanyak 4 untuk memastikan titik temperatur yang akan

diambil sama semua walaupun beda variasi.

Gambar 3.7 Pengambilan data porous media tampak depan

4. Letak titik yang akan diambil tepat berada di tengah penampang (y,z) dari porous

media.

5. Begitu pula cara pengambilan data seterusnya sampai pada penampang terakhir

(penampang 23).

Section 1 : dinding atas porous media

25

3.7 Diagram Alir Penelitian

Alur pemikiran yang dilakukan dalam penelitian ini dapat digambarkan seperti

gambar berikut :

Mulai

Studi Literatur

Input data :

-Gambar permodelan alat

-Properties material yang digunakan

-Penentuan dimensi geometri yang

digunakan sesuai dengan ketentuan

Meshing all body

Verifikasi hasil

meshing merata ?

Penentuan

-Material dan volume porous media

-Temperatur dinding

-Kecepatan dan temperatur fluida inlet

-Tekanan pada outlet

Cek Status

Solving

Berhasil?

Analisa dan

Pembahasan

Kesimpulan

selesai

Y

T

T

Y

T

Y

Gambar 3.8 : Diagram alir penelitian

27

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil Simulasi Komputer

Setelah dilakukan penelitian secara numerik dengan menggunakan simulasi komputer,

didapatkan hasil data gradien temperatur yang ditunjukkan oleh kontur warna dan nilai

temperatur tiap titik yang ditampilkan dalam tabel.

4.1.1 Plot Distribusi Temperatur pada Variasi Kecepatan

Gambar 4.1 – 4.4 memperlihatkan hasil plot distribusi temperatur pada variasi kecepatan

1, 2, 3 dan 4 m/s yang ditunjukkan dengan kontur warna.

Aluminium

Tembaga

Gambar 4.1 Gradien temperatur porous media variasi kecepatan 1 m/s

Aluminium

Tembaga


28

Aluminium

Tembaga


Aluminium

Tembaga


4.1.2 Visualisasi Distribusi Perpindahan Panas Tampak Depan

Pada pembahasan ini diambil contoh penampang dengan jarak 20 mm, 130 mm dan 240

mm dari inlet agar dapat diketahui distribusi temperatur yang terjadi pada awal udara panas

masuk, kemudian pada tengah porous media, dan pada akhir porous media pada kecepatan

1 m/s.

29

(a) (b)

Gambar 4.5 Visualisasi porous media tampak depan dengan variasi kecepatan 4 m/s pada

material (a) aluminium, (b) tembaga di jarak 20 mm dari inlet

(a) (b)



(a) (b)



30

Pada jarak 20 mm dari inlet dengan variasi kecepatan yang sama, terlihat jelas

perbedaan antara material aluminium dan material tembaga. Pada porous media dengan

material aluminium, terdapat 5 warna kontur dan yang mendominasi adalah hijau muda

( ) dengan temperatur 337 K- 328 K. Di sekitar inlet terdapat 5 kontur warna yang

berdempetan yang menandakan bahwa tiap section pada porous media memiliki temperatur

yang berbeda-beda. Sedangkan pada material tembaga, terdapat 5 kontur warna yang

berbeda. Perbedaanya adalah pada material tembaga ini terdapat warna hijau ( ) dengan

temperatur 328K- 319K yang hampir mendominasi porous media. Dapat disimpulkan bahwa

pada material tembaga lebih mampu menghasilkan perpindahan panas yang lebih baik

karena mampu menghasilkan udara panas yang lebih rendah dibandingkan aluminium.

31

4.1.3 Hasil Data Temperatur Tiap Titik

Dari hasil ditribusi temperatur dapat diukur nilai temperatur pada 23 titik di 4 section.

Tabel 4.1

Data Hasil Simulasi Variasi 1 m/s

No Jarak

(mm)

Distribusi Temperatur (K)

Section 1 Section 2 Section 3 Section 4

Al Cu Al Cu Al Cu Al Cu

1 20 327,55 325,35 357,49 357,06 318,72 315,44 318,24 315,43

2 30 334,27 332,2 342,84 340,34 318,27 315,5 318,21 315,44

3 40 333,96 331,91 330,7 329,06 318,5 315,74 318,24 315,47

4 50 331,83 331,18 328,11 325,73 318,59 315,76 318,23 315,49

5 60 329,36 327,06 325,33 322,89 318,73 315,8 318,13 315,39

6 70 326,33 323,78 324,17 321,62 318,51 315,62 318,1 315,39

7 80 324,63 322,14 322,75 320,2 318,18 315,26 318,03 315,33

8 90 322,84 320,28 321,25 318,67 317,88 315,04 317,96 315,26

9 100 321,42 318,82 320,09 317,52 317,86 315,07 317,94 315,25

10 110 320,19 317,56 319,5 316,87 317,62 314,87 317,86 315,18

11 120 319,12 316,46 318,76 316,1 317,46 314,72 317,83 315,17

12 130 318,58 315,91 318,28 315,64 317,66 314,98 317,84 315,2

13 140 317,72 315,58 317,94 315,3 317,6 314,94 317,81 315,18

14 150 318,09 315,46 317,84 315,21 317,61 314,98 317,83 315,21

15 160 318,07 315,46 317,82 315,21 317,29 314,68 317,86 315,26

16 170 318,33 315,73 318,06 315,46 317,68 315,09 317,86 315,27

17 180 318,59 316,01 318,3 315,72 317,84 315,23 317,89 315,31

18 190 318,73 316,16 318,43 315,86 317,85 315,28 317,91 315,34

19 200 318,86 316,31 318,57 316,02 317,93 315,38 317,9 315,35

20 210 318,75 316,21 318,51 315,97 317,96 315,42 317,91 315,37

21 220 318,55 316,01 318,42 315,88 317,95 315,41 317,9 315,36

22 230 318,3 315,76 318,24 315,7 317,95 315,41 317,9 315,36

23 240 318,06 315,52 318,05 315,51 317,98 315,44 317,91 315,37

32

Tabel 4.2


No Jarak

(mm)




1 20 328,36 325,45 363,81 362,84 323,06 319,71 323,02 319,68

2 30 338,59 336,41 349,08 347,52 323,33 319,99 323,17 319,85

3 40 342,09 339,94 339,25 336,79 323,86 320,35 323,3 320

4 50 341,43 339,09 336,57 333,93 324,41 321,01 323,37 320,11

5 60 339,49 337,02 334,65 331,95 324,86 321,25 323,32 320,05

6 70 337 334,24 334,24 331,36 325,23 321,3 323,27 320,05

7 80 335,87 333,19 333,19 330,32 324,29 321,03 323,11 319,89

8 90 334,57 331,77 331,97 329,13 324,18 320,66 322,89 319,64

9 100 333,35 330,5 331,1 328,07 323,91 320,47 322,73 319,55

10 110 332,16 329,27 330,1 327,18 323,57 320 322,51 319,3

11 120 330,93 327,89 329,03 325,96 323,06 319,61 322,37 319,15

12 130 329,7 326,61 327,85 324,75 323,16 319,63 322,28 319,07

13 140 328,51 325,47 326,87 323,81 322,81 319,46 322,14 318,95

14 150 327,48 324,36 325,95 322,87 322,54 319,29 322,04 318,88

15 160 326,4 323,25 325,15 322,02 322 318,7 321,97 318,81

16 170 325,46 322,29 324,54 321,38 322,16 318,92 321,87 318,73

17 180 324,66 321,5 323,92 320,76 322,03 318,86 321,82 318,7

18 190 323,89 320,75 323,27 320,13 321,88 318,74 321,74 318,64

19 200 323,32 320,21 322,9 319,78 321,82 318,72 321,68 318,6

20 210 322,77 319,69 322,5 319,41 321,73 318,66 321,64 318,57

21 220 322,35 319,28 322,21 319,14 321,66 318,6 321,59 318,54

22 230 321,98 318,94 321,92 318,88 321,62 318,58 321,56 318,52

23 240 321,69 318,66 321,68 318,65 321,63 318,6 321,54 318,51

33

Tabel 4.3


No Jarak

(mm)




1 20 330,6 327,31 365,98 364,31 327,38 323,81 327,32 323,77

2 30 340,73 338,42 353,17 351,18 327,82 324,27 327,57 324,04

3 40 346,06 343,8 344,23 340,74 328,5 324,81 327,78 324,27

4 50 346,2 343,79 341,28 338,6 329,16 325,63 327,94 324,41

5 60 344,6 342,14 339,72 336,88 329,74 325,96 327,88 324,37

6 70 342,34 339,78 339,6 336,69 329,74 326,09 327,84 324,3

7 80 341,63 338,93 339,16 336,23 329,74 325,91 327,64 324,07

8 90 340,64 337,88 338,41 335,37 329,38 325,93 327,25 323,78

9 100 339,83 336,97 337,81 334,71 328,87 325,49 327,02 323,56

10 110 338,94 336,05 337,19 334,23 328,36 324,96 326,66 323,21

11 120 338,01 335,09 336,14 333,01 328,06 324,48 326,41 322,91

12 130 337,19 334,15 335,2 331,99 328,19 324,41 326,25 322,8

13 140 336,22 333,11 334,21 331,01 327,97 324,1 325,9 322,51

14 150 335,31 332,15 333,26 330,02 327,42 323,74 325,74 322,25

15 160 334,32 331,1 332,35 329,01 326,64 323,12 325,51 322,09

16 170 333,21 329,87 331,47 328,1 326,63 323,03 325,25 321,85

17 180 331,91 328,54 330,45 327,12 326,18 322,77 325,11 321,75

18 190 330,35 326,98 329,14 325,72 325,71 322,26 324,89 321,53

19 200 328,8 325,43 327,92 324,52 325,29 321,86 324,67 321,35

20 210 327,19 323,85 326,69 323,34 324,88 321,52 324,5 321,2

21 220 325,91 322,59 325,66 322,35 324,55 321,27 324,34 321,06

22 230 324,95 321,68 324,88 321,6 324,37 321,09 324,23 320,97

23 240 324,35 321,11 324,34 321,1 324,3 321,05 324,18 320,93

34

Tabel 4.4


No Jarak

(mm)




1 20 333,38 329,65 366,93 366,55 331,62 327,88 331,55 327,8

2 30 343,5 340,74 356,43 354,3 332,13 328,44 331,89 328,16

3 40 348,91 346,67 347 345,08 332,76 329,18 332,12 328,42

4 50 349,45 347,22 345,09 342,11 333,4 329,96 332,31 328,63

5 60 348,16 345,68 343,51 340,86 333,86 330,96 332,32 328,6

6 70 346,27 343,66 343,76 340,86 334,07 331,1 332,22 328,5

7 80 345,67 343,09 343,46 340,66 334,19 331,03 331,96 328,27

8 90 344,95 342,24 342,97 340,12 333,6 330,67 331,58 327,93

9 100 344,34 341,61 342,51 339,71 333,62 330,45 331,3 327,63

10 110 343,77 340,91 342,21 339,28 332,76 329,96 330,81 327,1

11 120 343,05 340,15 341,46 338,42 332,42 329,52 330,51 326,82

12 130 342,4 339,48 340,58 337,5 332,59 329,27 330,11 326,5

13 140 341,64 338,69 339,76 336,71 332,07 328,8 329,54 326,06

14 150 340,87 337,87 338,9 335,83 331,78 328,6 329,23 325,76

15 160 340 336,99 338,03 334,85 330,88 327,88 328,87 325,47

16 170 339,13 336,14 337,13 334,08 330,71 327,52 328,47 325,17

17 180 337,73 334,94 336,07 333,09 329,99 327,19 328,23 325,01

18 190 335,84 333,3 334,3 331,62 329,05 326,35 327,78 324,62

19 200 333,7 331,4 332,46 329,96 328,21 325,6 327,32 324,22

20 210 331,26 329,03 330,54 328,16 327,54 324,8 326,93 323,87

21 220 329,13 326,76 328,72 326,31 326,98 324,17 326,62 323,57

22 230 327,52 324,88 327,4 324,75 326,61 323,72 326,42 323,35

23 240 326,55 323,63 326,53 323,61 326,46 323,52 326,31 323,24

4.2 Pembahasan

Pada penelitian ini pembahasan difokuskan pada distribusi temperatur dari penampang

dengan panjang 240 mm, distribusi temperatur secara melintang yang di ambil pada empat

section yaitu section 1 yang terdapat pada dinding atas porous media, section 2 sejajar pada

inlet porous media dan section 3 sejajar pada outlet porous media, section 4 terdapat pada

dinding bawah porous media dan distribusi perpindahan panas pada porous media dengan

menggunakan material aluminium.

35

4.2.1 Pengaruh Konduktifitas Termal Efektif terhadap Perpindahan Panas

Konduktifitas termal tiap material tentu berbeda-beda dan tentu berpengaruh pada laju

perpindahan panas yang dihasilkan pada porous media. Bertemunya udara panas dengan

suatu material tentu akan menghasilkan konduktivitas mateial yang berbeda juga. Oleh

karena itu akan dibahas mengenai pengaruh konduktivitas termal efektif material terhadap

laju perpindahan panas.

A. Distribusi Temperatur Tiap Titik

Dalam subbab kali ini akan membahas tentang pengaruh konduktifitas termal

efektif material terhadap temperatur dengan cara mengambil data tiap jarak 10 mm dari

inlet. Tujuannya adalah untuk mengetahui distribusi temperatur di tiap titik dan tiap

section.

Gambar 4.8 Grafik hubungan temperatur dengan jarak pada material Al

290

300

310

320

330

340

350

360

370

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Tem

per

atu

r (K

)

Jarak (mm)

section 1

section 2

section 3

section 4

36

Gambar 4.9 Grafik hubungan temperatur dengan jarak pada material Cu

Gambar 4.10 Grafik hubungan temperatur dengan jarak pada material Al dan Cu

Grafik di atas menjelaskan hubungan antara distribusi temperatur pada porous media

dengan jarak dari inlet ketika dialiri udara panas sebesar 373 K. Gambar 4.8 dan 4.9

menjelaskan tentang perilaku perpindahan panas yang terjadi pada porous media dengan

material Aluminium (Al) dan Tembaga (Cu). Tiap grafik membahas perilaku masing-masing

section yang telah dibagi. Dapat dilihat bahwa baik pada material aluminium maupun

tembaga memiliki kecenderungan yang sama, yang membedakan hanyalah temperaturnya.

290

300

310

320

330

340

350

360

370

380

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Tem

per

atu

r (K

)

Jarak (mm)

section 1

section 2

section 3

section 4

310

320

330

340

350

360

370

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Tem

per

atur

(K)

Jarak (mm)

Alumunium Tembaga

37

Oleh karena itu, akan dibahas dalam satu kesatuan dari grafik pada gambar 4.8 dan gambar

4.9 sehingga mudah untuk dipahami dan tidak berulang-ulang pembahasannya.

Terdapat perbedaan perilaku atau karakteristik temperatur pada tiap – tiap section. Pada

section 1, terlihat bahwa temperatur meningkat sampai titik maksimum yaitu pada jarak 40

mm kemudian temperatur akan menurun seiring jauhnya jarak dari inlet. Hal ini disebabkan

karena sampai jarak 30 mm, udara panas belum sepenuhnya menyentuh dinding atas porous

media. Ketika sudah menyentuh dinding atas porous media pada jarak 40 mm, lambat laun

temperatur akan mengalami penurunan. Hal ini disebabkan karena terjadi perpindahan panas

antara udara panas dengan porous media sehingga akhirnya ketika mendekati outlet

temperatur sudah menjadi rendah. Untuk section 2, terlihat bahwa di daerah ini, mempunyai

temperatur yang paling tinggi daripada daerah atau section lainnya. Pada jarak 20 mm ,

temperatur yang terlihat sudah merupakan temperatur tertinggi. Dari grafik pada section 2

terlihat bahwa temperatur akan menurun ketika semakin jauh jaraknya dari inlet. Hal ini

menandakan bahwa terjadi perpindahan panas antara udara panas dengan porous media

sehingga temperatur yang mendekati outlet akan semakin menurun. Kemudian untuk section

3 dan section 4, karakteristik temperatur yang terlihat hampir sama, yaitu cenderung konstan

tanpa ada perubahan temperatur. Hal ini terlihat juga pada Gambar 4.1 yang membahas

gradien temperatur tampak samping yang ditunjukkan dengan kontur warna. Pada daerah ini

suhu yang dihasilkan sudah konstan dan tidak mengalami perpindahan panas. Kontak yang

terjadi antara udara panas dan porous media lebih lama daripada variasi lainnya, karena

semakin cepat kecepatan fluida maka kontak yang terjadi juga cepat sehingga perpindahan

panas yang terjadi tidak maksimal.

Untuk Gambar 4.10 mengenai grafik hubungan temperatur dengan jarak pada material

aluminium dan tembaga, diambil sampel pada section 2 atau daerah yang sejajar dengan

inlet. Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa material tembaga pada porous media memiliki

nilai distribusi temperatur yang lebih rendah daripada material aluminium. Hal ini

dipengaruhi oleh nilai laju perpindahan panas yang terjadi pada material tersebut. Ketika

laju perpindahan panas suatu material bernilai besar, maka perpindahan panas yang terjadi

semakin baik. Laju perpindahan panas sendiri dipengaruhi berbanding lurus dengan nilai

konduktivitas termal efektif suatu material. Sedangkan nilai konduktivitas termal efektif

dipengaruhi oleh nilai konduktivitas termal material tersebut. Pada material tembaga nilai

konduktivitas termal efektif lebih tinggi daripada konduktivitas termal efektif pada material

aluminium yang menyebabkan udara panas yang mengalir pada porous media mampu

diserap lebih baik oleh material tembaga. Oleh karena kemampuan perpindahan panas yang

38

baik inilah nilai distribusi temperatur pada material tembaga lebih rendah dibandingkan

dengan material aluminium.

B. Laju Perpindahan Panas

Dalam pembahasan ini, distribusi perpindahan panas yang ingin diketahui, yaitu

distribusi perpindahan panas antara porous media pada section 2 dengan plat bawah. Di

bawah ini ditunjukkan distribusi perpindahan panas tersebut. Perhitungan perpindahan

panas pada porous media dapat dihitung dengan rumus perpindahan panas konduksi

yaitu

Q = - keff A dT/dx (Incropera ;1996:45)

39

Tabel 4.5

Data Hasil Laju Perpindahan Panas pada Porous Media Aluminium dan Tembaga

No Jarak

(mm)

Laju Perpindahan Panas (Watt)

Aluminium Tembaga

1 20 42,529 84,532

2 30 28,189 54,885

3 40 18,091 36,584

4 50 14,300 27,641

5 60 13,262 26,395

6 70 12,870 25,220

7 80 12,694 25,022

8 90 12,655 24,787

9 100 12,341 24,335

10 110 12,116 23,757

11 120 11,587 22,547

12 130 11,009 21,264

13 140 10,598 20,324

14 150 9,883 18,951

15 160 9,237 17,434

16 170 8,394 15,934

17 180 7,317 13,929

18 190 5,887 11,725

19 200 4,388 9,178

20 210 2,948 6,666

21 220 1,548 4,011

22 230 0,627 1,915

23 240 0,078 0,416

40

Gambar 4.11 Grafik Hubungan Jarak terhadap Laju Perpindahan Panas Material Aluminium

dan Tembaga

Gambar 4.11 menunjukkan grafik hubungan jarak terhadap laju perpindahan panas

pada porous media dengan material tembaga dan porous media dengan material

aluminium. Besarnya laju perpindahan panas yang ingin diketahui adalah antara porous

media pada section 2 dengan section 4. Pada grafik tersebut didapatkan bahwa laju

perpindahan panas pada porous media memiliki kecenderungan menurun seiring dengan

semakin jauhnya jarak dari inlet. Dapat dilihat juga bahwa nilai laju perpindahan panas

pada material tembaga lebih tinggi dibandingkan dengan material aluminium. Jika pada

jarak 20 mm material aluminium menghasilkan nilai laju perpindahan panas sebesar

42,53 Watt, sedangkan pada material tembaga nilai laju perpindahan panas yang

dihasilkan sebesar 84,53 Watt. Baik pada material tembaga maupun material aluminium

nilai laju perpindahan panas akan menurun seiring dengan semakin jauhnya jarak dari

inlet. Secara teoritis, nilai laju perpindahan panas salah satunya dipengaruhi oleh nilai

Keff yang merupakan nilai konduktivitas termal efektif material ketika dialiri fluida. Nilai

Keff pada material tembaga lebih tinggi daripada material aluminium. Sedangkan Nilai

Keff dipengaruhi oleh nilai konduktivitas termal material.

4.2.2 Pengaruh Variasi Kecepatan terhadap Perpindahan Panas

Kecepatan pada inlet yang bervariasi tentu berpengaruh pada temperatur yang

dihasilkan pada porous media. Hal ini disebabkan karena waktu kontak yang terjadi antara

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Laju

Per

pin

dah

an P

anas

(W

att)

Jarak (mm)

alumunium tembaga

41

udara panas dan porous media bergantung dari variasi kecepatan pada inlet. Berikut adalah

ditampilkan grafik pada Gambar 4.12 sampai 4.15 yang merupakan hubungan temperatur

dengan jarak dari inlet yang ditampilkan dalam 4 section atau daerah. Kemudian untuk

Gambar 4.16 merupakan grafik hubungan temperatur dengan jarak untuk berbagai variasi

kecepatan.

A. Pengaruh Kecepatan terhadap Distribusi Temperatur Tiap Titik

Dalam subbab kali ini akan membahas tentang pengaruh kecepatan terhadap

temperatur dengan cara mengambil data tiap jarak 10 mm dari inlet. Tujuannya adalah

untuk mengetahui distribusi temperatur di tiap titik dan tiap section.

Gambar 4.12 Grafik hubungan temperatur dengan jarak pada variasi 1 m/s

290

300

310

320

330

340

350

360

370

380

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Tem

per

atu

r (K

)

Jarak (mm)

section 1

section 2

section 3

section 4

42



290

300

310

320

330

340

350

360

370

380

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Tem

per

atu

r (K

)

Jarak (mm)

section 1

section 2

section 3

section 4

290

300

310

320

330

340

350

360

370

380

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Tem

per

atu

r (K

)

Jarak (mm)

section 1

section 2

section 3

section 4

43


Gambar 4.16 Grafik hubungan temperatur dengan jarak pada berbagai variasi kecepatan

Grafik di atas menjelaskan hubungan antara distribusi temperatur pada porous media

dengan jarak dari inlet ketika dialiri udara panas sebesar 373 K. Grafik 4.12 sampai 4.15

menjelaskan tentang perilaku perpindahan panas yang terjadi pada porous media dengan

material Aluminium (Al) dengan kecepatan yang berbeda-beda. Tiap grafik membahas

perilaku masing-masing section yang telah dibagi. Dapat dilihat bahwa pada semua

variasi kecepatan memiliki kecenderungan yang sama, yang membedakan hanyalah

temperaturnya. Oleh karena itu, akan dibahas dalam satu kesatuan dari grafik pada

290

300

310

320

330

340

350

360

370

380

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Tem

per

atu

r (K

)

Jarak (mm)

section 1

section 2

section 3

section 4

290

300

310

320

330

340

350

360

370

380

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Tem

per

atu

r (K

)

Jarak (mm)

Kec. 1 m/s Kec. 2 m/s Kec. 3 m/s Kec. 4 m/s

44

gambar 4.12 sampai gambar 4.15 sehingga mudah untuk dipahami dan tidak berulang-

ulang pembahasannya.

Terdapat perbedaan perilaku atau karakteristik temperatur pada tiap – tiap section.

Pada section 1, terlihat bahwa temperatur meningkat sampai titik maksimum yaitu pada

jarak 40 mm kemudian temperatur akan menurun seiring jauhnya jarak dari inlet. Hal ini

disebabkan karena sampai jarak 30 mm, udara panas belum sepenuhnya menyentuh

dinding atas porous media. Ketika sudah menyentuh dinding atas porous media pada

jarak 40 mm, lambat laun temperatur akan mengalami penurunan. Hal ini disebabkan

karena terjadi perpindahan panas antara udara panas dengan porous media sehingga

akhirnya ketika mendekati outlet temperatur sudah menjadi rendah. Untuk section 2,

terlihat bahwa di daerah ini, mempunyai temperatur yang paling tinggi daripada daerah

atau section lainnya. Pada jarak 20 mm , temperatur yang terlihat sudah merupakan

temperatur tertinggi. Dari grafik pada section 2 terlihat bahwa temperatur akan menurun

ketika semakin jauh jaraknya dari inlet. Hal ini menandakan bahwa terjadi perpindahan

panas antara udara panas dengan porous media sehingga temperatur yang mendekati

outlet akan semakin menurun. Kemudian untuk section 3 dan section 4, karakteristik

temperatur yang terlihat hampir sama, yaitu cenderung konstan tanpa ada perubahan

temperatur. Hal ini terlihat juga pada Gambar 4.1 yang membahas gradien temperatur

tampak samping yang ditunjukkan dengan kontur warna. Pada daerah ini suhu yang

dihasilkan sudah konstan dan tidak mengalami perpindahan panas. Kontak yang terjadi

antara udara panas dan porous media lebih lama daripada variasi lainnya, karena semakin

cepat kecepatan fluida maka kontak yang terjadi juga cepat sehingga perpindahan panas

yang terjadi tidak maksimal.

Untuk Gambar 4.16 mengenai grafik hubungan temperatur dengan jarak pada

berbagai variasi kecepatan, diambil sampel pada section 2 atau daerah yang sejajar

dengan inlet. Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa semakin tinggi nilai kecepatan inlet

yang masuk pada porous media, maka distribusi temperatur tiap titik juga semakin

tinggi. Begitu pula sebaliknya, semakin rendah variasi kecepatan, maka nilai distribusi

temperatur tiap titik juga ikut rendah. Dari semua titik tiap jarak nilai temperatur tertinggi

dihasilkan berurutan mulai variasi kecepatan 4 m/s, 3 m/s, 2m/s, dan 1 m/s. Hal ini

disebabkan karena kontak yang terjadi antara porous media dan udara panas pada variasi

kecepatan 4 m/s lebih cepat dari variasi lainnya, sehingga udara panas pada variasi ini

belum terdistribusi merata atau tidak berpindah pada porous media secara maksimal.

Sedangkan pada variasi kecepatan terendah yaitu pada 1 m/s, distribusi temperatur tiap

45

titik lebih rendah daripada variasi kecepatan lainnya. Hal ini disebabkan karena kontak

yang terjadi antara udara panas dengan porous media lebih lama sehingga

memungkinkan perpindahan panas terjadi secara maksimal yang menyebabkan

temperatur pada tiap titik lebih rendah.

B. Pengaruh Kecepatan terhadap Laju Perpindahan Panas

Dalam pembahasan ini, distribusi perpindahan panas yang ingin diketahui, yaitu

distribusi perpindahan panas antara porous media pada section 2 dengan plat bawah. Di

bawah ini ditunjukkan distribusi perpindahan panas tersebut. Perhitungan perpindahan

panas pada porous media dapat dihitung dengan rumus perpindahan panas konduksi

yaitu

Q = - keff A dT/dx (Incropera ;1996:45)

46

Tabel 4.6

Data Hasil Laju Perpindahan Panas pada Porous Media Al

No Jarak

(mm)

Laju Perpindahan Panas (Watt)

1 m/s 2 m/s 3 m/s 4 m/s

1 20 46,320 47,828 45,742 42,529

2 30 28,278 29,531 29,228 28,189

3 40 15,721 19,139 19,629 18,091

4 50 11,460 14,712 14,849 14,300

5 60 9,354 13,399 13,899 13,262

6 70 7,513 12,312 13,086 12,870

7 80 6,053 11,303 12,714 12,694

8 90 4,721 10,392 12,430 12,655

9 100 3,467 9,560 11,930 12,341

10 110 2,556 8,384 11,264 12,116

11 120 1,773 7,385 10,392 11,587

12 130 1,185 6,210 9,521 11,009

13 140 0,715 5,221 8,727 10,598

14 150 0,421 4,241 7,777 9,883

15 160 0,225 3,379 6,964 9,237

16 170 0,108 2,527 6,004 8,394

17 180 0,039 1,695 4,868 7,317

18 190 0,010 0,999 3,663 5,887

19 200 0,010 0,549 2,537 4,388

20 210 0,000 0,255 1,557 2,948

21 220 0,000 0,098 0,784 1,548

22 230 0,000 0,020 0,304 0,627

23 240 0,000 0,000 0,020 0,078

47

Gambar 4.17 Grafik Hubungan Jarak terhadap Laju Perpindahan Panas pada Material

Aluminium dengan Berbagai Variasi Kecepatan

Dari gambar 4.17 menunjukkan grafik hubungan jarak terhadap laju perpindahan

panas pada porous media aluminium dengan variasi kecepatan. Besarnya laju

perpindahan panas yang ingin diketahui adalah antara porous media pada section 2

dengan section 4. Pada grafik tersebut didapatkan bahwa laju perpindahan panas pada

porous media memiliki kecenderungan yang sama dengan grafik distribusi temperatur

pada section 2. Hal ini dikarenakan perhitungan laju perpindahan panas pada porous

media didapatkan dari selisih temperatur antara section 2 porous media dengan section

4 porous media.

Q = - keff A dT/dx

Pada grafik tersebut dapat dilihat bahwa laju perpindahan panas yang terjadi di dalam

porous media mengalami kecenderungan menurun seiring dengan semakin jauhnya jarak

dari inlet. Baik pada variasi 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s maupun 4 m/s nilai laju perpindahan

panas akan menurun seiring dengan semakin jauhnya jarak dari inlet dengan variasi

tertinggi mempunyai nilai laju perpindahan panas yang paling tinggi. Namun pada jarak

20 mm sampai 70 mm dari inlet, nilai laju perpindahan panas pada variasi tertinggi

berbanding terbalik. Hal ini disebabkan karena pada variasi yang tinggi, selisih

temperatur antara T2 (section 4) dengan T1 (section 2) pada jarak tersebut nilainya rendah.

0

10

20

30

40

50

60

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Laju

Per

pin

dah

an P

anas

(W

att)

Jarak (mm)

1 m/s 2 m/s 3 m/s 4 m/s

48

Selisih temperatur yang rendah ini dapat dijelaskan pada gambar 4.4 yang membahas

gradien temperatur porous media ketika dialiri udara panas. Dalam gambar tersebut

terlihat bahwa pada section 4 atau daerah yang mendekati plat masih terdapat temperatur

yang tinggi. Sedangkan pada Gambar 4.1 yaitu ketika pada kecepatan 1 m/s, temperatur

di section 4 atau daerah yang dekat dengan plat sudah tidak terdapat temperatur yang

tinggi, sehingga dT (selisih perbedaan temperatur) nya juga tinggi. Secara teoritis, rumus

laju perpindahan panas yang terjadi adalah seperti pada rumus di atas. Nilai laju

perpindahan panas salah satunya dipengaruhi oleh nilai dT yang merupakan selisih antara

temperatur di section 4 (T2) dengan temperatur porous media pada section 2 (T1). Pada

tabel data yang telah diambil, nilai (T1) semakin menurun seiring dengan semakin

jauhnya jarak dari inlet dengan penurunan yang cukup drastis. Sedangkan nilai pada T2

terjadi penurunan, namun tidak begitu drastis sehingga cenderung konstan. Jadi nilai laju

perpindahan panas juga semakin menurun dengan semakin jauhnya jarak dari inlet.

Jika dilihat menurut variasi kecepatan inlet udara panas, maka nilai laju perpindahan

panas yang paling tinggi adalah pada variasi 4 m/s kemudian berurutan 3 m/s, 2m/s dan

yang paling rendah 1 m/s. Hal ini disebabkan karena pada variasi kecepatan yang tinggi,

nilai T1 mempunyai temperatur yang masih tinggi. Temperatur yang masih tinggi ini

disebabkan karena perpindahan panas antara porous media dengan udara panas terjadi

dalam waktu yang lebih singkat dibandingkan dengan variasi kecepatan yang lebih

rendah. Waktu kontak antara udara panas dengan porous media lebih singkat, sehingga

semakin tinggi nilai kecepatan inlet maka temperatur juga meningkat. Oleh karena itu

nilai laju perpindahan panas yang terjadi juga ikut meningkat.

49

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil dari penelitian yang dilakukan secara simulasi perpindahan panas

pada porous media, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

1. Nilai konduktivitas termal efektif berpengaruh terhadap distribusi temperatur tiap titik

dan laju perpindahan panas pada porous media. Semakin tinggi nilai konduktivitas

termal efektif maka distribusi temperatur tiap titik semakin rendah namun laju

perpindahan panas semakin besar. Nilai laju perpindahan panas pada material tembaga

lebih tinggi dengan nilai q sebesar 84,53 Watt dibandingkan dengan material aluminium

42,53 Watt.

2. Kecepatan udara yang masuk berpengaruh terhadap distribusi temperatur tiap titik dan

laju perpindahan panas pada porous media. Semakin tinggi nilai kecepatan udara maka

semakin besar pula distribusi temperatur tiap titik dan laju perpindahan panas. Nilai laju

perpindahan panas yang paling tinggi adalah pada variasi 4 m/s kemudian berurutan 3

m/s, 2m/s dan yang paling rendah 1 m/s.

5.2 Saran

1. Diharapkan dilakukan penelitian eksperimental mengenai perpindahan panas pada

porous media agar dapat dibandingkan data penelitannya.

2. Diharapkan agar lebih banyak lagi dalam hal variasi konduktivitas termal material.

DAFTAR PUSTAKA

Aichlmayr, Hans T. 1999. The Effective Thermal Conductivity of Saturated Porous Media.

Arismunandar, Wiranto. 1995. Teknologi Rekayasa Surya, Edisi Pertama. Jakarta. Penerbit

PT. Pradnya Paramitha.

Cengel, A. Yunus dan Boles, A. Michael. 2005. Thermodynamics An Engineering Approach,

Fifth Edition. New York. McGraw-Hill,Ltd

Couterlieris, Frank A. dan Delgado, J.M.P.Q. 2012. Transport Processes in Porous Media.

Springer Science & Business Media.

Ferdiantara, Rizki. 2016. Analisis Pengaruh Konduktivitas Termal Terhadap Gradien

Temperatur dan Perpindahan Panas pada Porous Media di Bawah Aliran Saturated

Vapour.

Handoyo, Ekadewi Anggraini. 2000. Pengaruh Kecepatan Aliran Terhadap Efektivitas Shell

and Tube Heat Exchanger.

Heine, R.W. 1983. Principles of Metal Casting, 7th Edition. New York : Mc. Graw Hill, Ltd.

Holman, J.P., 2010, Heat Transfer, Tenth Edition, The McGraw-Hill Companies, Inc., New

York.

Incropera, Frank P & David P, Dewitt. 2002. Fundamental of Heat an Mass Transfer. New

York : John Wiley & Sons, Inc.

Koestoer, Raldi Artono. 2002. Perpindahan Kalor untuk Mahasiswa Teknik, Edisi Pertama.

Jakarta. Penerbit Salemba Teknika.

M. Bruce, young & Okiishi. 2002. Mekanika Fluida, Jilid 1 terjemahan Harinaldi dan

Budiarso. Jakarta : Erlangga.

Nield, D. A. dan Bejan, A. 1999. Convection in Porous Media second Edition. Springer-

Verlag. New York.

Putra, Y. Ramadhani. 2017. Analisis Pengaruh Geometri Dan Kecepatan Fluida Terhadap

Distribusi Temperatur Tube Heat Exchanger

Rahana, Angga V. 2013. Analisa Pengaruh Kecepatan Udara Masuk Terhadap Distribusi

Temperatur pada Porous Media.

Siswanto, Eko. 2011. Dynamics of Condensate Migration in Porous Media under Ambient

Treatment.

Sudirman, Urip. 2005. P3K (Panduan Perbaikan Mobil dalam Keadaan Darurat). Jakarta.

Kawan Pustaka.

skripsirepository.ub.ac.id/2419/1/dimas%20dewa%c2%a0aryoga.pdf · 2020. 9. 15. · skripsi teknik...

Documents