PENDAHULUAN

Dalam setiap kinerja mesin kendaraan selalu menghasilkan getaran dan panas, tidak ada

satu pun mesin kendaraan yang berkerja dengan efisiensi yang sempurna(tidak ada getaran mau

pun panas). Untuk masalah getaran dapat diredam Shock Absorber mau pun dapat diredam

dengan bantalan sedangkan untuk masalah Overheat dapat di atasi dengan menggunakan

Radiator. Radiator adalah sebuah alat pendingin yang di dinginkan oleh udara luar untuk radiator

sendiri, namun udara luar tidaklah cukup untuk mendinginkan air yang ada di dalam radiator

yang suhu dan tekanannya sangat tinggi sehingga dibutuhkan sebuah kipas pendingin(cooling

fan) untuk menstabilkan suhu dan tekanan yang di perbolehkan dalam kinerja mesin kendaraan

tersebut.Selain kipas radiator, ada kinerja radiator diantaranya adalah tutup radiator, tangki

cadangan(reservoir tank), Pompa air(pump), thermostat, dan fan belt.

Gambar 1 (otomotif plus)

Salah satu konsep perpindahan panas yaitu konveksi yang juga diterapkan dalam sistem kerja

radiator. Sistem kerja radiator bermula bila suhu pada thermostat mencapai 800-900C maka air

akan di alirkan menggunakan pompa ke water jacket menuju combustion chamber, kemudian air

yang masuk ke water jacket di sekeliling combustion chamber akan terpanaskan seperti proses

pemanasan air dalam panci. Lalu air yang terkonveksi panas dari combustion chamber akan

dialirkan kembali ke radiator dan panas tersebut akan diserap dengan sirip – sirip ( fin) secara

konduksi karena sirip – sirip tersebut bersentuhan dengan pipa yang mengalirkan air panas yang

berasal dari combustion chamber. Setelah suhu air kembali stabil, maka akan kembali dalirkan

ke water jacket sedangkan sirip – sirip(fin) yang menjadi panas karena proses konduksi dari pipa

yang mengalirkan air panas akan didinginkan dengan kipas pendingin. Apa bila tekanan dan

suhu yang terdapat dalam radiator melebihi batas yang di tentukan, maka relief valve akan

membuka dan menghisap air untuk dialirkan melalui overflow pipe ke reservoir tank untuk

mengurangi tekanan dan suhu berlebih pada radiator dan bila suhu radiator sudah kembali stabil

maka vacum valve akan membuka secara otomatis untuk menghisap udara segar mengganti

kevakuman dalam radiator dan air yang berada pada reservoir tank akan kembali terhisap ke

dalam radiator.

LATAR BELAKANG

Sebuah mesin yang harus bekerja dalam waktu yang lama dan beban yang cukup berat

sangat memerlukan pendinginan untuk menjaga kestabilan suhu agar kualitas kinerja mesin dan

komponen – komponen tidak rusak karena panas. Khususnya mesin mobil yang harus bekerja

cukup lama karena kemacetan mengakibatkan sering terjadinya overheat sehingga radiator

menjadi komponen yang penting untuk menstabilkan panas di combustion chamber.

Oleh karena itu, Penulis ingin menjabarkan sistem kerja radiator serta proses perpindahan

panas yang terjadi pada radiator serta area – area radiator yang mempunyai tingkat panas yang

tinggi. Selain itu batas – batas kemampuan radiator untuk menjaga kestabilan suhu dan batas –

batas kemampuan sirip radiator untuk menahan aliran air panas yang kembali dari combustion

chamber . Sehingga akan terdapat kesimpulan yang bisa dipergunakan untuk pengoptimalan

radiator.

LANDASAN RUMUSAN

Perpindahan panas adalah proses bertukarnya panas (suhu mau pun energy) yang terjadi

pada dua buah benda baik padat mau pun cair yang berbeda temperature atau pun sebuah benda

atau tempat yang di ubah suhunya melalui pancaran(tidak langsung) dan dapat dilakukan dengan

beberapa proses, yaitu :

1. Proses Konduksi (Conduction)

Proses perpindahan panas antar benda padat yang jumlahnya lebih dari 2(dua) dengan

suhu yang bervariasi serta secara langsung bersentuhan. Proses ini dapat dilakukan pada

benda – benda padat khususnya dan untuk berbagai dimensi, sebagai berikut:

a. Satu dimensi (Mono Dimensional) : Proses perpindahan panas secara konduksi

dalam satu arah (satu garis lurus), atau antara dua titik ( beda temperatur) dalam

benda yang masih dalam satu bidang datar , dan berlaku perumusan sebagai berikut:

Qk=−kAdTdX

... Pers. (1)

Dimana:

Qk : Laju aliran panas dalam Btu/hr atau Watt/s

K : Koefisien konduktivitas material

A : Luas penampang tegak lurus aliran panas 1 dimensi (ft2 atau m2)

dT/dX : Gradient penurunan temperature dalam benda padat (F/ft ; K/m)

b. Dua dimensi (Dwi Dimensional) : Proses konduksi yang merambat dalam

satu arah (satu garis lurus), atau antara dua titik (beda temperatur) bisa dalam dua

bidang yang berlainan dan dalam satu bidang datar

c. Tiga dimensi (Tri Dimensional) : Proses konduksi yang merambat dalam

satu arah (satu garis lurus), atau antara dua titik (beda temperatur) bisa dalam ruang

(bidang tiga) yang berlainan temperaturnya dan berarah lurus dalam bidang yang

berbeda.

2. Proses Konveksi (Convection)

Perpindahan panas dalam suatu fluida (cairan atau gas) yang membutuhkan benda

fluida perantara dari tempat yang mempunyai temperatur yang berbeda dan berpindah

dari temperatur yang lebih tinggi menuju temperatur yang lebih rendah

Sama halnya dengan proses konduksi, proses konveksi juga mempunyai beberapa

mekanisme perpindahannya, yaitu:

a. Satu dimensi (Mono Dimensional) : Proses konveksi (perambatan panas dalam

fluida) dan dalam satu arah (satu garis lurus), atau antara dua daerah ( beda

temperatur) dalam elemen yang masih dalam satu bidang datar.

Laju perpindahan panas konveksi satu dimensi dari suatu permukaan fluida dapat

dihitung dengan persamaan sebagai berikut

QC=hc . A .∆ T … Pers. (2)

Dimana:

QC : Laju aliran panas konveksi (Btu/hr atau Watt/s)

Hc : Permukaan perpindahan panas atau koefisien perpindahan panas

konveksi ( Btu/h ft2 F atau Watt/ s.m2K)

A : Luas area perpindahan panas (ft2 atau m2)

∆T : Beda temperatur permukaan Ts dan Tf (F atau K)

b. Bidang datar (Dwi Dimensional) : Proses konveksi (perambatan panas dalam fluida)

dan dalam satu arah (satu garis lurus), atau antara dua daerah (beda temperatur) bisa

dalam dua bidang yang berlainan dalam perantara fluida.

c. Ruang tiga dimensi (Tri Dimensional) : Proses konveksi (perambatan panas dalam

fluida) dan dalam satu arah (satu garis lurus), atau antara titik elemen (beda

temperatur) bisa dalam ruang (bidang tiga) yang berlainan temperatur dan berarah

lurus dalam bidang yang berbeda menurut elemen cairan.

3. Proses Radiasi (Radiation)

Perpindahan pnas secara pancaran (Radiation0 dari suatu elemen ke elemen yang lain

dengan atau tanpa perantara (dalam ruang hampa/vaccum) yang mempunyai temperatur lebih

tinggi ke suatu elemen/tempat yang mempunyai temperatur yang lebih rendah.

Laju perpindahan panas secara radiasi dalam satu dimensi dari suatu permukaan fluida

dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

Qr=Σ. A1 . ε1 .(T14−T 2

4) … Pers. (3)

Dimana :

Qr : Laju bersih aliran panas radiasi ( Btu/hr atau Watt/s)

∑ : Konstanta dimensional ( 0.1714x10-8 Btu/hr ft2 R4 atau 5.67x10-8 Watt/m2K4)

A1 : Luas perpindahan panas (ft2 atau m2)

T1 : Temperatur permukaan yang memancarkan panas (R atau K)

T2 :Temperatur permukaan yang menutupi (R atau K)

ε :Menggunakan ε1 (emitansi) khusus untuk benda sebagai perbandingan

pancarannya terhadap pancaran radiasi sempurna pada temperatur yang sama.

Adapun beberapa mekanisme perpindahan panas secara radiasi sebagai berikut:

a. Satu arah pancaran (Mono Dimensional) : Proses radiasi (pancaran panas)

dalam satu arah berupa satu garis lurus, atau antara dua titik – titik daerah/tempat

yang mempunyai beda temperaturnya dalam ruang atau bidang yang berbeda.

b. Bidang datar 2-dimensi (Dwi Dimensional) : Proses radiasi (pancaran panas)

dalam satu arah berupa satu garis lurus, atau antara dua titik – titik daerah/tempat

yang mempunyai beda temperaturnya bisa dalam dua bidang yang berlainan dalam

tanpa membutuhkan elemen perantara (ruang hampa).

c. Ruang tiga dimensi (Tri Dimensional) : Proses radiasi (pancaran panas)

dalam tiga arah berupa garis lurus, atau antara dua titik – titik daerah/tempat yang

mempunyai beda temperaturnya bisa dalam ruang (bidang tiga) yang berlainan

temperaturnya dan mempunyai arah garis lurus bisa dalam bidang yang berbeda

menurut dan tanpa elemen perantara.

Dalam proses kerja radiator mobil berlangsung dua buah proses perpindahan panas yaitu perpindahan panas secara konveksi pada saat air radiator dipanaskan di dalam water jacket dan perpindahan panas secara konduksi yang terjadi ketika sirip – sirip (fin) bersinggungan dengan pipa yang membawa air radiator yang panas dan menyerapnya.

Selain persamaan – persamaan dasar yang telah di jelaskan, ada pula rumus yang di butuhkan untuk meghitung perpindahan panas rata – rata dan laju aliran perpindahan panas yang terjadi pada radiator mobil dan berikut persamaannya

Heat Transfer Rate/Flux (perpindahan panas rata – rata )

Q x=KT .∆TX

… Pers. (4)

Dimana :

QX : Heat transfer rate/flux (Joule/m2.s)

KT : Konduktivitas termal (Joule/m.0C.s)

∆T : Perbedaan suhu (0C)

X : Panjang benda (m)

Sedangkan untuk Heat Flow adalah sebagai berikut

H=K T . A .(Thot−T cold )

t … Pers. (5)

Dimana :

H : Heat flow/laju aliran panas (J/s)

KT : Konduktivitas termal (Joule/m.0C.s)

Thot : Suhu yang lebih tinggi (0C)

Tcold : Suhu yang lebih rendah (0C)

A : Luas penampang benda (m2)

t : Ketebalan benda (m)

Menurut Armento (1979), Menegazzi dan Trapi (1996) ( Rudi S. (1999)) faktor – faktor

yang mempengaruhi kinerja dalam proses pendinginan dalam sebuah radiator di antaranya yaitu

- Tipe dari system pendinginan (menggunakan udara atau air)

- Diameter dari water jacket yang digunakan

- Tipe coolant yang digunakan

- Thermostat

- Penutup tekanan

- Vacum dan Relief Valve

- Kondisi sirip kipas pendingin(Cooling Fan)

- Kinerja dari pompa air pendingin

Selain pendapat diatas, masih ada beberapa pendapat untuk mengoptimalkan proses

perpindahan panas yang terjadi atau meningkatkan efisiensi dari kinerja radiator diantaranya

sebagai berikut:

1. Penelitian pendahulu yang dilakukan beberapa orang peneliti yang dilaporkan kembali

oleh Indra Mamad Gandidi (2001) dan Ximenes (1981) melaporkan hasil eksperimen untuk

koefisien perpindahan panas dalam susunan satu dan dua baris pipa oval pada penukar panas

sirip plat yang menunjukkan bentuk geometri bulat, diselidiki bahwa penurunan koefisien panas

berkurang secara dramatis dibelakang pipa-pipa dibandingkan dengan konfigurasi oval.

2. Rosman et. al. (1984) secara eksperimen menentukan koefisien perpindahan panas

global dan lokal, menggunakan analogi perpindahan panas dan massa untuk susunan satu dan

dua baris pipa bulat, diikuti dengan perhitungan numeris distribusi temperatur sirip dan efisiensi

sepanjang sirip. Hasilnya menunjukkan bahwa konfigurasi dua baris lebih efisien dari susunan

satu baris.

3. Untuk mengetahui seberapa jauh pengaruh dari geometri sirip terhadap koefisien

perpindahan panas konveksi pada radiator, Rudi S. (1999) melakukan penelitian secara

eksperimental dengan cara merubah geometri sirip untuk mendapatkan aliran udara yang

melewati inti radiator supaya lebih berputar. Hasil yang didapat menunjukkan peningkatan

koefisien perpindahan panas konveksi radiator.

PRINSIP DASAR ALAT PENUKAR PANAS KHUSUSNYA RADIATOR

Alat Penukar panas (Heat Exchange/Radiator) adalah sebuah alat yang berfungsi untuk

mengubah temperatur suatu fluida dengan proses pertukaran panas/kalor dengan fluida lainnya

yang berbeda temperatur. Prinsip alat penukar panas adalah sebagai tempat mencampurkan

kedua fluida tersebut namun dibatasi dengan dinding pipa atau sirip – sirip yang di pasangkan

pada pipa. Walau pun ada pula metode dengan langsung mencampurkannya namun hal tersebut

hanya dapat dapat di gunakan bila kedua fluida yang di gunakan adalah sejenis atau pun memang

mempunyai tujuan untuk menukar panas dan mencampurkan kedua sifat dari fluida – fluida

tersebut. Proses aliran pertukaran panas yang terjadi sama halnya dengan proses aliran air yaitu

panas dari fluida yang bertemperatur tinggi menuju ke fluida yang bertemperatur lebih rendah.

Besarnya panas/kalor yang berpindah sangat dipengaruhi oleh beberapa factor yaitu kecepatan

aliran fluida, arah aliran, sifat – sifat fisik dan kimia kedua fluida, kondisi permukaan dan luas

bidang penukar/pembatas penukar panas, serta perbedaan temperature antara kedua fluida yang

digunakan.

Terdapat dua jenis aliran fluida yang mungkin terjadi yaitu aliran laminar dan aliran

turbulen. Pada aliran laminer adalah sebuah aliran yang sifatnya tenang, kecepatannya rendah

dimana semua partikel – partikelnya mempunyai sifat yang seragam, sedangkan pada aliran

turbulen berlawanan dengan laju aliran laminer yaitu setiap partikelnya mempunyai arah dan

kecepatan yang berbeda – beda dan tidak seragam, sehingga setiap partikel menyentuh

permukaan dan dinding aliran. Jadi dapat disimpulkan bahwa aliran turbulen akan membuat

kesempatan bagi fluida untuk menyerap panas pada dinding saluran lebih besar.

Ada beberapa cara untuk memperoleh laju aliran turbulen bagi alat penukar panas yaitu

dengan cara membuat alur tempat fluida mengalir yang berliku – liku, membuat dinding

permukaan yang kasar, atau dengan mempercepat laju aliran fluida. Bersamaan dengan

peningkatan kapasitas perpindahan panas tersebut, maka gesekan atau tumbukan dengan dinding

saluran akan meningkat.

Sedangkan keseimbangan energi dalam radiator dapat dideskripsikan sebagai berikut.

Satu fluida pada alat penukar panas akan berfungsi sebagai fluida panas yang akan melepaskan

sebagian energinya dalam bentuk panas kepada fluida dingin. Apabila fluida dalam pipa

bertindak sebagai fluida panas (air), maka fluida dalam sirip-sirip (fin) bertindak sebagai fluida

dingin (udara). Terjadinya perbedaan temperatur antara sisi masuk dengan sisi keluar

menunjukkan adanya fenomena tersebut.

Q = m.Cp.( Tinlet – Toutlet ) . . . Pers (6)

dengan :

m = laju aliran massa (kg.s-1)

Cp = panas spesifik (J.kg-1.0C-1)

Tinlet = temperatur fluida masuk (0C)

Toutlet = temperatur fluida keluar (0C)

Dengan mengetahui jenis fluida yang mengalir, laju aliran massa serta tingkat keadaan

awal dan keadaan akhir dari fluida tersebut maka kita dapat membuat suatu kesetimbangan

energi dan menghitung banyaknya energi yang berpindah. Untuk fluida panas (air) yang

mempunyai temperatur awal lebih tinggi dari pada temperatur akhir dapat digambarkan sebagai

berikut :

Gambar.2 Kesetimbangan (Ir.Subroto,MT. & Ir.Sartono Putro, 2003:11)

Besarnya energi yang dilepaskan :

Q in = Q lepas + Q out

Q lepas = Q in - Q out

Q lepas = m a . cpa . Tam - m a . cpa . Tak

Q lepas = m a . cpa [ Tam – Tak ]……………………………(5)

Sistem pendinginan pada motor bakar, khususnya pada motor bakar torak merupakan

bagian yang penting. Motor tidak dapat beroperasi lama bila sistem pendinginannya tidak

bekerja dengan baik. Berdasarkan fluida pendinginnya sistem pendinginan motor bakar torak

dapat dibedakan antara motor bakar dengan pendingian air dan motor bakar dengan pendinginan

udara. Pada motor bakar dengan pendinginan air, air pendingin dialirkan melalui kepala dan

dinding silinder serta bagian lainnya yang perlu didinginkan. Air akan menyerap panas dari

bagian-bagian tersebut, kemudian mengalir meninggalkan blok mesin menuju radiator. Dengan

bantuan kipas udara, udara dihembuskan melalui sirip-sirip pendingin tersebut. Jadi air

pendingin disini tidak berhubungan langsung dengan atmosfir. Sistem pendinginan seperti ini

disebut sistem pendinginan tertutup.

Sedangkan prestasi radiator adalah kemampuan dari radiator tersebut untuk melepaskan

panas dari air ke udara yang mengalir disekitarnya dengan laju aliran massa air dan udara

tertentu persatuan waktu. Prestasi radiator dapat dicari dengan mengamati keadaan masuk dan

keluar fluida dari sistem serta mengasumsikan bahwa alirannya merata dan mantap. Untuk

menentukan prestasi radiator diperlukan parameter –parameter antara lain sebagai berikut :

1. Laju aliran massa air, m

2. Temperatur air masuk, Tam

3. Temperatur air keluar, Tak

4. Temperatur udara ruangan

Untuk menganalisa parameter-parameter yang diperlukan dalam prestasi radiator yang

akan dicari pada pengujian ini, maka diperlukan persamaan persamaan sebagai berikut :

Jumlah panas yang dilepas oleh air ( Qa )

Dalam keadaan tunak, besarnya panas yang dilepas oleh air dapat dihitung dengan

persamaan dibawah ini :

Qa = m a . cpa . [ Tam – Tak ]…………………………………(6)

dengan :

m a = laju aliran massa air (kg.s-1)

cpa = panas jenis pada temperatur air rata-rata (KJ.kg-1.0C-1)

,sedangkan

m a = Va . ρa . A…………………………………………….(7)

dengan :

A = luas penampang (m2)

Va = kecepatan aliran fluida (m.s-1)

ρa = massa jenis air pada temperatur air rata-rata (kg.m-3)

HASIL

Dari penelitian diatas dapat di ambil hasil yaitu radiator memanfaatkan proses

perpindahan panas secara konveksi dan untuk meningkatkan efisiensi dari radiator itu sendiri

maka ada beberapa cara di antaranya adalah mengubah material sirip – sirip radiator, mengubah

material pipa serta bentuknya, fluida pendingin yang memiliki koefisien penghantar panas yang

baik, putaran kipas yang tinggi, pompa yang digunakan untuk mengalirkan fluida, bahkan

susunan baris sirip(fin) dan pipa dapat meningkatkan efisiensi dari radiator tersebut.

Perawatan juga sangat diperlukan untuk menjaga kualitas kinerja dari radiator. Perawatan

yang dilakukan secara berkala(preventive maintenance) adalah pemeriksaan tingkat fluida yang

terdapat pada radiator, sedangkan untuk perawatan lainnya adalah pemeriksaan untuk sirip yang

mengembang

KESIMPULAN

Referensi :

- Buku New Step 1, training manual Toyota

- Bahan Ajar dosen Ir. Prinadi, M.Sc.

- Otomotif Plus

- AP Physics - Thermodynamics

-