plagiat merupakan tindakan tidak terpuji - core.ac.uk · suhu fluida tf2 dan nilai koefisien panas...

PERBANDINGAN LAJU PERPINDAHAN KALOR, EFISIENSI DAN

EFEKTIVITAS SIRIP DUA DIMENSI UTUH DAN BERLUBANG PADA

KEADAAN TAK TUNAK DENGAN VARIASI BAHAN

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk memenuhi salah satu syaratmemperoleh gelar Sarjana Teknik Mesin

Disusun oleh :

ANDI SIDIK KUNCORONIM : 095214076

PROGRAM STUDI TEKNIK MESINJURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGIUNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA2015

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJIPLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

i




TUGAS AKHIR

Diajukan untuk memenuhi salah satu syaratmemperoleh gelar Sarjana Teknik Mesin

Disusun oleh :

ANDI SIDIK KUNCORONIM : 095214076

PROGRAM STUDI TEKNIK MESINJURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGIUNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA2015


ii

COMPARISON OF THE HEAT TRANSFER, EFFICIENCY AND

EFFECTIVENESS OF TWO DIMENTIONALS WHOLE FIN AND HOLES

FIN ON THE UNSTEADY STATE CASES WITH MATERIAL

VARIATIONS

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirementsto obtain the Sarjana Teknik Mesin Degree

in Mechanical Engineering

Created by :

ANDI SIDIK KUNCOROStudent Number : 095214076

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAMMECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENTFACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITYYOGYAKARTA

2015


iii

TUGAS AKHIR




Disusun oleh :

Andi Sidik Kuncoro

NIM : 095214076

Disetujui oleh :

Pembimbing

Ir. P. K. Purwadi, M.T. Tanggal : 24 Maret 2015


iv




Dipersiapkan dan ditulis oleh :

Nama : Andi Sidik KuncoroNIM : 095214076

Telah dipertahankan pada Panitia Penguji pada tanggal 24 Maret 2015

dan dinyatakan memenuhi syarat.

Susunan Panitia Penguji

Ketua : Dr. Asan Damanik, M.Si.

Sekretaris : Doddy Purwadianto, S.T., M.T.

Anggota : Ir. P.K. Purwadi, M.T.

Yogyakarta, 25 Maret 2015

Fakultas Sains dan TeknologiUniversitas Sanata Dharma Yogyakarta

Dekan

Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si, M.Sc.


v

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

Dengan ini penulis menyatakan bahwa dalam Tugas Akhir yang berjudul

“Perbandingan Laju Perpindahan Kalor, Efisiensi dan Efektivitas Sirip Dua

Dimensi Utuh dan Berlubang pada Keadaan Tak Tunak dengan Variasi Bahan”

tidak terdapat karya yang pernah diajukan dan dibuat di perguruan tinggi manapun.

Sepanjang pengetahuan penulis tidak terdapat pula karya atau pendapat yang

pernah diterbitkan, ditulis atau dengan cara publikasi yang lain, kecuali mengambil

atau mengutip data yang disebutkan di dalam daftar pustaka.


Penulis

Andi Sidik Kuncoro


vi

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma :

Nama : Andi Sidik Kuncoro

Nomor Mahasiswa : 095214076

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan

Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :




beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan

kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, me-

ngalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data,

mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di Internet atau media

lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun

memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai

penulis.

Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di Yogyakarta

Pada tanggal : 25 Maret 2015

Yang menyatakan

Andi Sidik Kuncoro


vii

INTISARI

Sirip banyak dipergunakan di motor bakar, peralatan elektronik, komputer /laptop, mesin pendingin, kondensor, evaporator, radiator dll. Penggunaan siripsangat luas dan sangat penting. Penelitian ini bertujuan untuk membandingkan lajualiran kalor total, efisiensi kalor dan juga efektivitas kalor antara sirip utuh dan siripberlubang pada kasus dua dimensi pada keadaan tak tunak dengan variasi bahan.

Benda uji berupa sirip utuh dan sirip berlubang dengan ukuran 100 mm x100 mm dengan tebal 5 mm dan ukuran lubang pada sirip berlubang yaitu 60 mmx 60 mm dengan variasi bahan sirip berupa aluminium, tembaga dan besi. Siripdikondisikan pada lingkungan dengan suhu awal (Ti) yaitu 100°C, suhu dasar sirip(Tb) yaitu 100°C, suhu fluida di sekitar sirip (Tf) yaitu 30°C dan besarnya nilaikoefisien konveksi (h) yaitu 12 W/m2°C. Dengan asumsi bahwa perpindahan kalorkonduksi diasumsikan dalam 2 arah, arah X dan arah Y. Sifat-sifat bahan merata(massa jenis ρ, kalor jenis c dan konduktivitas thermal bahan k). Bahan tidakberbangkit energi. Suhu fluida Tf2 dan nilai koefisien panas konveksi h2 di sekitarsirip tetap dan merata dari waktu ke waktu. Selama proses benda tidak mengalamiperubahan bentuk (tidak mengembang, tidak menyusut dan tidak melengkung).Perhitungan penelitian dilakukan secara komputasi numerik dengan menggunakanmetode beda hingga cara eksplisit.

Dari hasil perhitungan dan analisa pembahasan yang telah dilakukan padasirip utuh dan sirip berlubang untuk bahan aluminium, tembaga dan besi dapatdisimpulkan (a) Besarnya laju aliran kalor total sirip utuh lebih tinggi dibandingkanlaju aliran kalor total sirip berlubang dengan perbedaan sekitar 29%. (b) Besarnyaefisiensi kalor sirip utuh lebih tinggi dibandingkan efisiensi kalor sirip berlubangdengan perbedaan sekitar 1,5%. (c) Besarnya efektivitas kalor sirip utuh lebih tinggidibandingkan efektifitas kalor sirip berlubang dengan perbedaan sekitar 29%.

Kata kunci : fin, sirip, efisiensi, efektivitas


viii

ABSTRACT

The fins widely used in the combustion engines, electronic equipment,computers / laptops, cooling machine, condensers, evaporators, radiators etc. Thefins applications is very vast and very important. This study aimed to compare thetotal of heat transfer, efficiency and effectiveness between whole fins intact andhollow fins on the case of two dimentionals whole fin and holes fin on the unsteadystate cases with material variations.

The specimen is whole fin and holes fin with a size of 100 mm x 100 mmwith a thickness of 5 mm and the size of the holes in the holes fin is 60 mm x 60mm with material variations of fins such as aluminum, copper and iron. The finsare conditioned on the environment with the initial temperature (Ti) is 100°C, thebasic temperature of fin (Tb) is 100°C, the fluid temperature around the fin (Tf) is30°C and the value of convection coefficient (h) is 12 W/m2°C. Assuming that theconduction heat transfer is assumed on two directions, X and Y directions. Materialproperties is prevail (density ρ, the specific heat c and thermal conductivity k). Thematerial is not resurrection energy. The fluid temperature TF2 and the value ofconvection coefficient h2 around fins is fixed and prevail over the time. During theprocess, the object does not deformation (not expand, not shrink, and not curved).Calculation of research carried out numerical computation using the finitedifference method explicit way.

From the calculation and analysis of the discussion that has been done on thewhole fins and holes fins for aluminum, copper and iron can be concluded (a) Theamount of the total of the heat transfer whole fin higher than the total of the heattransfer holes fin with a difference of about 29%. (b) The amount of whole finefficiency is higher than the holes fin efficiency with a difference of about 1.5%.(c) The amount of whole fin effectiveness higher than the holes fin effectivenesswith a difference of about 29%.

Keywords : fin, fins, efficiency, effectiveness


ix

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan rahmat

yang diberikan, penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik. Tugas

Akhir ini merupakan persyaratan memperoleh Gelar Sarjana Teknik, Program Studi

Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi di Universitas Sanata Dharma

Yogyakarta.

Tugas Akhir ini diberi judul “Perbandingan Laju Perpindahan Kalor,

Efisiensi dan Efektivitas Sirip Dua Dimensi Utuh dan Berlubang pada Keadaan Tak

Tunak dengan Variasi Bahan”. Adapun harapan penulis agar Tugas Akhir ini dapat

bermanfaat dalam perkembangan mata kuliah rekayasa thermal serta dapat

menambah wawasan bagi para mahasiswa.

Pada kesempatan ini penulis juga mengucapkan terimakasih atas segala

bantuan dari semua pihak sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan

baik, antara lain kepada :

1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si, M.Sc. selaku Dekan Fakultas Sains dan

Teknologi, Universitas Sanata Dharma.

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

Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta,

sekaligus sebagai Dosen Pembimbing Skripsi yang telah memberi dukungan

baik moral dan spiritual kepada penulis dan yang sudah banyak memberi

petunjuk, pengarahan dan saran selama pengerjaan Tugas Akhir.

3. Albertus Murdianto, M.Pd. selaku Kepala SMK Katolik Mikael yang telah

memberi dukungan baik moral dan spiritual kepada penulis.

4. P. C. Wisnu Haryanto, S.Pd, M.M. selaku Kepala Unit Kerja Workshop SMK

Katholik Santo Mikael yang selalu memberi dukungan dan bantuan sarana dan

prasarana di SMK Katholik Santo Mikael untuk pembuatan Tugas Akhir ini.

5. Orang tua yang telah membesarkan dan merawat penulis serta saudara-saudara

yang selalu memberi motivasi kepada penulis.


x

6. Rekan-rekan kerja serta para siswa SMK Katholik Santo Mikael, terima kasih

atas dukungannya.

7. Berbagai pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu.

Penulis menyadari dalam pembuatan laporan dan penulisan masih terdapat

banyak kekurangan, maka penulis menerima segala bentuk saran dan kritik yang

diberikan.


Penulis

Andi Sidik Kuncoro


xi

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ………………………………………………………… i

HALAMAN JUDUL (INGGRIS) …………………………………………… ii

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING …………………………….. iii

HALAMAN PENGESAHAN ……………………………………………….. iv

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ……………………….. v

HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ………………………………… vi

INTISARI …………………………………………………………………….. vii

KATA PENGANTAR ……………………………………………………….. ix

DAFTAR ISI …………………………………………………………………. xi

DAFTAR GAMBAR ………………………………………………………… xiv

DAFTAR TABEL ……………………………………………………………. xviii

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

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

1.2. Perumusan Masalah …………………………………………………... 3

1.3. Tujuan ………………………………………………………………… 3

1.4. Batasan Masalah ……………………………………………………… 4

1.5. Manfaat ……………………………………………………………….. 5

BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA ……………... 6

2.1. Dasar Teori …………………………………………………………… 6

2.1.1. Perpindahan Kalor …………………………………………………. 6

2.1.2. Perpindahan Kalor Konduksi ………………………………………. 6

2.1.3. Perpindahan Kalor Konveksi ………………………………………. 9

2.1.3.1. Perpindahan Kalor Konveksi Bebas ……………………………. 12

2.1.3.1.1. Bilangan Rayleigh (Ra) …………………………………….. 13

2.1.3.1.2. Bilangan Nusselt (Nu) …………………………………….... 14

2.1.3.2. Perpindahan Kalor Konveksi Paksa ……………………………. 15


xii

2.1.3.2.1. Bilangan Nusselt (Nu) pada Bidang Datar untuk Aliran Laminar

………………………………………………………………. 15

2.1.3.2.2. Bilangan Nusselt (Nu) pada Bidang Datar untuk Kombinasi Aliran

Laminer dan Turbulen………………………………. 16

2.1.4. Perpindahan Kalor Radiasi …………………………………………. 17

2.1.5. Laju Aliran Kalor pada Sirip ……………………………………….. 18

2.1.6. Efisiensi Sirip ………………………………………………………. 18

2.1.7. Efektivitas Sirip …………………………………………………….. 19

2.1.8. Bilangan Biot ………………………………………………………. 20

2.1.9. Bilangan Fourier ……………………………………………………. 20

2.1.10. Disfusitas Thermal ………………………………………………….. 21

2.2. Tinjauan Pustaka ……………………………………………………… 21

BAB III PERSAMAAN NUMERIK ………………………………….. 23

3.1. Kesetimbangan Energi pada Volume Kontrol ………………………... 23

3.2. Penurunan Persamaan Numerik pada Volume Kontrol ………………. 24

3.2.1. Persamaan Numerik pada Volume Kontrol di Tengah Sirip ……….. 27

3.2.2. Persamaan Numerik pada Volume Kontrol di Rusuk Sirip ………… 29

3.2.3. Persamaan Numerik pada Volume Kontrol di Sudut Dalam Sirip …. 32

3.2.4. Persamaan Numerik pada Volume Kontrol di Sudut Luar Sirip …… 35

BAB IV METODE PENELITIAN …………………………………….. 38

4.1. Benda Uji ……………………………………………………………... 38

4.2. Variasi Bahan …………………………………………………………. 39

4.3. Peralatan Pendukung …………………………………………………. 39

4.4. Metode Penelitian …………………………………………………….. 40

4.5. Cara Pengambilan Data ………………………………………………. 42

4.6. Cara Pengolahan Data ………………………………………………… 42

BAB V HASIL PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN …………... 43


xiii

5.1. Hasil Perhitungan ……………………………………………………... 43

5.1.1. Sirip Utuh …………………………………………………………… 43

5.1.1.1. Distribusi Suhu pada Sirip Utuh dari Waktu ke Waktu ………... 43

5.1.1.1.1. Distribusi Suhu pada Sirip Aluminium Utuh dari Waktu ke Waktu

……………….……………….…………………….. 43

5.1.1.1.2. Distribusi Suhu pada Sirip Tembaga Utuh dari Waktu ke Waktu

………………….………………….………………….…….. 44

5.1.1.1.3. Distribusi Suhu pada Sirip Besi Utuh dari Waktu ke Waktu

……………………….……………………….……………... 45

5.1.1.2. Laju Aliran Kalor Total pada Sirip Utuh ………………………. 45

5.1.1.2.1. Laju Aliran Kalor Total pada Sirip Aluminium Utuh ……… 49

5.1.1.2.2. Laju Aliran Kalor Total pada Sirip Tembaga Utuh ………… 49

5.1.1.2.3. Laju Aliran Kalor Total pada Sirip Besi Utuh ……………… 50

5.1.1.3. Efisiensi Kalor Sirip Utuh ……………………………………… 51

5.1.1.3.1. Efisiensi Kalor Sirip Aluminium Utuh …………………….. 51

5.1.1.3.2. Efisiensi Kalor Sirip Tembaga Utuh ……………………….. 52

5.1.1.3.3. Efisiensi Kalor Sirip Besi Utuh …………………………….. 53

5.1.1.4. Efektivitas Kalor Sirip Utuh ……………………………………. 53

5.1.1.4.1. Efektivitas Kalor Sirip Aluminium Utuh …………………… 54

5.1.1.4.2. Efektivitas Kalor Sirip Tembaga Utuh ……………………... 54

5.1.1.4.3. Efektivitas Kalor Sirip Besi Utuh …………………………... 55

5.1.2. Sirip Berlubang …………………………………………………….. 56

5.1.2.1. Distribusi Suhu pada Sirip Berlubang dari Waktu ke Waktu ….. 56

5.1.2.1.1. Distribusi Suhu pada Sirip Aluminium Berlubang dari Waktu ke

Waktu ………………………………………………………. 56

5.1.2.1.2. Distribusi Suhu pada Sirip Tembaga Berlubang dari Waktu ke

Waktu ………………………………………………………. 57

5.1.2.1.3. Distribusi Suhu pada Sirip Besi Berlubang dari Waktu ke Waktu

………………………………………………………………. 57

5.1.2.2. Laju Aliran Kalor Total Sirip Berlubang ………………………. 58

5.1.2.2.1. Laju Aliran Kalor Total Sirip Aluminium Berlubang ……… 62


xiv

5.1.2.2.2. Laju Aliran Kalor Total Sirip Tembaga Berlubang ………… 63

5.1.2.2.3. Laju Aliran Kalor Total Sirip Besi Berlubang ……………... 64

5.1.2.3. Efisiensi Kalor Sirip Berlubang ………………………………… 64

5.1.2.3.1. Efisiensi Kalor Sirip Aluminium Berlubang ……………….. 65

5.1.2.3.2. Efisiensi Kalor Sirip Tembaga Berlubang ………………….. 65

5.1.2.3.3. Efisiensi Kalor Sirip Besi Berlubang ……………………….. 66

5.1.2.4. Efektivitas Kalor Sirip Berlubang ………………………………. 67

5.1.2.4.1. Efektivitas Kalor Sirip Aluminium Berlubang ……………… 67

5.1.2.4.2. Efektivitas Kalor Sirip Tembaga Berlubang ………………... 68

5.1.2.4.3. Efektivitas Kalor Sirip Besi Berlubang ……………………... 69

5.2. Pembahasan …………………………………………………………… 69

5.2.1. Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Utuh dan Sirip Berlubang

………………………………………………………………………. 69

5.2.1.1. Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Aluminium ………. 70

5.2.1.2. Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Tembaga ………… 71

5.2.1.3. Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Besi ……………… 72

5.2.2. Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Utuh dan Sirip Berlubang ……. 74

5.2.2.1. Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Aluminium ………………... 74

5.2.2.2. Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Tembaga ………………….. 75

5.2.2.3. Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Besi ……………………….. 76

5.2.3. Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Utuh dan Sirip Berlubang ….. 78

5.2.3.1. Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Aluminium ……………… 78

5.2.3.2. Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Tembaga ………………… 79

5.2.3.3. Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Besi ……………………… 80

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN ……………………………… 83

6.1. Kesimpulan ……………………………………………………………… 83

6.2. Saran ……………………………………………………………………. 83

DAFTAR PUSTAKA ………………………………………………………… 84

LAMPIRAN ………………………………………………………………….. 85


xv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1. Beberapa Contoh Bentuk Sirip ………………………………... 2

Gambar 1.2. Geometri Sirip Untuk Pengujian, (a) Sirip Utuh, (b) Sirip

Berlubang …………………………………………………….. 4

Gambar 2.1. Contoh Perpindahan Kalor Konduksi ………………………… 7

Gambar 2.2. Arah Perpindahan Kalor Konduksi …………………………… 8

Gambar 2.3. Contoh Perpindahan Kalor Konveksi ………………………… 10

Gambar 2.4. Arah Perpindahan Kalor Konveksi …………………………… 11

Gambar 2.5. Arah Aliran Fluida Pada Pelat Datar…………………………. 15

Gambar 3.1. Kesetimbangan Energi pada Volume Kontrol ………………... 23

Gambar 3.2. Pembagian Volume Kontrol pada Sirip Utuh ………………… 25

Gambar 3.3. Pembagian Volume Kontrol pada Sirip Berlubang …………... 26

Gambar 3.4. Volume Kontrol di Tengah Sirip ……………………………... 27

Gambar 3.5. Volume Kontrol di Rusuk Sirip ………………………………. 30

Gambar 3.6. Volume Kontrol di Sudut Dalam Sirip ……………………….. 32

Gambar 3.7. Volume Kontrol di Sudut Luar Sirip …………………………. 35

Gambar 4.1. Geometri Sirip Untuk Pengujian,(a) Sirip Utuh, (b) Sirip Berlubang

……………………………………………………...………… 38

Gambar 4.2. Pembagian Volume Kontrol pada Sirip (a) Sirip Utuh, (b) Sirip

Berlubang …………………………………………………….. 40

Gambar 5.1. Grafik Distribusi Suhu Sirip Aluminium Utuh pada Volume

Kontrol Nomor 22 – 42 dari Waktu ke Waktu ………………. 44

Gambar 5.2. Grafik Distribusi Suhu Sirip Tembaga Utuh pada Volume Kontrol

Nomor 22 – 42 dari Waktu ke Waktu ………………….……. 44

Gambar 5.3. Grafik Distribusi Suhu Sirip Besi Utuh pada Volume Kontrol

Nomor 22 – 42 dari Waktu ke Waktu ………………………... 45

Gambar 5.4. Gambar Luas Penampang Volume Kontrol Nomor 1 Sirip Utuh

………………………………………………………………… 46


………………………………………………………………… 46


xvi


………………………………………………………………… 47


………………………………………………………………… 48


………………………………………………………………… 48

Gambar 5.9. Grafik Laju Aliran Kalor Total Sirip Aluminium Utuh ……… 49

Gambar 5.10. Grafik Laju Aliran Kalor Total Sirip Tembaga Utuh ………… 50

Gambar 5.11. Grafik Laju Aliran Kalor Total Sirip Besi Utuh ……………... 50

Gambar 5.12. Grafik Efisiensi Kalor Sirip Aluminium Utuh ……………….. 52

Gambar 5.13. Grafik Efisiensi Kalor Sirip Tembaga Utuh ………………….. 52

Gambar 5.14. Grafik Efisiensi Kalor Sirip Besi Utuh ………………………. 53

Gambar 5.15. Grafik Efektivitas Sirip Aluminium Utuh ……………………. 54

Gambar 5.16. Grafik Efektivitas Sirip Tembaga Utuh ………………………. 55

Gambar 5.17. Grafik Efektivitas Sirip Besi Utuh ……………………………. 55

Gambar 5.18. Grafik Distribusi Suhu Sirip Aluminium Berlubang untuk Volume

Kontrol Nomor 85 – 105 dari Waktu ke Waktu ……………… 56

Gambar 5.19. Grafik Distribusi Suhu Sirip Tembaga Berlubang untuk Volume

Kontrol Nomor 85 – 105 dari Waktu ke Waktu ……………… 57

Gambar 5.20. Grafik Distribusi Suhu Sirip Besi Berlubang untuk Volume Kontrol

Nomor 85 – 105 dari Waktu ke Waktu ……………………… 58

Gambar 5.21. Gambar Luas Penampang Volume Kontrol Nomor 1 Sirip

Berlubang ……………………………………………………. 59


Berlubang ……………………………………………………. 59


Berlubang ……………………………………………………. 60


Berlubang ……………………………………………………. 61


Berlubang ……………………………………………………. 61


xvii


Berlubang ……………………………………………………. 62

Gambar 5.27. Grafik Laju Aliran Kalor Total Sirip Aluminium Berlubang ... 63

Gambar 5.28. Grafik Laju Aliran Kalor Total Sirip Tembaga Berlubang ….. 63

Gambar 5.29. Grafik Laju Aliran Kalor Total Sirip Besi Berlubang ………. 64

Gambar 5.30. Grafik Efisiensi Kalor Sirip Aluminium Berlubang ………… 65

Gambar 5.31. Grafik Efisiensi Kalor Sirip Tembaga Berlubang …………… 66

Gambar 5.32. Grafik Efisiensi Kalor Sirip Besi Berlubang ………………… 66

Gambar 5.33. Grafik Efektivitas Sirip Aluminium Berlubang ……………… 68

Gambar 5.34. Grafik Efektivitas Sirip Tembaga Berlubang ………………… 68

Gambar 5.35. Grafik Efektivitas Sirip Besi Berlubang ……………………… 69

Gambar 5.36. Grafik Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Aluminium

……………………………………………………………….. 70

Gambar 5.37. Grafik Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Tembaga

………………………………………………………………... 72

Gambar 5.38. Grafik Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Besi ……. 73

Gambar 5.39. Grafik Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Aluminium ……... 75

Gambar 5.40. Grafik Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Tembaga ………... 76

Gambar 5.41. Grafik Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Besi …………….. 77

Gambar 5.42. Grafik Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Aluminium …… 79

Gambar 5.43. Grafik Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Tembaga ……… 80

Gambar 5.44. Grafik Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Besi …………… 81


xviii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Nilai Konduktivitas Thermal Beberapa Bahan …………………. 8

Tabel 2.2. Nilai Kira-kira Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi ………... 12

Tabel 2.3 Bilangan Nusselt (Nu) untuk Dinding Vertikal …………………. 14

Tabel 5.1. Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Aluminium ……….. 70

Tabel 5.2. Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Tembaga ………….. 71

Tabel 5.3. Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Besi ……………….. 72

Tabel 5.4. Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Aluminium …………………. 74

Tabel 5.5. Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Tembaga …………………… 75

Tabel 5.6. Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Besi ………………………… 77

Tabel 5.7. Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Aluminium ………………. 78

Tabel 5.8. Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Tembaga …………………. 79

Tabel 5.9. Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Besi ………………………. 81


1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Belakangan ini penggunaan sirip sangat banyak dilakukan pada sistem

pendinginan yang terdapat pada hasil-hasil perkembangan teknologi. Beberapa

hasil perkembangan teknologi yang menggunakan sistem pendinginan berupa sirip

antara lain pada silinder motor bakar, heatsink, mesin pengkondisi udara (air

conditioning) dan evaporator pada mesin pendingin. Fungsi sirip yang terdapat pada

hasil perkembangan teknologi tersebut untuk melepaskan kalor semaksimal

mungkin serta untuk memperluas permukaan yang berhubungan dengan kalor yang

mempercepat perpindahan kalor ke lingkungan sekitar sehingga dapat

meningkatkan efisiensi kerja. Sehingga kalor yang terjadi pada sistem tersebut

dapat dilepaskan sebanyak mungkin.

Bisa kita bayangkan misalnya jika pada silinder motor bakar tidak

menggunakan sirip, yang terjadi adalah panas yang timbul akibat kerja pada silinder

motor bakar tersebut dapat memanaskan seluruh bahan yang ada pada silinder

motor bakar dan dapat melebur karena panas yang timbul. Atau pada perangkat

komputer, jika tidak terdapat heatsink maka panas yang timbul dari sistem kerja

perangkat komputer tersebut dapat melelehkan seluruh perangkat-perangkat yang

lain yang terdapat pada komputer.

Kondisi-kondisi di atas membuat penulis tertarik untuk melakukan penelitian

tentang sirip. Penelitian yang penulis dilakukan untuk mengetahui distribusi suhu,

laju aliran kalor, efisiensi dan efektivitas sirip. Khususnya pada sirip dua dimensi

pada keadaan tak tunak dengan variasi bahan dan bentuk. Penelitian ini dilakukan

dengan menggunakan metode beda hingga cara eksplisit untuk membandingkan

sirip yang utuh dengan sirip yang berlubang.

Beberapa contoh bentuk sirip yang terdapat pada hasil perkembangan

teknologi ditunjukkan pada Gambar 1.1 :


2

Gambar 1.1. Beberapa Contoh Bentuk Sirip

Penelitian tentang sirip telah dilakukan oleh banyak orang. Seperti pada buku

Perpindahan Kalor edisi keenam oleh J.P. Holman tahun 1997 yang membahas

tentang efisiensi dan efektivitas sirip 1 dimensi pada keadaan tak tunak.

Penelitian lain tentang sirip juga dilakukan oleh beberapa mahasiswa dari

Universitas Sanata Dharma antara lain :

Nuryanto (2002) meneliti tentang Laju Perpindahan Kalor Dan Efektivitas

Pada Sirip Tiga Dimensi Keadaan Tak Tunak. Perpindahan kalor konduksi yang

terjadi pada sirip ditinjau dalam 3 arah (3 dimensi) : arah X, arah Y dan arah Z.

Penyelesaian penelitian dilakukan dengan metode komputasi beda-hingga dengan

cara eksplisit.

Yohana (2004) meneliti tentang Laju Perpindahan Kalor Dan Efektivitas

Sirip Pada Kasus Tiga Dimensi Keadaan Tak Tunak. Arah perpindahan kalor

konduksi ditinjau dalam 3 arah, yakni arah sumbu X, sumbu Y dan sumbu Z.

Penyelesaian dilakukan secara simulasi numerik dengan metode beda hingga cara

eksplisit.

Saputro (2009) meneliti tentang Perbandingan Efisiensi Dan Efektivitas Sirip

Tak Berlubang Dengan Berlubang Empat Pada Kasus Dua Dimensi Keadaan Tak

Tunak. Perpindahan kalor konduksi yang terjadi di dalam sirip berlangsung dalam


3

2 arah yaitu X, Y. Penyelesaian penelitian dilakukan secara komputasi numerik

dengan mempergunakan metode beda hingga cara eksplisit.

Dan beberapa penelitian yang sudah dilakukan oleh beberapa mahasiswa

sebelumnya menjadi acuan bagi penulis untuk melakukan penelitian terhadap sirip

dua dimensi pada keadaan tak tunak dengan variasi bahan dan benda uji yang

berbeda dengan yang penelitian terdahulu. Penelitian yang dilakukanpenulis

membahas tentang laju perpindahan kalor, efisiensi dan efektivitas sirip dua

dimensi pada keadaan tak tunak dengan membandingkan sirip yang utuh dengan

sirip yang berlubang.

1.2. Perumusan Masalah

Informasi tentang efisiensi sirip dan efektivitas sirip tidak setiap bentuk

simetri sirip ada di dalam buku referensi. Efisiensi dan efektivitas sirip sangat

penting diketahui agar dapat mengetahui waktu yang diperlukan untuk proses

pendinginan. Bentuk simetri sirip yang diteliti tidak disajikan pada buku-buku

referensi, sehingga efisiensi dan efektifitas sirip perlu dicari sendiri.

1.3. Tujuan

Tujuan penelitian ini adalah :

a. Menghitung dan membandingkan laju aliran kalor total pada sirip dua dimensi

pada keadaan utuh dan keadaan berlubang pada keadaan tak tunak dengan

variasi bahan.

b. Menghitung dan membandingkan efisiensi kalor pada sirip dua dimensi pada

keadaan utuh dan keadaan berlubang pada keadaan tak tunak dengan variasi

bahan.

c. Menghitung dan membandingkan efektivitas kalor pada sirip dua dimensi

pada keadaan utuh dan keadaan berlubang pada keadaan tak tunak dengan

variasi bahan.


4

1.4. Batasan Masalah

Keadaan sirip pada awalnya mempunyai suhu yang merata sebesar Ti. Dengan

kondisi lingkungan awal sirip sebesar Tf1 dengan nilai koefisien perpindahan kalor

konveksi sebesar h1. Secara tiba-tiba sirip dikondisikan pada lingkungan yang baru

yang mempunyai suhu fluida Tf2 dengan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi

sebesar h2. Suhu dasar sirip dipertahankan tetap sebesar Tb. Pada awalnya nilai

Tbsama dengan Ti. Persoalannya adalah bagaimanakah distribusi suhu, laju aliran

kalor, efisiensi dan efektivitas dari waktu ke waktu pada sirip tersebut. Dilakukan

penelitian untuk 2 sirip yang berbeda. Sirip pertama utuh mempunyai dimensi

panjang X, lebar Y dan tebal t. Sirip yang kedua berlubang mempunyai dimensi

panjang X, lebar Y dan tebal dan besar lubang sebesar a×b×t. Geometri sirip seperti

tersaji dalam Gambar 1.2.


5

Gambar 1.2. Geometri Sirip Untuk Pengujian, (a) Sirip Utuh, (b) Sirip Berlubang

Asumsi :

a. Perpindahan kalor konduksi diasumsikan dalam 2 arah, arah X dan arah Y.

b. Sifat-sifat bahan merata (massa jenis ρ, kalor jenis c dan konduktivitas

thermal bahan k).

c. Bahan tidak berbangkit energi.

d. Suhu fluida Tf2 dan nilai koefisien panas konveksi h2 di sekitar sirip tetap dan

merata dari waktu ke waktu.

e. Selama proses benda tidak mengalami perubahan bentuk (tidak mengembang,

tidak menyusut dan tidak melengkung).

1.5. Manfaat

Manfaat dari penelitian ini antara lain :

a. Hasil penelitian dapat dipergunakan sebagai dasar dalam perancangan sirip.

b. Hasil penelitian dapat dipergunakan sebagai referensi bagi peneliti lain.

c. Menambah pengetahuan tentang penggunaan komputasi dalam perhitungan

sirip.


6

BAB II

DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Dasar Teori

2.1.1 Perpindahan Kalor

Perpindahan kalor dapat didefinisikan sebagai berpindahnya energi kalor dari

satu daerah ke daerah yang lain karena adanya perbedaan suhu dari kedua daerah

tersebut. Kalor berpindah dari daerah yang memiliki suhu tinggi ke daerah yang

memiliki suhu lebih rendah. Ilmu perpindahan kalor menjelaskan bagaimana energi

itu berpindah dari satu daerah ke daerah yang lain serta meramalkan laju

perpindahan kalor yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu. Ilmu perpindahan

kalor melengkapi hukum pertama dan kedua Thermodinamika yang berisikan

tentang kekekalan energi dan arah perpindahan kalor yang berlangsung pada arah

tertentu.

Perpindahan kalor pada umumnya dibagi menjadi tiga cara perpindahan kalor

yaitu secara konduksi, konveksi dan radiasi. Masing-masing cara perpindahan kalor

ini akan diuraikan tersendiri, akan tetapi karena perpindahan kalor radiasi yang

terjadi sangat kecil maka dapat diabaikan.

2.1.2 Perpindahan Kalor Konduksi

Perpindahan kalor konduksi adalah perpindahan kalor yang terjadi di dalam

suatu medium atau antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan

secara langsung atau dapat dikatakan secara hantaran. Pada perpindahan kalor

konduksi, perpindahan energi terjadi karena adanya hubungan molekul secara

langsung tanpa adanya perpindahan molekul yang cukup besar. Contoh

perpindahan kalor konduksi diperlihatkan pada Gambar 2.1 yang menunjukkan

perpindahan kalor konduksi antara dua buah tabung yang berisi fluida cair yang

memiliki perbedaan suhu yang bersinggungan langsung dan arah aliran kalor dari

fluida B yang memiliki suhu yang lebih tinggi ke fluida A yang memiliki suhu yang

lebih rendah.


7

Gambar 2.1. Contoh Perpindahan Kalor Konduksi

Persamaan perpindahan kalor konduksi dapat dilihat pada persamaan (2.1) :

………………………………………………………………. (2.1)

pada persamaan (2.1) :

q = Laju perpindahan kalor (W)

k = Konduktivitas thermal (W/m°C)

A = Luas penampang medium yang mengalami perpindahan kalor dan tegak

lurus dengan arah perpindahan kalor (m2)

= Gradien suhu ke arah perpindahan kalor

Tanda minus diberikan agar memenuhi hukum kedua Thermodinamika yaitu

bahwa arah aliran kalor mengalir ke medium yang memiliki suhu yang lebih rendah.

Gambaran persamaan (2.1) diperlihatkan pada Gambar 2.2.


8

Gambar 2.2. Arah Perpindahan Kalor Konduksi

Persamaan (2.1) disebut juga hukum Fourier yang merupakan persamaan

dasar tentang konduktivitas thermal. Dengan persamaan (2.1) kita dapat melakukan

percobaan untuk menentukan konduktivitas thermal untuk berbagai bahan. Nilai-

nilai konduktivitas thermal beberapa bahan dapat dilihat pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1. Nilai Konduktivitas Thermal Beberapa Bahan

Bahan k

W/m°C

Logam

Perak (murni)

Tembaga (murni)

Aluminium (murni)

Nikel (murni)

Besi (murni)

Timbal (murni)

Baja Carbon (1%C)

Baja Krom-Nikel (18%Cr,8%Ni)

410

385

202

93

73

35

43

16,3

Bahan k


9

W/m°C

Non Logam

Kuarsa (sejajar sumbu)

Magnesit

Marmar

Batu Pasir

Kaca Jendela

Kayu Mapel atau Ek

Serbuk Gergaji

Wol Kaca

41,6

4,15

2,08 – 2,94

1,83

0,78

0,17

0,059

0,038

Zat Cair

Air Raksa

Air

Amonia

Minyak Pelumas (SAE 50)

Freon 12 (CCl2F2)

8,21

0,556

0,540

0,147

0,073

Gas

Hidrogen

Helium

Udara

Uap Air Jenuh

Karbondioksida

0,175

0,141

0,024

0,0206

0,0146

Sumber : Perpindahan Kalor, Holman, 1996, hal. 7

Pada umumnya konduktivitas thermal itu sangat tergantung pada suhu. Dapat

diperhatikan jika satuan laju perpindahan kalor dinyatakan dalam Watt, sedangkan

satuan konduktivitas thermal dinyatakan dalam Watt per Celcius. Laju perpindahan

kalor dan nilai konduktivitas thermal menunjukkan seberapa cepat kalor mengalir

dalam bahan tertentu.

2.1.3 Perpindahan Kalor Konveksi

Perpindahan kalor konveksi adalah perpindahan kalor yang terjadi antara

permukaan padat dengan fluida yang mengalir di sekitarnya, dengan menggunakan

media penghantar berupa fluida (cair/gas). Pada perpindahan kalor konveksi terjadi


10

perpindahan energi dengan gabungan perpindahan kalor konduksi, penyimpanan

energi dan juga gerakan campuran perpindahan kalor. Contoh perpindahan kalor

konveksi diperlihatkan pada Gambar 2.3 yang menunjukkan pergerakan udara pada

peristiwa perpindahan kalor konveksi dari sumber panas yang terletak di dalam

ruangan.

Gambar 2.3. Contoh Perpindahan Kalor Konveksi

Persamaan perpindahan kalor konveksi dapat dilihat pada persamaan (2.2) :

…………………………………………………………. (2.2)



h = Koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m2°C)

A = Luas permukaan medium yang bersinggungan dengan fluida (m2)

Ts = Suhu permukaan medium (°C)

T∞ = Suhu fluida (°C)


11

Sama halnya dengan perpindahan kalor konduksi, tetapi pada perpindahan

kalor konveksi arah aliran perpindahan kalor terjadi dari permukaan medium yang

memiliki lebih tinggi ke fluida di sekitarnya yang memiliki suhu yang lebih rendah.

Gambaran persamaan (2.2) diperlihatkan pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4. Arah Perpindahan Kalor Konveksi

Persamaan (2.2) merupakan efek dari keseluruhan perpindahan kalor

konveksi yang dirumuskan dengan hukum Newton tentang pendinginan. Pada

persamaan (2.2), laju perpindahan kalor dikaitkan dengan perbedaan temperatur

menyeluruh permukaan medium dengan fluida dan luas permukaan. Untuk kondisi

tertentu, nilai koefisien perpindahan kalor konveksi ditentukan dengan cara

pengujian/eksperimen. Koefisien perpindahan kalor konveksi kadang-kadang

disebut juga dengan konduktansi film karena hubungannya dengan perpindahan

kalor konduksi lapisan fluida yang diam pada permukaan medium. Dan nilai kira-

kira koefisien perpindahan kalor konveksi dapat dilihat pada Tabel 2.2.


12

Tabel 2.2. Nilai Kira-kira Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi

Modus h

W/m2°C

Konveksi bebas, ΔT=30°C

- Pelat vertikal, tinggi 0,3 m di udara

- Silinder horisontal, diameter 5 cm di udara

- Silinder horisontal, diameter 2 cm di air

4,5

6,5

890

Konveksi paksa

- Aliran udara 2 m/s di atas pelat bujur sangkar 0,2 m

- Aliran udara 35 m/s di atas pelat bujur sangkar 0,75 m

- Udara 2 atm mengalir dalam tabung diameter 2,5

cmkecepatan 10 m/s

- Air 0,5 kg/s mengalir di dalam tabung diameter 2,5 cm

- Aliran udara melintasi silinder tabung diameter 5 cm,

kecepatan 50 m/s

12

75

65

3500

180

Air mendidih

- Dalam kolam atau bejana

- Mengalir dalam pipa

2.500 – 35.000

5.000 – 100.000

Pengembunan uap air, 1 atm

- Permukaan vertikal

- Di luar tabung horisontal

4.000 – 11.300

9.500 – 25.000

Sumber : Perpindahan Kalor, Holman, 1996, hal. 12

Menurut cara menggerakkan alirannya, perpindahan kalor konveksi

dibedakan menjadi dua yaitu :

2.1.3.1. Perpindahan Kalor Konveksi Bebas

Perpindahan kalor konveksi bebas terjadi karena oleh perbedaan massa

jenisnya dan tidak ada tenaga dari luar yang menggerakkannya seperti kipas angin,

blower, pompa, dll. Perbedaan massa jenis ini disebabkan karena adanya perbedaan

suhu. Contoh perpindahan kalor konveksi dapat ditemui pada kasus memasak air.


13

Semua air yang ada dalam panci dapat mendidih secara merata karena air

melakukan pergerakan. Pergerakan air ini karena perbedaan massa jenis. Fluida

yang mengalami pemanasan massa jenisnya lebih kecil dari fluida yang dingin

sehingga fluida yang mengalami pemanasan akan mengembang.

Untuk menghitung besarnya perpindahan kalor konveksi bebas, harus

diketahui terlebih dahulu nilai koefisien perpindahan kalor konveksi h. Untuk

mencari nilai h, dapat dicari dari Bilangan Nusselt. Karena Bilangan Nusselt fungsi

dari bilangan Rayleigh, maka bilangan Rayleigh dicari dulu.

2.1.3.1.1. Bilangan Rayleigh (Ra)

Bilangan Rayleigh dinyatakan dengan persamaan (2.3) :

……………………………………………. (2.3)

……………………………………………………………………. (2.4)

………………………………………………………………. (2.5)

Pada persamaan (2.5) :

g = Percepatan gravitasi = 9,8 m/s

δ = Panjang karakteristik, untuk dinding vertikal δ = L

Ts = Suhu permukaan medium (°C)


Tf = Suhu film (°C)

ν = Viskositas kinematik (m2/s), dilihat pada Tabel A - 15

Pr = Bilangan Prandtl, dilihat pada Tabel A - 15


14

2.1.3.1.2. Bilangan Nusselt (Nu)

Pada dinding vertikal, rumus bilangan Nusselt yang berlaku ditunjukkan pada

Tabel 2.3.

Tabel 2.3. Bilangan Nusselt (Nu) untuk Dinding Vertikal.

Geometri Panjang

karakteristik Ra Nusselt ( Nu )

δ=L

104 s/d 109 0,59

109 s/d 1013 0,1

Untuk

semua Ra

0,8250,387

1 0,492⁄

*kompleks tetapi lebih akurat

Untuk bilangan Nusselt, dapat diperoleh nilai koefisien perpindahan kalor

konveksi :

…………………………………………………………………… (2.6)


h = koefisien perpindahan kalor konveksi ( W/m2°C )

k = koefisien perpindahan kalor konduksi ( W/m°C )

Besarnya laju perpindahan kalor konveksi bebas dapat dihitung dengan

persamaan (2.2).


15

2.1.3.2. Perpindahan Kalor Konveksi Paksa

Perpindahan kalor konveksi paksa terjadi karena adanya tenaga dari luar yang

menggerakannya seperti kipas angin, blower, pompa, dll. Untuk menghitung laju

perpindahan panas konveksi, harus diketahui terlebih dahulu nilai koefesien

perpindahan panas konveksi h. Sedangkan untuk mencari nilai koefisien

perpindahan panas konveksi h dapat dicari dari bilangan Nusselt. Bilangan Nusselt

yang dipilih harus sesuai dengan kasusnya, karena setiap kasus mempunyai

bilangan Nusselt tersendiri. Sebagai contoh dipilih untuk kasus fluida yang

mengalir di atas pelat datar seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5. Arah Aliran Fluida Pada Pelat Datar

Ada 2 bilangan Nusselt yaitu bilangan Nusselt lokal dan bilangan Nusselt

rata-rata. Bilangan Nusselt lokal, untuk mencari nilai h pada jarak x yang ditinjau.

Sedangkan bilangan Nusselt rata-rata untuk menghitung h rata-rata dari x = 0

sampai dengan jarak x yang ditinjau.

2.1.3.2.1. Bilangan Nusselt (Nu) pada Bidang Datar untuk Aliran Laminar

Syarat aliran Laminar : Rex < 100.000. Bilangan Reynold dirumuskan seperti


……………………………………………………………… (2.7)


16

Berlaku persamaan Nusselt Lokal Nu pada jarak x, untuk Pr > 0,6.

0,332 …………………………………………… (2.8)

Berlaku persamaan Nusselt rata-rata untuk x = 0 sampai dengan x = L.

0,664 …………………………………………… (2.9)


Re = Bilangan Reynold

ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)

U∞ = Kecepatan fluida (m/s)

Nu = Bilangan Nusselt

μ = Viskositas (kg/m.s)

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

h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 oC)


2.1.3.2.2. Bilangan Nusselt (Nu) pada Bidang Datar untuk Kombinasi Aliran

Laminar dan Turbulen

Syarat aliran sudah turbulen : 500.000 < Re < 107. Berlaku persamaan Nusselt

rata-rata :

0,664 871 …………………………………… (2.10)

dengan syarat : 0,6 ≤ Pr ≤ 60.


Re = Bilangan Reynold

ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)


17

U∞ = Kecepatan fluida (m/s)

Nu = Bilangan Nusselt

μ = Viskositas (kg/m.s)

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



L = Panjang dinding (m)

Besarnya laju perpindahan kalor konveksi paksa dapat dihitung dengan

persamaan (2.2).

2.1.4 Perpindahan Kalor Radiasi

Perpindahan kalor radiasi adalah perpindahan kalor yang terjadi karena

pancaran/sinaran/radiasi gelombang elektromagnetik tanpa memerlukan media

perantara. Berbeda dengan perpindahan kalor konduksi dan konveksi dimana

perpindahan energi terjadi melalui media, maka kalor juga bisa dipindahkan melalui

ruang vakum. Mekanisme ini disebut radiasi elektromagnetik. Radiasi

elektromagnetik yang dihasilkan oleh perbedaan temperatur disebut radiasi

thermal. Dalam thermodinamika, pembangkit kalor ideal atau benda hitam akan

memancarkan energi sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak medium dan

berbanding lurus dengan luas permukaan.

Persamaan perpindahan kalor radiasi dapat dilihat pada persamaan (2.11) :

………………………………………………………… (2.11)



σ = Konstanta proposional atau konstanta Stefan-Boltzmann

= 5,669 x 10-8 W/m2K4

A = Luas permukaan medium (m2)

T1,2 = Suhu permukaan medium (K)


18

2.1.5 Laju Aliran Kalor pada Sirip

Fungsi sirip yaitu membuang seluruh kalor yang berpindah dari dasar sirip ke

sirip ke lingkungan sekitarnya. Dengan menambahkan sirip pada suatu benda maka

suhu benda tersebut akan selalu tetap. Besarnya kalor yang dipindahkan oleh sirip

ke lingkungan sekitarnya disebut laju aliran kalor. Dengan mengetahui besarnya

kalor yang dipindahkan sirip tersebut maka fungsi dari sirip dapat dikatakan baik

atau tidak. Besarnya laju aliran kalor pada sirip dapat diketahui setelah mengetahui

hasil perhitungan distribusi suhu pada sirip menggunakan persamaan (2.12).

Persamaan laju aliran kalor pada sirip dapat dinyatakan dengan persamaan

(2.12) :

∑ …………………………………………………. (2.12)


n = Jumlah titik yang diambil pada pengujian sirip

q = Laju perpindahan kalor konveksi pada titik i (W)


Asi = Luas penampang sirip yang bersentuhan dengan fluida pada titik i (m2)

Ti = Suhu pada titik i (°C)

T∞ = suhu fluida (°C)

2.1.6 Efisiensi Sirip

Efisiensi sirip merupakan perbandingan antara kalor yang sesungguhnya

dilepas sirip dengan kalor maksimum yang dapat dilepaskan oleh sirip, atau dapat

dinyatakan dengan persamaan (2.13):

∞ ……………………………………………… (2.13)


19

dari persamaan (2.13) dapat pula ditulis,

∞ ………………………………………… (2.14)


ηfin = Efisiensi sirip

qactual = Jumlah kalor sesungguhnya yang dilepas sirip (W)

qmax = Jumlah kalor maksimum yang dapat dilepas oleh sirip (W)


Asfin = Luas penampang total sirip (m2)

Ts = Suhu permukaan dasar sirip, °C

T∞ = Suhu fluida, °C

2.1.7 Efektivitas Sirip

Efektivitas sirip merupakan perbandingan kalor yang dilepaskan seluruh

permukaan benda bersirip dengan permukaan benda tersebut jika tidak bersirip.

Dinyatakan dengan persamaan (2.15).

,,

, …………………………………………………… (2.15)

pada persamaan (2.15):

, ……………………………………………….. (2.16)

, ……………………………. (2.17)

, …………………… (2.18)

pada persamaan (2.15), (2.16), (2.17) dan (2.18) :

Qtotal,fin = Jumlah kalor yang dilepas permukaan benda bersirip (W)

Qtotal,nofin = Jumlah kalor yang dilepas permukaan benda jika tidak bersirip (W)

Qunfin = Jumlah kalor yang dilepas permukaan selain sirip bendabersirip (W)


20

nfin = Jumlah sirip

w = Lebar benda bersirip (m)

P = Tinggi benda bersirip (m)

k = Koefisien perpindahan kalor konduksi (W/m°C)

h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2°C)

Ts = Suhu permukaan dasar sirip (°C)


2.1.8 Bilangan Biot

Bilangan Biot merupakan bilangan yang tak berdimensi. Bilangan Biot

berkaitan dengan tahanan laju aliran kalor secara konduksi di dalam sirip dan

tahanan laju aliran kalor secara konveksi di permukaan sirip. Bilangan Biot dapat

dinyatakan dengan persamaan (2.19).

∆ …………………………………………………………………. (2.19)


Bi = Bilangan Biot

h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2°C)

Δx = Panjang karakteristik (m)


2.1.9 Bilangan Fourier

Bilangan Fourier juga merupakan bilangan tak berdimensi. Bilangan Fourier

digunakan pada kasus keadaan tak tunak yang salah satunya digunakan sebagai

syarat stabilitas. Besaran syarat stabilitas untuk bilangan Fourier di setiap kasus

berbeda-beda. Semakin besar bilangan Fourier yang digunakan (tetapi tidak

melebihi syarat stabilitas) maka selang waktu yang diperlukan semakin besar, tetapi

waktu yang dibutuhkan untuk melakukan perhitungan konvergensi semakin cepat.

Bilangan Fourier dapat dinyatakan dengan persamaan (2.20).


21

∆

∆ …………………………………………………………………. (2.20)


Fo = Bilangan Fourier

α = Disfusitas thermal bahan (m2/s)

Δt = Selang waktu (s)

Δx = Panjangnya volume kontrol (m)

2.1.10 Disfusitas Thermal

Disfusitas thermal suatu bahan adalah perbandingan antara konduktivitas

thermal suatu bahan terhadap massa jenis dan kalor jenis. Disfusitas thermal dapat

dinyatakan dengan persamaan (2.21).

……………………………………………………………………. (2.21)


α = Disfusitas thermal bahan (m2/s)


ρ = Massa jenis medium (kg/m3)

c = Kalor jenis medium (J/kg°C)

dari persamaan (2.20) dan (2.21) dapat dituliskan :

∆

∆ ………………………………………………………………… (2.22)

2.2 Tinjauan Pustaka

Nuryanto (2002) meneliti tentang Laju Perpindahan Kalor Dan Efektivitas

Pada Sirip Tiga Dimensi Keadaan Tak Tunak. Tujuan penelitian untuk menentukan

besarnya laju perpindahan kalor yang dilepas sirip dan efektivitas sirip pada

keadaan tak tunak dengan berbagai nilai koefisien perpindahan kalor konveksi dan

berbagai bahan sirip. Perpindahan kalor konduksi yang terjadi pada sirip ditinjau


22

dalam 3 arah ( 3 dimensi ) : arah X, arah Y dan arah Z. Penyelesaian penelitian

dilakukan dengan metode komputasi beda hingga dengan cara eksplisit. Hasil

penelitian menunjukkan bahwa semakin besar nilai koefisien perpindahan kalor

konveksi (h) maka semakin besar laju aliran kalor yang dilepas sirip dan semakin

kecil nilai efektivitas siripnya.

Yohana (2004) meneliti tentang Laju Perpindahan Kalor Dan Efektivitas

Sirip Pada Kasus Tiga Dimensi Keadaan Tak Tunak. Tujuan penelitian untuk

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

tunak pada sirip berongga. Arah perpindahan kalor konduksi ditinjau dalam 3 arah,

yakni arah sumbu X, sumbu Y dan sumbu Z. Penyelesaian dilakukan secara

simulasi numerik dengan metode beda hingga cara eksplisit. Hasil penelitian : (a)

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

semakin besar sedangkan efektivitas menurun, (b) Semakin tinggi nilai koefisien

konveksi di dalam rongga sirip (h2) maka laju aliran kalor dan efektivitas

meningkat, (c) Semakin besar nilai h1 = h2 maka laju aliran kalor dan efektivitas

menurun, (d) Sifat bahan sirip mempengaruhi laju aliran kalor dan efektivitas sirip.

Saputro (2009) meneliti tentang Perbandingan Efisiensi Dan Efektivitas Sirip

Tak Berlubang Dengan Berlubang Empat Pada Kasus Dua Dimensi Keadaan Tak

Tunak. Tujuan penelitian untuk mengetahui perbandingan antara distribusi suhu,

laju aliran kalor, efisiensi dan efektivitas antara sirip tak berlubang dan sirip

berlubang empat pada keadaan tak tunak. Perpindahan kalor konduksi yang terjadi

di dalam sirip berlangsung dalam 2 arah yaitu X, Y. Penyelesaian penelitian

dilakukan secara komputasi numerik dengan mempergunakan metode beda hingga

cara eksplisit. Hasil penelitian : (a) Suhu sirip berlubang empat dan sirip tak

berlubang adalah sama (perbedaan tak begitu signifikan), (b) Laju aliran kalor sirip

berlubang lebih rendah dibanding sirip tak berlubang, (c) Efisiensi sirip berlubang

lebih rendah dibanding sirip tak berlubang, (d) Efektivitas sirip berlubang lebih

rendah dibanding sirip tak berlubang.


23

BAB III

PERSAMAAN NUMERIK

3.1 Kesetimbangan Energi pada Volume Kontrol

Prinsip kesetimbangan energi pada volume kontrol digunakan untuk

mendapatkan persamaan numerik dalam mencari distribusi suhu sirip pada keadaan

tak tunak.

Gambar 3.1. Kesetimbangan Energi pada Volume Kontrol

Pada Gambar 3.1 kesetimbangan energi pada volume kontrol dapat

dinyatakan dengan persamaan (3.1) :

∆

∆

∆

…………………………………………………. (3.1)

Jika energi yang dibangkitkan di dalam volume kontrol diasumsikan tidak ada maka

persamaan (3.1) dapat dituliskan menjadi :


24

0

∑ …………………………………………………………. (3.2)

pada persamaan (3.1) dan (3.2) :

Ein = Energi yang masuk ke dalam volume kontrol (Joule)

Eout = Energi yang ke luar dari volume kontrol (Joule)

Eq = Energi yang dibangkitkan di dalam volume kontrol (Joule)

Est = Energi perubahan di dalam volume kontrol (Joule)

qi = Laju perpindahan kalor yang masuk melalui permukaan i (W)

ρ = Massa jenis medium (kg/m3)

c = Kalor jenis medium (J/kg°C)

V = Volume kontrol (m3)

= Gradien suhu selama t detik

3.2 Penurunan Persamaan Numerik pada Volume Kontrol

Penyelesaian dengan metode komputasi dilakukan dengan membagi sirip

menjadi elemen-elemen kecil yang disebut dengan volume kontrol. Pada pengujian

ini dinyatakan bahwa Δx = Δy = 5 mm, maka sirip dibagi menjadi 441 volume

kontrol pada sirip utuh dan 320 volume kontrol pada sirip yang berlubang.

Pembagian sirip menjadi banyak volume kontrol seperti tersaji dalam Gambar 3.2

dan Gambar 3.3.


25

Gambar 3.2. Pembagian Volume Kontrol pada Sirip Utuh


26

Gambar 3.3. Pembagian Volume Kontrol pada Sirip Berlubang

Penurunan persamaan numerik berdasarkan pada prinsip kesetimbangan

energi yang terjadi di setiap volume kontrol. Sebagai contoh pengujian pada

penurunan persamaan numerik adalah sirip yang berlubang seperti yang tersaji pada

Gambar 3.3. Pada pengujian ini, volume kontrol dengan nomor 1, 22, 43, 64, 85,

106, 116, 126, 136, 146, 156, 166, 176, 186, 196, 206, 216, 237, 258, 279 dan 300

merupakan volume kontrol yang berada pada dasar sirip. Sehingga volume kontrol

yang berada pada dasar sirip tidak dilakukan penurunan persamaan numerik karena

suhu pada volume kontrol tersebut sama dengan suhu pada dasar sirip. Maka

penurunan persamaan numerik dilakukan pada volume kontrol yang berada di

tengah sirip, di rusuk sirip, di sudut dalam sirip dan di sudut luar sirip.


27

3.2.1 Persamaan Numerik pada Volume Kontrol di Tengah Sirip

Volume kontrol di tengah sirip merupakan volume kontrol yang berada di

dalam sirip dan tidak bersinggungan langsung dengan fluida pada arah X dan Y.

Seperti yang tersaji pada Gambar 3.3, volume kontrol yang berada di tengah sirip

antara lain pada nomor volume kontrol : 23 s/d 41, 44 s/d 62, 65 s/d 83, 86 s/d 88,

102 s/d 104, 107 s/d 109, 112 s/d 114, 117 s/d 119, 122 s/d 124, 127 s/d 129, 132

s/d 134, 137 s/d 139, 142 s/d 144, 147 s/d 149, 152 s/d 154, 157 s/d 159, 162 s/d

164, 167 s/d 169, 172 s/d 174, 177 s/d 179, 182 s/d 184, 187 s/d 189, 192 s/d 194,

197 s/d 199, 202 s/d 204, 207 s/d 209, 212 s/d 214, 217 s/d 219, 233 s/d 235, 238

s/d 256, 259 s/d 277 dan 280 s/d 298. Diambil contoh pada volume kontrol nomor

23, bahwa perpindahan kalor terjadi secara konduksi pada arah X dan Y yaitu q1

s/d q4. Sedangkan perpindahan kalor terjadi secara konveksi pada arah Z (dari arah

atas dan bawah) yaitu q5 dan q6, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.4.

Gambar 3.4. Volume Kontrol di Tengah Sirip

Dengan besarnya lebar volume kontrol adalah Δx, panjang volume kontrol

adalah Δy dan tebal volume kontrol adalah t, maka besarnya volume kontrol di

tengah sirip = Δx x Δy x t. Karena besarnya Δx = Δy maka dapat dituliskan menjadi

:

∆ ………………………………………………………………. (3.3)


28

Dari Gambar 3.4 maka persamaan numerik pada volume kontrol di tengah

sirip adalah :

Kesetimbangan energi :

, ,

∆

maka,

∆ , ,

∆ …………………. (3.4)

secara konduksi,

, ,

∆∆ , ,

∆ , , ………… (3.5)

, ,

∆∆ , ,

∆ , , ………… (3.6)

, ,

∆∆ , ,

∆ , , ………… (3.7)

, ,

∆∆ , ,

∆ , , ………… (3.8)

secara konveksi,

, ∆ ∆ , ∆ , …. (3.9)

, ∆ ∆ , ∆ , …. (3.10)

jadi,

, , , , , , , ,

∆ , ∆ , ∆ , ,

∆ ……. (3.11)


29

dari persamaan (3.11) dikalikan maka menjadi :

, , , , , , , ,

∆,

∆, , ,

……………………………… (3.12)

dari persamaan (3.12) dikalikan Fo maka menjadi :

, , , , 2 ∆ 1 4

2 ∆, , ………………………………………. (3.13)

dengan syarat stabilitas :

1 4 2 ∆ 0

4 2 ∆ 1

4 2 ∆ 1

4 2 ∆ 1

maka ∆ ………………………………………………………. (3.14)

3.2.2 Persamaan Numerik pada Volume Kontrol di Rusuk Sirip

Volume kontrol di rusuk sirip merupakan volume kontrol yang berada di tepi

sirip dan bersinggungan dengan fluida dari arah luar ke dalam sirip serta dari arah

Z (dari arah atas dan bawah). Seperti yang tersaji pada Gambar 3.3, volume kontrol

yang berada di rusuk sirip antara lain pada nomor volume kontrol : 2 s/d 20, 42, 63,

84, 90 s/d 100, 105, 110, 111, 115, 120, 121, 125, 130, 131, 135, 140, 141, 145,

150, 151, 155, 160, 161, 165, 170, 171, 175, 180, 181, 185, 190, 191, 195, 200, 201,

205, 210, 211, 215, 221 s/d 231, 236, 257, 278, 299, dan 301 s/d 319. Diambil

contoh pada volume kontrol nomor 2, bahwa perpindahan kalor terjadi secara


30

konduksi dari arah X yaitu q1 dan q2 serta dari dalam sirip ke luar (lingkungan

sekitar) arah Y yaitu q3. Sedangkan perpindahan kalor terjadi secara konveksi dari

luar (lingkungan sekitar) ke dalam sirip arah Y yaitu q4 serta arah Z (dari arah atas

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

Gambar 3.5. Volume Kontrol di Rusuk Sirip

Besarnya volume kontrol di rusuk sirip = Δx x ½Δy x t. Karena besarnya Δx

= Δy maka dapat dituliskan menjadi :

∆ …………………………………………………………….. (3.15)

Dari Gambar 3.5 maka persamaan numerik pada volume kontrol di rusuk

sirip adalah :


, ,

∆

maka,

∆ , ,

∆………………. (3.16)


31

secara konduksi,

, ,

∆∆ , ,

∆ , , ……. (3.17)

, ,

∆∆ , ,

∆ , , ……. (3.18)

, ,

∆∆ , ,

∆ , , ………. (3.19)

secara konveksi,

, ∆ , …………………………… (3.20)

, ∆ ∆ , ∆ ,

……………………………………………………………………………. (3.21)

, ∆ ∆ , ∆ ,

……………………………………………………………………………. (3.22)

jadi,

, , , , , , ∆

, ∆ , ∆ , ∆ , ,

∆

…………………………………………………………………………… (3.23)


, , , , 2 , , 2 ,

∆,

∆, , , ………………… (3.24)

dari persamaan (3.24) dikalikan Fo maka menjadi :

, , 2 , 2 2 ∆ 1 4 2

2 ∆, , ……………………………………………………. (3.25)


32


1 4 2 2 ∆ 0

4 2 2 ∆ 1

4 2 2 ∆ 1

4 2 2 ∆ 1

maka ∆ …………………………………………………… (3.26)

3.2.3 Persamaan Numerik pada Volume Kontrol di Sudut Dalam Sirip

Volume kontrol di sudut dalam sirip merupakan volume kontrol yang berada

di sudut bagian dalam sirip yang terletak pada sudut lubang sirip. Seperti yang

tersaji pada Gambar 3.3, volume kontrol yang berada di sudut dalam sirip antara

lain pada nomor volume kontrol : 89, 101, 220 dan 232. Diambil contoh pada

volume kontrol nomor 89, bahwa perpindahan kalor terjadi secara konduksi dari

sebagian arah X dan Y yaitu q1 s/d q4. Sedangkan perpindahan kalor terjadi secara

konveksi dari sebagian luar (lingkungan sekitar) ke dalam sirip arah X atau Y yaitu

q5 dan q6, dan arah Z (dari arah atas dan bawah) yaitu q7 dan q8, seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 3.6.

Gambar 3.6. Volume Kontrol di Sudut Dalam Sirip


33

Besarnya volume kontrol di sudut dalam sirip = ¾ x (Δx x Δy) x t. Karena

besarnya Δx = Δy maka dapat dituliskan menjadi :

∆ ……………………………………………………………. (3.27)

Dari Gambar 3.6 maka persamaan numerik pada volume kontrol di sudut

dalam sirip adalah :


, ,

∆

maka,

∆ , ,

∆ …… (3.28)

secara konduksi,

, ,

∆∆ , ,

∆ , , ………… (3.29)

, ,

∆∆ , ,

∆ , , ……. (3.30)

, ,

∆∆ , ,

∆ , , ……. (3.31)

, ,

∆∆ , ,

∆ , , ……….. (3.32)

secara konveksi,

, ∆ , ………………………… (3.33)

, ∆ , ………………………… (3.34)


34

, ∆ ∆ , ∆ ,

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

, ∆ ∆ , ∆ ,

……………………………………….……………………………………. (3.36)

jadi,

, , , , , , , ,

∆ , ∆ , ∆ ,

∆ , ∆ , ,

∆ ………………………. (3.37)


2 , , , , , , 2 , ,

, ,∆

,∆

,

, , …………………………………………………………. (3.38)


2 , , , 2 , 2 ∆

1 4 2 ∆, , ……………………………. (3.39)


1 4 2 ∆ 0

4 2 ∆ 1

4 2 ∆ 1

4 2 ∆ 1


35

maka ∆ …………………………………………………… (3.40)

3.2.4 Persamaan Numerik pada Volume Kontrol di Sudut Luar Sirip

Volume kontrol di sudut luar sirip merupakan volume kontrol yang berada di

sudut bagian luar sirip. Seperti yang tersaji pada Gambar 3.3, volume kontrol yang

berada di sudut dalam sirip antara lain padanomor volume kontrol : 21 dan 320.

Diambil contoh pada volume kontrol nomor 21, bahwa perpindahan kalor terjadi

secara konduksi dari sebagian arah X dan Y yaitu q1 dan q2. Sedangkan perpindahan

kalor terjadi secara konveksi dari sebagian luar (lingkungan sekitar) ke dalam sirip

arah X atau Y dan arah Z (dari arah atas dan bawah) yaitu q3 s/d q6, seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 3.7.

Gambar 3.7. Volume Kontrol di Sudut Luar Sirip

Besarnya volume kontrol di sudut luar sirip = ½Δx x ½Δy x t. Karena

besarnya Δx = Δy maka dapat dituliskan menjadi :

∆ ……………………………………………………………. (3.41)


36

Dari Gambar 3.7 maka persamaan numerik pada volume kontrol di sudut

luar sirip adalah :


, ,

∆

maka,

∆ , ,

∆………………. (3.42)

secara konduksi,

, ,

∆∆ , ,

∆ , , ……. (3.43)

, ,

∆∆ , ,

∆ , , ……. (3.44)

secara konveksi,

, ∆ , ………………………… (3.45)

, ∆ , ………………………… (3.46)

, ∆ ∆ , ∆ ,

……………………………………………………………………………. (3.47)

, ∆ ∆ , ∆ ,

………………………………………………………………………….…. (3.48)


37

jadi,

, , , , ∆ ,

∆ , ∆ , ∆ ,

∆ , ,

∆ …………………………………………………. (3.49)


, , , , , ,

∆,

∆, , ,

…………………………… (3.50)

dari persamaan (3.50) dikalikan 2 maka menjadi :

2 , , 4 2 ∆ 1 4 4

2 ∆, , ……………………………………………………. (3.51)


1 4 4 2 ∆ 0

4 4 2 ∆ 1

4 4 2 ∆ 1

4 4 2 ∆ 1

maka ∆ …………………………………………………… (3.52)


38

BAB IV

METODE PENELITIAN

4.1. Benda Uji

Benda uji berupa sirip dengan bahan logam. Geometri benda uji sirip seperti

yang ditunjukkan pada Gambar 4.1.

Gambar 4.1. Geometri Sirip Untuk Pengujian,

(a) Sirip Utuh, (b) Sirip Berlubang


39

Kondisi sirip dan kondisi lingkungan di sekitar sirip :

Kondisi suhu awal sirip ( Ti ) = 100°C

Kondisi suhu dasar sirip ( Tb ) = 100°C

Kondisi suhu fluida ( Tf ) = 30°C

4.2. Variasi Penelitian

Variasi penelitian yang dilakukan yaitu :

a. Variasi bentuk sirip

1. Sirip utuh

2. Sirip berlubang

b. Variasi bahan sirip

1. Aluminium

2. Tembaga

3. Besi

4.3. Peralatan Pendukung

Peralatan yang digunakan dalam pengujian ini menggunakan :

a. Perangkat Keras ( Hardware )

1. Laptop Lenovo G560 dengan spesifikasi Intel® Core™ i3 CPU M370

@2.40 GHz 2.40 GHz, 2.00 GB.

2. Printer EPSON L100 series.

b. Perangkat Lunak ( Software )

1. Windows 8.1 Enterprise.

2. Microsoft Office Word 2013.

3. Microsoft Office Excel 2013.

4. Autocad 2014.


40

4.4. Metode Penelitian

Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode komputasi

dengan mempergunakan metode beda hingga cara eksplisit. Langkah-langkah yang

dilakukan untuk mendapatkan metode beda hingga cara eksplisit adalah sebagai

berikut :

a. Benda uji sirip dibagi menjadi elemen-elemen kecil seperti yang ditunjukkan

pada Gambar 4.2. Suhu pada elemen-elemen kecil tersebut mewakili suhu

volume kontrol elemen kecil tersebut.

(a)


41

(b)

Gambar 4.2. Pembagian Volume Kontrol pada Sirip

(a) Sirip Utuh, (b) Sirip Berlubang

b. Menuliskan persamaan numerik pada setiap volume kontrol dengan metode

beda hingga eksplisit berdasarkan prinsip kesetimbangan energi pada sirip.

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

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

d. Memasukkan data yang diperlukan untuk dapat mengetahui hasil dari

pengolahan data yang dijalankan dari program yang telah dibuat.


42

Pengujian pada benda uji sirip dilakukan dengan variasi bahan yang telah

ditentukan untuk dapat mengetahui perbedaan distribusi suhu, laju aliran kalor,

efisiensi dan efektivitas dari variasi bahan tersebut. Dan juga untuk mengetahui

bahan yang paling baik untuk digunakan sebagai bahan sirip pada variasi pengujian

benda uji sirip ini.

4.5. Cara Pengambilan Data

Pengambilan data yang dilakukan dengan membuat program terlebih dahulu

pada Microsoft Excel sesuai dengan metode yang digunakan. Kemudian

memasukkan data ke dalam program yang telah dibuat. Hasil perhitungan dari

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

efektivitas. Semua data-data hasil perhitungan yang diperlukan dari program

tersebut kemudian dicatat untuk dapat diolah.

4.6. Cara Pengolahan Data

Hasil perhitungan dari program yang telah dilakukan kemudian diolah untuk

dapat ditampilkan dalam grafik. Grafik yang ditampilkan adalah grafik hubungan

antara :

1. Distribusi suhu pada setiap volume kontrol

2. Laju aliran kalor dengan waktu

3. Efisiensi dengan waktu

4. Efektivitas dengan waktu

Dari grafik yang didapat, pembahasan dapat dilakukan terhadap hasil

perhitungan serta untuk dapat melakukan kesimpulan dari hasil pengujian ini.


43

BAB V

HASIL PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

5.1. Hasil Perhitungan

Hasil perhitungan dari penelitian ini disajikan dalam bentuk grafik untuk lebih

mudah dalam membandingkan sirip utuh dan sirip berlubang dengan variasi bahan.

Analisa yang dilakukan pada penelitian ini antara lain adalah

1. Perbandingan laju aliran kalor total dari waktu ke waktu

2. Perbandingan efisiensi kalor dari waktu ke waktu

3. Perbandingan efektivitas kalor dari waktu ke waktu

5.1.1. Sirip Utuh

5.1.1.1. Distribusi Suhu pada Sirip Utuh dari Waktu ke Waktu

Perhitungan distribusi suhu pada sirip utuh dilakukan untuk mengetahui

distribusi suhu pada sirip utuh yang terjadi di setiap volume kontrol dari waktu ke

waktu. Perhitungan distribusi suhu pada sirip utuh dilakukan pada setiap bahan

dengan mengambil sampling pada nomor volume kontrol 22 sampai 42 yang

terletak dalam satu garis lurus seperti yang terlihat pada Gambar 4.2a, dengan harga

h = 12 W/m2°C pada detik ke 0 hingga 600 detik.

5.1.1.1.1. Distribusi Suhu pada Sirip Aluminium Utuh dari Waktu ke Waktu

Perhitungan distribusi untuk bahan aluminium dengan k = 202 W/m°C seperti

yang terlihat pada Gambar 5.1. Dari grafik yang ditunjukkan pada Gambar 5.1

terlihat bahwa distribusi suhu pada detik ke 300 dan 600 adalah sama. Jadi bisa

dikatakan bahwa perubahan suhu yang terjadi mulai stabil setelah detik ke 300.


44

Gambar 5.1. Grafik Distribusi Suhu Sirip Aluminium Utuh pada Volume Kontrol

Nomor 22 – 42 dari Waktu ke Waktu

5.1.1.1.2. Distribusi Suhu pada Sirip Tembaga Utuh dari Waktu ke Waktu

Perhitungan distribusi untuk bahan tembaga dengan k = 385 W/m°C seperti


terlihat bahwa distribusi suhu pada detik ke 300 dan 600 adalah sama. Jadi bisa

dikatakan bahwa perubahan suhu yang terjadi mulai stabil setelah detik ke 300.

Gambar 5.2. Grafik Distribusi Suhu Sirip Tembaga Utuh pada Volume Kontrol


90

92

94

96

98

100

102

22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42

Su

hu

(°C

)

Volume Kontrol

0 detik

15 detik

30 detik

60 detik

120 detik

300 detik

600 detik

94

95

96

97

98

99

100

101

22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42

Su

hu

(°C

)

Volume Kontrol

0 detik

15 detik

30 detik

60 detik

120 detik

300 detik

600 detik


45

5.1.1.1.3. Distribusi Suhu pada Sirip Besi Utuh dari Waktu ke Waktu

Perhitungan distribusi untuk bahan besi dengan k = 73 W/m°C seperti yang

terlihat pada Gambar 5.3. Dari grafik yang ditunjukkan pada Gambar 5.3 terlihat

bahwa distribusi yang terjadi belum stabil hingga detik ke 600.

Gambar 5.3. Grafik Distribusi Suhu Sirip Besi Utuh pada Volume Kontrol Nomor

22 – 42 dari Waktu ke Waktu

5.1.1.2. Laju Aliran Kalor Total pada Sirip Utuh

Perhitungan laju aliran kalor pada sirip utuh dilakukan menggunakan

persamaan (2.12). Untuk memperoleh hasil laju aliran kalor (q) harus mengetahui

terlebih dahulu luas penampang sirip yang bersentuhan dengan fluida pada setiap

volume kontrol, antara lain :

Luas penampang pada volume kontrol di sudut dasar sirip utuh,

sebagai contoh perhitungan yang dilakukan pada volume kontrol nomor 1

seperti yang terlihat pada Gambar 5.4.

80828486889092949698

100102

22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42

Su

hu

(°C

)

Volume Kontrol

0 detik

15 detik

30 detik

60 detik

120 detik

300 detik

600 detik


46


212

12

12

212

512

512

5 5

25 25 10

Luas penampang pada volume kontrol di rusuk dasar sirip utuh,




212


47

212

5 5

25 25 10

Luas penampang pada volume kontrol di rusuk sirip utuh,




212

2 512

5 5 5

50 50 10

Luas penampang pada volume kontrol di tengah sirip utuh,




48


2

2 5 5

50 50 10

Luas penampang pada volume kontrol di sudut luar sirip utuh,




212

12

12

12

212

512

5 212

5 5


49

37,5 37,5 10

5.1.1.2.1. Laju Aliran Kalor Total pada Sirip Aluminium Utuh

Perhitungan laju aliran kalor total pada sirip aluminium utuh digambarkan

dengan grafik seperti yang terlihat pada Gambar 5.9. Dari grafik yang ditunjukkan

pada Gambar 5.9 terlihat bahwa laju aliran kalor yang terjadi mulai stabil setelah

detik ke 200.

Gambar 5.9. Grafik Laju Aliran Kalor Total Sirip Aluminium Utuh

5.1.1.2.2. Laju Aliran Kalor Total pada Sirip Tembaga Utuh

Perhitungan laju aliran kalor total pada sirip tembaga utuh digambarkan


pada Gambar 5.10 terlihat bahwa laju aliran kalor yang terjadi mulai stabil setelah

detik ke 200.

16,0

16,5

17,0

17,5

18,0

18,5

0 100 200 300 400 500 600

Laj

u A

lira

n K

alor

(w

att)

waktu (detik)


50

Gambar 5.10. Grafik Laju Aliran Kalor Total Sirip Tembaga Utuh

5.1.1.2.3. Laju Aliran Kalor Total pada Sirip Besi Utuh

Perhitungan laju aliran kalor total pada sirip besi utuh digambarkan dengan

grafik seperti yang terlihat pada Gambar 5.11. Dari grafik yang ditunjukkan pada

Gambar 5.11 terlihat bahwa laju aliran kalor yang terjadi belum stabil hingga detik

ke 600.

Gambar 5.11. Grafik Laju Aliran Kalor Total Sirip Besi Utuh

17,0

17,2

17,4

17,6

17,8

18,0

18,2

0 100 200 300 400 500 600

Laj

u A

lira

n K

alor

(w

att)

waktu (detik)

14,014,515,015,516,016,517,017,518,018,5

0 100 200 300 400 500 600

Laj

u A

lira

n K

alor

(w

att)

waktu (detik)


51

5.1.1.3. Efisiensi Kalor Sirip Utuh

Efisiensi kalor merupakan perbandingan antara kalor yang sesungguhnya

dilepas sirip dengan kalor maksimum yang dapat dilepaskan oleh sirip. Perhitungan

efisiensi kalor pada sirip utuh dilakukan menggunakan persamaan (2.13). Untuk

memperoleh hasil efisiensi kalor harus diketahui terlebih dahulu besarnya kalor

maksimum yang dapat dilepaskan oleh sirip utuh dengan menggunakan persamaan

(2.14) :

2 2

2 100 100 2 100 5 100 5

21500 0,0215

∞

12W/m°C 0,0215 100 30

18,06

Dari hasil perhitungan kalor maksimum yang dapat dilepaskan sirip di atas,

kemudian hasil tersebut dimasukkan ke dalam perhitungan efisiensi kalor di setiap

volume kontrol.

5.1.1.3.1. Efisiensi Kalor Sirip Aluminium Utuh

Perhitungan efisiensi kalor pada sirip aluminium utuh digambarkan dengan


Gambar 5.12 terlihat bahwa efisiensi kalor yang terjadi pada detik ke 300 hingga

seterusnya adalah sama / stabil.


52

Gambar 5.12. Grafik Efisiensi Kalor Sirip Aluminium Utuh

5.1.1.3.2. Efisiensi Kalor Sirip Tembaga Utuh

Perhitungan efisiensi kalor pada sirip tembaga utuh digambarkan dengan


Gambar 5.13 terlihat bahwa efisiensi kalor yang terjadi pada detik ke 300 hingga


Gambar 5.13. Grafik Efisiensi Kalor Sirip Tembaga Utuh

90%

92%

94%

96%

98%

100%

102%

0 100 200 300 400 500 600

Efi

sien

si

waktu (detik)

95%

96%

97%

98%

99%

100%

101%

0 100 200 300 400 500 600

Efi

sien

si

waktu (detik)


53

5.1.1.3.3. Efisiensi Kalor Sirip Besi Utuh

Perhitungan efisiensi kalor pada sirip besi utuh digambarkan dengan grafik

seperti yang terlihat pada Gambar 5.14. Dari grafik yang ditunjukkan pada Gambar

5.14 terlihat bahwa efisiensi kalor yang terjadi hingga detik ke 600 masih berbeda

/ belum stabil.

Gambar 5.14. Grafik Efisiensi Kalor Sirip Besi Utuh

5.1.1.4. Efektivitas Kalor Sirip Utuh



Perhitungan efektivitas kalor pada sirip utuh dilakukan menggunakan persamaan

(2.15). Untuk memperoleh hasil efektivitas kalor harus diketahui terlebih dahulu

besarnya kalor yang dilepaskan jika tanpa sirip dengan menggunakan persamaan

(2.18). Dengan luasan benda tanpa sirip yaitu panjang sirip (y) dikalikan tebal sirip

(t) maka :

,

,

, 12W/m°C 0,1 0,05 100 30

, 0,42

80%

85%

90%

95%

100%

105%

0 100 200 300 400 500 600

Efi

sien

si

waktu (detik)


54

Dari hasil perhitungan kalor yang dilepaskan jika tanpa sirip di atas, kemudian

hasil tersebut dimasukkan ke dalam perhitungan efektivitas kalor di setiap volume

kontrol.

5.1.1.4.1. Efektivitas Kalor Sirip Aluminium Utuh

Perhitungan efektivitas kalor pada sirip aluminium utuh digambarkan dengan


Gambar 5.15 terlihat bahwa efektivitas yang terjadi dari detik ke 200 hingga


Gambar 5.15. Grafik Efektivitas Sirip Aluminium Utuh

5.1.1.4.2. Efektivitas Kalor Sirip Tembaga Utuh

Perhitungan efektivitas kalor pada sirip tembaga utuh digambarkan dengan


Gambar 5.16 terlihat bahwa efektivitas yang terjadi dari detik ke 200 hingga


39,039,540,040,541,041,542,042,543,043,5

0 100 200 300 400 500 600

Efe

kti

vita

s

waktu (detik)


55

Gambar 5.16. Grafik Efektivitas Sirip Tembaga Utuh

5.1.1.4.3. Efektivitas Kalor Sirip Besi Utuh

Perhitungan efektivitas kalor pada sirip besi utuh digambarkan dengan grafik

seperti yang terlihat pada Gambar 5.17. Dari grafik yang ditunjukkan pada Gambar

5.17 terlihat bahwa efektivitas kalor yang terjadi hingga detik ke 600 masih berbeda

/ belum stabil.

Gambar 5.17. Grafik Efektivitas Sirip Besi Utuh

40,50

41,00

41,50

42,00

42,50

43,00

43,50

0 100 200 300 400 500 600

Efe

kti

vita

s

waktu (detik)

34

36

38

40

42

44

0 100 200 300 400 500 600

Efe

kti

vita

s

waktu (detik)


56

5.1.2. Sirip Berlubang

5.1.2.1. Distribusi Suhu pada Sirip Berlubang dari Waktu ke Waktu

Perhitungan distribusi suhu pada sirip berlubang dilakukan untuk mengetahui

distribusi suhu pada sirip berlubang yang terjadi di setiap volume kontrol dari waktu

ke waktu. Perhitungan distribusi suhu pada sirip berlubang dilakukan pada setiap

bahan dengan mengambil sampling pada nomor volume kontrol 85 sampai 105

yang terletak dalam satu garis lurus seperti yang terlihat pada Gambar 4.2b, dengan

harga h = 12 W/m2°C pada detik ke 0 hingga 600 detik.

5.1.2.1.1. Distribusi Suhu pada Sirip Aluminium Berlubang dari Waktu ke

Waktu

Perhitungan distribusi suhu untuk bahan aluminium dengan k = 202 W/m°C

seperti yang terlihat pada Gambar 5.18. Dari grafik pada Gambar 5.18

menunjukkan bahwa suhu yang terjadi pada detik ke 300 hingga detik ke 600 adalah

hampir sama, jadi grafik pada keduanya terlihat menyatu.

Gambar 5.18. Grafik Distribusi Suhu Sirip Aluminium Berlubang untuk Volume

Kontrol Nomor 85 – 105 dari Waktu ke Waktu

5.1.2.1.2. Distribusi Suhu pada Sirip Tembaga Berlubang dari Waktu ke

Waktu

86

88

90

92

94

96

98

100

102

85 87 89 91 93 95 97 99 101 103 105

Su

hu

(°C

)

Volume Kontrol

0 detik

15 detik

30 detik

60 detik

120 detik

300 detik

600 detik


57

Perhitungan distribusi suhu untuk bahan tembaga dengan k = 385 W/m°C

seperti yang terlihat pada Gambar 5.19. Dari grafik pada Gambar 5.19

menunjukkan bahwa suhu yang terjadi pada detik ke 300 hingga detik ke 600 adalah

hamper sama, jadi grafik pada keduanya terlihat menyatu.

Gambar 5.19. Grafik Distribusi Suhu Sirip Tembaga Berlubang untuk Volume

Kontrol Nomor 85 – 105 dari Waktu ke Waktu

5.1.2.1.3. Distribusi Suhu pada Sirip Besi Berlubang dari Waktu ke Waktu

Perhitungan distribusi suhu untuk bahan besi dengan k = 73 W/m°C seperti


bahwa suhu yang terjadi belum stabil hingga detik ke 600.

90

92

94

96

98

100

102

85 87 89 91 93 95 97 99 101 103 105

Su

hu

(°C

)

Volume Kontrol

0 detik

15 detik

30 detik

60 detik

120 detik

300 detik

600 detik

70

75

80

85

90

95

100

105

85 87 89 91 93 95 97 99 101 103 105

Su

hu

(°C

)

Volume Kontrol

0 detik

15 detik

30 detik

60 detik

120 detik

300 detik

600 detik


58

Gambar 5.20. Grafik Distribusi Suhu Sirip Besi Berlubang untuk Volume Kontrol


5.1.2.2. Laju Aliran Kalor Total Sirip Berlubang

Perhitungan laju aliran kalor pada sirip berlubang juga dilakukan

menggunakan persamaan (2.12). Untuk memperoleh hasil laju aliran kalor (q) harus

mengetahui terlebih dahulu luas penampang sirip yang bersentuhan dengan fluida

pada setiap volume kontrol, antara lain :

Luas penampang pada volume kontrol di sudut dasar sirip berlubang,




Berlubang

212

12

12

212

512

512

5 5

25 25 10

Luas penampang pada volume kontrol di rusuk dasar sirip berlubang,


59




Berlubang

212

212

5 5

25 25 10

Luas penampang pada volume kontrol di rusuk sirip berlubang,




60


Berlubang

212

2 512

5 5 5

50 50 10

Luas penampang pada volume kontrol di tengah sirip berlubang,




Berlubang

2

2 5 5

50 50 10

Luas penampang pada volume kontrol di sudut luar sirip berlubang,




61


Berlubang

212

12

12

12

212

512

5 212

5 5

37,5 37,5 10

Luas penampang pada volume kontrol di sudut dalam sirip berlubang,




Berlubang


62

234

12

12

234

5 5 212

5 5

62,5 62,5 10

5.1.2.2.1. Laju Aliran Kalor Total Sirip Aluminium Berlubang

Perhitungan laju aliran kalor total pada sirip aluminium berlubang

digambarkan dengan grafik seperti yang terlihat pada Gambar 5.27. Dari grafik

yang ditunjukkan pada Gambar 5.27 terlihat bahwa laju aliran kalor yang terjadi

dari detik ke 300 hingga seterusnya adalah sama / stabil.

Gambar 5.27. Grafik Laju Aliran Kalor Total Sirip Aluminium Berlubang

5.1.2.2.2. Laju Aliran Kalor Total Sirip Tembaga Berlubang

Perhitungan laju aliran kalor total pada sirip tembaga berlubang digambarkan


pada Gambar 5.28 terlihat bahwa laju aliran kalor yang terjadi dari detik ke 300

hingga seterusnya adalah sama / stabil.

11,411,611,812,012,212,412,612,813,013,2

0 100 200 300 400 500 600

Laj

u A

lira

n K

alor

(w

att)

waktu (detik)


63

Gambar 5.28. Grafik Laju Aliran Kalor Total Sirip Tembaga Berlubang

5.1.2.2.3. Laju Aliran Kalor Sirip Besi Berlubang

Perhitungan laju aliran kalor total pada sirip besi berlubang digambarkan


pada Gambar 5.29 terlihat bahwa laju aliran kalor yang terjadi hingga detik ke 600

masih berbeda / belum stabil.

Gambar 5.29. Grafik Laju Aliran Kalor Total Sirip Besi Berlubang

12,212,312,412,512,612,712,812,913,013,1

0 100 200 300 400 500 600

Laj

u A

lira

n K

alor

(w

att)

waktu (detik)

10,0

10,5

11,0

11,5

12,0

12,5

13,0

13,5

0 100 200 300 400 500 600

Laj

u A

lira

n K

alor

(w

att)

waktu (detik)


64

5.1.2.3. Efisiensi Kalor Sirip Berlubang

Efisiensi kalor merupakan perbandingan antara kalor yang sesungguhnya

dilepas sirip dengan kalor maksimum yang dapat dilepaskan oleh sirip. Perhitungan

efisiensi kalor pada sirip utuh dilakukan menggunakan persamaan (2.13). Untuk

memperoleh hasil efisiensi kalor harus diketahui terlebih dahulu besarnya kalor

maksimum yang dapat dilepaskan oleh sirip utuh dengan menggunakan persamaan

(2.14) :

2 2 2 2

2 100 100 60 60 2 100 5

100 5 2 60 5 2 60 5

15500 0,0155

∞

12W/m°C 0,0155 100 30

13,02

Dari hasil perhitungan kalor maksimum yang dapat dilepaskan sirip di atas,

kemudian hasil tersebut dimasukkan ke dalam perhitungan efisiensi kalor di setiap

volume kontrol.

5.1.2.3.1. Efisiensi Kalor Sirip Aluminium Berlubang

Perhitungan efisiensi kalor pada sirip aluminium berlubang digambarkan


pada Gambar 5.30 terlihat bahwa efisiensi kalor dari detik ke 300 hingga seterusnya

adalah sama / stabil.


65

Gambar 5.30. Grafik Efisiensi Kalor Sirip Aluminium Berlubang

5.1.2.3.2. Efisiensi Kalor Sirip Tembaga Berlubang

Perhitungan efisiensi kalor pada sirip tembaga berlubang digambarkan


pada Gambar 5.31 terlihat bahwa efisiensi kalor dari detik ke 300 hingga seterusnya

adalah sama / stabil.

Gambar 5.31. Grafik Efisiensi Kalor Sirip Tembaga Berlubang

5.1.2.3.3. Efisiensi Kalor Sirip Besi Berlubang

88%

90%

92%

94%

96%

98%

100%

102%

0 100 200 300 400 500 600

Efi

sien

si (

η)

waktu (detik)

93%

94%

95%

96%

97%

98%

99%

100%

101%

0 100 200 300 400 500 600

Efi

sien

si (

η)

waktu (detik)


66

Perhitungan efisiensi kalor pada sirip besi berlubang digambarkan dengan


Gambar 5.32 terlihat bahwa hingga detik ke 600 efisiensi kalor yang terjadi masih

berbeda / belum stabil.

Gambar 5.32. Grafik Efisiensi Kalor Sirip Besi Berlubang

5.1.2.4. Efektivitas Kalor Sirip Berlubang



Perhitungan efektivitas kalor pada sirip utuh dilakukan menggunakan persamaan

(2.15). Untuk memperoleh hasil efektivitas kalor harus diketahui terlebih dahulu

besarnya kalor yang dilepaskan jika tanpa sirip dengan menggunakan persamaan

(2.18). Dengan luasan benda tanpa sirip yaitu panjang sirip (y) dikalikan tebal sirip

(t) maka :

,

,

, 12Wm°C 0,1 0,05 100 30

75%

80%

85%

90%

95%

100%

105%

0 100 200 300 400 500 600

Efi

sien

si (

η)

waktu (detik)


67

, 0,42

Dari hasil perhitungan kalor yang dilepaskan jika tanpa sirip di atas, kemudian

hasil tersebut dimasukkan ke dalam perhitungan efektivitas kalor di setiap volume

kontrol.

5.1.2.4.1. Efektivitas Kalor Sirip Aluminium Berlubang

Perhitungan efektivitas kalor pada sirip aluminium berlubang digambarkan


pada Gambar 5.33 terlihat bahwa efektivitas kalor yang terjadi dari detik ke 300


Gambar 5.33. Grafik Efektivitas Sirip Aluminium Berlubang

5.1.2.4.2. Efektivitas Kalor Sirip Tembaga Berlubang

Perhitungan efektivitas kalor pada sirip tembaga berlubang digambarkan


pada Gambar 5.34 terlihat bahwa efektivitas kalor yang terjadi dari detik ke 300


27,5

28,0

28,5

29,0

29,5

30,0

30,5

31,0

31,5

0 100 200 300 400 500 600

Efe

kti

vita

s (ε

)

waktu (detik)


68

Gambar 5.34. Grafik Efektivitas Sirip Tembaga Berlubang

5.1.2.4.3. Efektivitas Kalor Sirip Besi Berlubang

Perhitungan efektivitas kalor pada sirip besi berlubang digambarkan dengan

grafik seperti yang terlihat pada Gambar 5.35. Dari grafik yang terjadi pada Gambar

5.35 terlihat bahwa efektivitas kalor yang terjadi hingga detik ke 600 masih

berbeda.

Gambar 5.35. Grafik Efektivitas Sirip Besi Berlubang

29,00

29,50

30,00

30,50

31,00

31,50

0 100 200 300 400 500 600

Efe

kti

vita

s (ε

)

waktu (detik)

22

24

26

28

30

32

0 100 200 300 400 500 600

Efe

kti

vita

s (ε

)

waktu (detik)


69

5.2. Pembahasan

Dari hasil perhitungan dari penelitian ini kemudian dibandingkan antara sirip

utuh dan sirip berlubang dengan variasi bahan dengan analisa yang dilakukan pada

penelitian ini antara lain :

5.2.1. Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Utuh dan Sirip Berlubang

Analisa perbandingan laju aliran kalor total dilakukan pada sirip utuh dan sirip

berlubang dengan harga h = 12 W/m2°C pada detik ke 0 hingga 600 detik untuk

semua bahan.

5.2.1.1. Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Aluminium

Perbandingan laju aliran kalor total untuk sirip aluminium dapat dilihat pada

Tabel 5.1 dan digambarkan dengan grafik seperti yang terlihat pada Gambar 5.36.

Tabel 5.1. Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Aluminium

No. Waktu (detik)

Utuh (watt)

Berlubang (watt)

∆q ∆ 100%

1 0 18,060 13,020 0,279 27,9%

2 15 17,579 12,657 0,280 28,0%

3 30 17,268 12,406 0,282 28,2%

4 60 16,920 12,077 0,286 28,6%

5 120 16,693 11,787 0,294 29,4%

6 300 16,635 11,657 0,299 29,9%

7 600 16,635 11,653 0,300 30,0%


70

Keterangan : ∆

Gambar 5.36. Grafik Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Aluminium

Dari Tabel 5.1 diperlihatkan bahwa selisih besarnya laju aliran kalor antara

sirip aluminium utuh dengan sirip aluminium berlubang sekitar 29%. Dan laju

aliran kalor total sirip aluminium utuh lebih tinggi dibandingkan laju aliran kalor

total sirip aluminium berlubang.

5.2.1.2. Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Tembaga

Perbandingan laju aliran kalor total untuk sirip tembaga dapat dilihat pada

Tabel 5.2 dan digambarkan dengan grafik seperti yang terlihat pada Gambar 5.37.

Tabel 5.2. Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Tembaga

No. Waktu (detik)

Utuh (watt)

Berlubang (watt)

∆q ∆ 100%

1 0 18,060 13,020 0,279 27,9%

2 15 17,775 12,804 0,280 28,0%

3 30 17,596 12,655 0,281 28,1%

10111213141516171819

0 100 200 300 400 500 600

Laj

u A

lira

n K

alor

(w

att)

Waktu (detik)

Sirip Utuh

Sirip Berlubang


71

4 60 17,409 12,468 0,284 28,4%

5 120 17,300 12,312 0,288 28,8%

6 300 17,277 12,250 0,291 29,1%

7 600 17,277 12,248 0,291 29,1%

Keterangan : ∆

Gambar 5.37. Grafik Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Tembaga


sirip tembaga utuh dengan sirip tembaga berlubang sekitar 29%. Dan laju aliran

kalor total sirip tembaga utuh lebih tinggi dibandingkan laju aliran kalor total sirip

tembaga berlubang.

5.2.1.3. Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Besi

Perbandingan laju aliran kalor total untuk sirip besi dapat dilihat pada Tabel

5.3 dan digambarkan dengan grafik seperti yang terlihat pada Gambar 5.38.

Tabel 5.3. Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Besi

11

12

13

14

15

16

17

18

19

0 100 200 300 400 500 600

Laj

u A

lira

n K

alor

(w

att)

Waktu (detik)

Sirip Utuh

Sirip Berlubang


72

No. Waktu (detik)

Utuh (watt)

Berlubang (watt)

∆q ∆ 100%

1 0 18,060 13,020 0,279 27,9%

2 15 17,682 12,730 0,280 28,0%

3 30 17,362 12,494 0,280 28,0%

4 60 16,834 12,099 0,281 28,1%

No. Waktu (detik)

Utuh (watt)

Berlubang (watt)

∆q ∆ 100%

5 120 16,071 11,497 0,285 28,5%

6 300 15,055 10,551 0,299 29,9%

7 600 14,722 10,117 0,313 31,3%

Keterangan : ∆

Gambar 5.38. Grafik Perbandingan Laju Aliran Kalor Total Sirip Besi

8

10

12

14

16

18

20

0 100 200 300 400 500 600

Laj

u A

lira

n K

alor

(w

att)

waktu (detik)

Utuh

Berlubang


73


sirip besi utuh dengan sirip besi berlubang sekitar 29%. Dan laju aliran kalor total

sirip besi utuh lebih tinggi dibandingkan laju aliran kalor total sirip besi berlubang.

Dari grafik perbandingan laju aliran kalor untuk semua bahan dengan waktu

yang sama serta harga h yang sama seperti yang disajikan di atas, dapat dikatakan

bahwa besarnya laju aliran kalor total sirip utuh lebih tinggi dibandingkan laju

aliran kalor total sirip berlubang yang nilainya berkisar di antara 29%. Hal ini

dikarenakan besarnya luasan penampang sirip utuh yang bersentuhan langsung

dengan fluida lebih besar dibandingkan luasan penampang sirip berlubang yang

bersentuhan langsung dengan fluida.

5.2.2. Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Utuh dan Sirip Berlubang

Analisa perbandingan efisiensi kalor dilakukan pada sirip utuh dan sirip

berlubang dengan membandingkan laju aliran kalor total yang terjadi dan jumlah

kalor maksimum yang dilepas sirip pada detik ke 0 hingga 600 detik untuk semua

bahan.

5.2.2.1. Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Aluminium

Perbandingan efisiensi kalor untuk sirip aluminium dapat dilihat pada Tabel


Tabel 5.4. Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Aluminium

No. Waktu (detik)

Utuh Berlubang ∆η ∆ 100%

1 0 100,0% 100,0% 0,000 0,0%

2 15 97,3% 97,2% 0,001 0,1%

3 30 95,6% 95,3% 0,003 0,3%


74

4 60 93,7% 92,8% 0,010 1,0%

5 120 92,4% 90,5% 0,021 2,1%

6 300 92,1% 89,5% 0,028 2,8%

7 600 92,1% 89,5% 0,028 2,8%

Keterangan : ∆

Gambar 5.39. Grafik Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Aluminium

Dari Tabel 5.4 diperlihatkan bahwa selisih besarnya efisiensi kalor antara

sirip aluminium utuh dengan sirip aluminium berlubang sekitar 1,5%. Dan sirip

aluminium utuh lebih efisien dibandingkan sirip aluminium berlubang.

5.2.2.2. Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Tembaga

Perbandingan efisiensi kalor untuk sirip tembaga dapat dilihat pada Tabel

5.5 dan digambarkan dengan grafik seperti yang terlihat pada gambar 5.40.

Tabel 5.5. Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Tembaga

88%

90%

92%

94%

96%

98%

100%

102%

0 100 200 300 400 500 600

Efi

sien

si (

η)

Waktu (detik)

Sirip Utuh

Sirip Berlubang


75

No. Waktu (detik)


1 0 100,0% 100,0% 0,000 0,0%

2 15 98,4% 98,3% 0,001 0,1%

3 30 97,4% 97,2% 0,002 0,2%

4 60 96,4% 95,8% 0,007 0,7%

No. Waktu (detik)


5 120 95,8% 94,6% 0,013 1,3%

6 300 95,7% 94,1% 0,017 1,7%

7 600 95,7% 94,1% 0,017 1,7%

Keterangan : ∆

Gambar 5.40. Grafik Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Tembaga

93%

94%

95%

96%

97%

98%

99%

100%

101%

0 100 200 300 400 500 600

Efi

sien

si (

η)

Waktu (detik)

Sirip Utuh

Sirip Berlubang


76

Dari Tabel 5.5 diperlihatkan bahwa selisih besarnya efisiensi kalor antara

sirip tembaga utuh dengan sirip tembaga berlubang sekitar 1,5%. Dan sirip tembaga

utuh lebih efisien dibandingkan sirip tembaga berlubang.

5.2.2.3. Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Besi

Perbandingan efisiensi kalor untuk sirip besi dapat dilihat pada Tabel 5.6

dan digambarkan dengan grafik seperti yang terlihat pada Gambar 5.41.

Tabel 5.6. Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Besi

No. Waktu (detik)


1 0 100,0% 100,0% 0,000 0,0%

2 15 97,9% 97,8% 0,001 0,1%

3 30 96,1% 96,0% 0,002 0,2%

4 60 93,2% 92,9% 0,003 0,3%

5 120 89,0% 88,3% 0,008 0,8%

6 300 83,4% 81,0% 0,028 2,8%

7 600 81,5% 77,7% 0,047 4,7%

Keterangan : ∆


77

Gambar 5.41. Grafik Perbandingan Efisiensi Kalor Sirip Besi

Dari Tabel 5.6 diperlihatkan bahwa selisih besarnya efisiensi kalor antara sirip

tembaga utuh dengan sirip tembaga berlubang sekitar 1,5%. Dan sirip besi utuh

lebih efisien dibandingkan sirip besi berlubang.

Dari grafik perbandingan efisiensi kalor untuk semua bahan dengan waktu

yang sama seperti yang disajikan di atas, dapat dikatakan bahwa besarnya efisiensi

kalor sirip utuh lebih tinggi dibandingkan efisiensi kalor sirip berlubang yang

nilainya berkisar di antara 1,5%. Hal ini dikarenakan hasil besaran laju aliran kalor

total yang terjadi dibanding dengan laju aliran kalor maksimum pada sirip utuh

lebih tinggi daripada sirip berlubang.

5.2.3. Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Utuh dan Sirip Berlubang

Analisa perbandingan efektivitas kalor dilakukan pada sirip utuh dan sirip

berlubang dengan membandingkan laju aliran kalor total yang terjadi dan jumlah

kalor yang dilepas tanpa sirip pada detik ke 0 hingga 600 detik untuk semua bahan.

5.2.3.1. Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Aluminium

Perbandingan efektivitas kalor untuk sirip aluminium dapat dilihat pada Tabel


75%

80%

85%

90%

95%

100%

105%

0 100 200 300 400 500 600

Efi

sien

si (

η)

Waktu (detik)

Sirip Utuh

Sirip Berlubang


78

Tabel 5.7. Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Aluminium

No. Waktu (detik)

Utuh Berlubang ∆ε ∆ 100%

1 0 43,000 31,000 0,279 27,9%

2 15 41,855 30,136 0,280 28,0%

3 30 41,114 29,537 0,282 28,2%

4 60 40,285 28,755 0,286 28,6%

5 120 39,744 28,065 0,294 29,4%

6 300 39,608 27,754 0,299 29,9%

7 600 39,607 27,744 0,300 30,0%

Keterangan : ∆

Gambar 5.42. Grafik Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Aluminium

Dari Tabel 5.7 diperlihatkan bahwa selisih besarnya efektivitas kalor antara

sirip aluminium utuh dengan sirip aluminium berlubang sekitar 29%. Dan sirip

aluminium utuh lebih efektif dibanding sirip aluminium berlubang.

26

29

32

35

38

41

44

0 100 200 300 400 500 600

Efe

kti

vita

s (ε

)

Waktu (detik)

Sirip Utuh

Sirip Berlubang


79

5.2.3.2. Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Tembaga

Perbandingan efektivitas kalor untuk sirip tembaga dapat dilihat pada Tabel


Tabel 5.8. Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Tembaga

No. Waktu (detik)


1 0 43,000 31,000 0,279 27,9%

2 15 42,320 30,485 0,280 28,0%

3 30 41,896 30,132 0,281 28,1%

4 60 41,451 29,686 0,284 28,4%

No. Waktu (detik)


5 120 41,190 29,314 0,288 28,8%

6 300 41,136 29,166 0,291 29,1%

7 600 41,136 29,162 0,291 29,1%

Keterangan : ∆


80

Gambar 5.43. Grafik Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Tembaga


sirip tembaga utuh dengan sirip tembaga berlubang sekitar 29%. Dan sirip tembaga

utuh lebih efektif dibanding sirip tembaga berlubang.

5.2.3.3. Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Besi

Perbandingan efektivitas kalor untuk sirip besi dapat dilihat pada Tabel 5.9

dan digambarkan dengan grafik seperti yang terlihat pada Gambar 5.44.

Tabel 5.9. Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Besi

No. Waktu (detik)


1 0 43,000 31,000 0,279 27,9%

2 15 42,100 30,309 0,280 28,0%

3 30 41,338 29,747 0,280 28,0%

4 60 40,080 28,807 0,281 28,1%

28

31

34

37

40

43

46

0 100 200 300 400 500 600

Efe

kti

vita

s (ε

)

Waktu (detik)

Sirip Utuh

Sirip Berlubang


81

5 120 38,264 27,373 0,285 28,5%

6 300 35,845 25,122 0,299 29,9%

7 600 35,053 24,087 0,313 31,3%

Keterangan : ∆

Gambar 5.44. Grafik Perbandingan Efektivitas Kalor Sirip Besi


sirip besi utuh dengan sirip besi berlubang sekitar 29%. Dan sirip besi utuh lebih

efektif dibanding sirip besi berlubang.

Dari grafik perbandingan efektivitas kalor untuk semua bahan dengan waktu

yang sama seperti yang disajikan di atas, dapat dikatakan bahwa besarnya

efektivitas kalor sirip utuh lebih tinggi dibandingkan efektivitas kalor sirip

berlubang yang nilainya berkisar di antara 29%. Hal ini dikarenakan hasil besaran

laju aliran kalor total yang terjadi dibanding dengan jumlah kalor yang dilepas tanpa

sirip untuk sirip utuh lebih tinggi daripada sirip berlubang.

20

25

30

35

40

45

0 100 200 300 400 500 600

Efe

kti

vita

s (ε

)

Waktu (detik)

Sirip Utuh

Sirip Berlubang


82

BAB VI

KESIMPULAN DAN SARAN

6.1. Kesimpulan

Dari hasil perhitungan dan analisa pembahasan yang telah dilakukan pada

sirip utuh dan sirip berlubang untuk bahan aluminium, tembaga dan besi dapat

disimpulkan bahwa :

1. Besarnya laju aliran kalor total sirip utuh lebih tinggi dibandingkan laju aliran

kalor total sirip berlubang dengan perbedaan sekitar 29%.

2. Besarnya efisiensi kalor sirip utuh lebih tinggi dibandingkan efisiensi kalor sirip

berlubang dengan perbedaan sekitar 1,5%.

3. Besarnya efektivitas kalor sirip utuh lebih tinggi dibandingkan efektivitas kalor

sirip berlubang dengan perbedaan sekitar 29%.

6.2. Saran

Berikut saran yang perlu dikemukakan untuk penelitian lebih lanjut tentang

sirip adalah :

1. Hasil perhitungan akan lebih akurat jika besarnya volume kontrol (dx/dy) lebih

kecil. Akan tetapi, jika besarnya volume kontrol (dx/dy) lebih kecil maka

besarnya selisih waktu (dt) akan lebih kecil juga dan waktu perhitungan yang

dibutuhkan akan menjadi lebih lama.

2. Penelitian dapat dikembangkan lebih lanjut dengan melakukan perubahan

bentuk sirip atau dengan merubah bentuk lubang sirip.


83

DAFTAR PUSTAKA

Cengel, Y.A., 2002, Heat Transfer a Practical Approach, New York : Mc Graw-

Hill.

Holman, J.P., 1996, Perpindahan Kalor, Jakarta : Erlangga.

Nuryanto, Y.D., 2002, Laju Perpindahan Kalor Dan Efektivitas Pada Sirip Tiga

Dimensi Keadaan Tak Tunak, Yogyakarta : Universitas Sanata Dharma.

Saputro, B., 2009, Perbandingan Efisiensi Dan Efektivitas Sirip Tak Berlubang

Dengan Berlubang Empat Pada Kasus Dua Dimensi Keadaan Tak Tunak,

Yogyakarta : Universitas Sanata Dharma.

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

Dimensi Keadaan Tak Tunak, Yogyakarta : Universitas Sanata Dharma.


84

LAMPIRAN

Lampiran 1. Sifat-sifat udara pada tekanan 1 atm (Tabel A-15)


85

Lampiran 2. Disfusitas Thermal Beberapa Bahan


plagiat merupakan tindakan tidak terpuji - core.ac.uk · suhu fluida tf2 dan nilai koefisien panas...

Documents