bab ii tinjauan pustaka 2.1. perpindahan...

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Perpindahan panas

Perpindahan panas adalah perpindahan energi karena adanya perbedaan

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

konduksi, konveksi, dan radiasi.

2.1.1. Konduksi

Konduksi merupakan perpindahan panas dari tempat yang bertemperatur

tinggi ke tempat yang bertemperatur rendah di dalam medium yang bersinggungan

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

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

bersuhu rendah, sehingga dapat dikatakan bahwa energi akan berpindah secara

konduksi, laju perpindahan kalornya dinyatakan sebagai [3] :

q= -k.A.∂T∂x(2.1)

Dimana : q = laju perpindahan kalor (W)

휕푇 휕푥⁄ = gradien suhu perpindahan kalor

k = konduktifitas thermal bahan (W/m.K)

A = luas bidang perpindahan kalor (m2)

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.1. Perpindahan panas konduski dari udara hangat ke kaleng minuman

dingin melalui dinding aluminum kaleng[4].

2.1.2. Konveksi

Konveksi merupakan perpindahan panas antara permukaan solid dan

berdekatan dengan fluida yang bergerak atau mengalir dan itu melibatkan pengaruh

konduksi dan aliran fluida.

Gambar 2.2. Perpindahan panas dari plat panas[5].

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

plat panas mempengaruhi temperatur disekitar permukaan plat tersebut. Laju

perpindahan kalor secara konveksi dapat dinyatakan sebagai [6] :


q=h.A(Ts-T∞)(2.1)

Dimana : h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K)

A = luas penampang (m2)

Ts = temperatur plat (K)

Tɷ = temperatur fluida yang mengalir dekat permukaan (K)

2.1.3. Radiasi

Radiasi, merupakan perpindahan energi karena emisi gelombang

elektromagnet (atau photons)

Gambar 2.3. Perpindahan panas secara radiasi [7].

Holman [8] menjabarkan laju perpindahan kalor secara radiasi dapat dinyatakan

sebagai :

q=ε.A.σ(Ts4-Tsur

4 )(2.1)

Dimana : ε = emisivitas ;sifat radiasi pada permukaan

A = luas permukaan (m2)

σ = konstanta Stefan-Boltzman (5,67.108 W/m2.K4)

T = temperatur absolute permukaan (K4)

T = temperatur sekitar (K4)


2.2. Alat Penukar Kalor Kompak

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

yang tergabung dalam alat penukar kalor yang memiliki bidang perpindahan panas

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

permukaan bidang yang mengalami perpindahan panas terhadap volume alat penukar

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

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

ditetapkan kerapatan permukaan alat penukar kalor kompak (β) lebih besar dari 700

m2/m3 [9].

Seperti yang disebutkan sebelumnya, penukar kalor kompak yang

menggunakan udara sebagai fluida kerjanya membutuhkan luas permukaan yang

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

fluida kerjanya. Peningkatan luas permukaan dapat dilakukan dengan menaikkan

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

digunakan dalam desain sebuah penukar kompak adalah ;

Menambahkan luas permukaan alat penukar dengan menggunakan sirip

pada satu atau lebih sisi-sisinya,

Pembangkit panasnya menggunakan diameter hidrolik permukaan yang

kecil, dan

Pipa pada alat penukar memiliki diameter yang kecil.

Beberapa yang patut dipertimbangkan adalah biaya, tekanan dan temperatur pada

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

Jenis yang umum digunakan pada alat penukar dengan permukaan yang

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


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

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

disesuaikan.

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

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

Sirip lurus dan sederhana, misalnya sirip segitiga sederhana dan

segiempat.

Sirip sederhana namun bergelombak (berombak), dan

Sirip bercelah, misalnya offset strip, louver, sirip berlubang, dan sirip

pin.

Dengan memvariasikan variabel geometris dasar untuk setiap jenis permukaan

plat-sirip, adalah mungkin untuk memperoleh berbagai permukaan geometris

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

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

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

penukar kalor pelat sirip dengan luas permukaan perpindahan panas 1300 m2 tiap

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

Gambar 2.4. Susunan pelat-sirip [10].


Gambar 2.5. Jenis-jenis sirip [11].

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

berpenampang lingkaran dan persegi panjang, namun pipa berpenampang elips juga

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

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

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

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

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

dan sirip bergelombang.

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

3. Sirip longitudinal pada pipa tunggal.


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

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

25-250 mm, kerapatan penukar panas pipa-sirip 725 m2/m3 pada 400 sirip/m.

Gambar 2.6. Sirip kontinyu pada susunan pipa bulat dan plat [12].

Gambar 2.7. Pipa tunggal bersirip [13].


Gambar 2.8. Pipa tunggal dengan sirip longitudinal [14].

2.3. Radiator

Radiator adalah alat yang berfungsi sebagai alat untuk mendinginkan air yang

telah menyerap panas dari mesin dengan cara membuang panas air tesebut melalui

sirip – sirip pendinginnya [15]. Menurut Kuppan [16] radiator adalah alat penukar

kalor kompak yang menggunakan cairan dan gas sebagai fluida kerjanya yang secara

luas digunakan pada kendaraan otomotif. Memiliki tipikal kerapatan sirip antara 400-

1000 sirip/m (10-25 sirip/in).

Konstruksi radiator terdiri dari :

1. Tutup Radiator

2. Tangki atas

3. Tangki Bawah

4. Inti radiator (Radiator Core)

Berikut adalah penjelasan tiap-tiap bagiannya.

Gambar 2.9. Konstruksi radiator [17].


2.3.1. Tutup Radiator

Tutup radiator berfungsi untuk menjaga tekanan di dalam inti radiator. Tutup

radiator dilengkapi dengan relief valve dan vacuum valve. Bila volume cairan

pendingin (air) bertambah akibat naiknya temperatur, maka tekanan juga akan

bertambah dan relief valve akan membuka dan membebaskan kelebihan tekanan

melalui overflow pipe. Bila temperatur cairan pendingin (air) berkurang saat

temperaturnya turun maka terjadi kevakuman didalam radiator sehingga pada kondisi

ini vakum valve akan membuka secara otomatis untuk menghisap udara agar tekanan

dalam radiator sama dengan tekanan atmosfir.

(a)

(b)

Gambar 2.10. Tutup radiator (a) relief valve, dan (b) vacuum valve [18].


2.3.2. Tangki Atas

Tangki atas radiator berperan sebagai penampung air sebelum masuk

kedalam pipa-pipa radiator, tangki radiator ini terbuat dari kuningan atau plastik.

Gambar 2.11. Tangki atas radiator [19].

2.3.3. Tangki Bawah

Tangki bawah radiator berfungsi sebagai penampung cairan pendingin (air)

yang telah melalui inti radiator. Material tangki bawah ini sama dengan material

tangki atas.

Gambar 2.12. Tangki bawah radiator [20].

2.3.4. Inti Radiator

Inti radiator merupakan bagian yang paling banyak mengambil peran sebagai

penukar kalor. Pada bagian ini cairan pendingin (air) yang telah mengalami kenaikan

temparatur pasca keluar dari water jacket akan masuk kedalam pipa, dan secara

konveksi akan memindahkan panasnya ke dinding pipa. Selanjutnya panas yang

diserap oleh dinding pipa akan dipindahkan lagi secara konduksi kepada sirip, dan

dengan bantuan kipas (fan), udara didorong dengan arah menyilang yang bertujuan

untuk melepas kalor yang ada pada sirip ke lingkungan secara konveksi. Adapun inti

radiator terbagi dengan 2 bagian, yaitu pipa (tube) radiator dan sirip (fin).


Gambar 2.13. Inti radiator dengan karakteristik flat tube dan arah aliran kedua fluida.

2.3.4.1. Pipa (tube) radiator

Pipa pada inti radiator menjadi salah satu elemen penting dalam menjalankan

fungsi penukaran kalor pada radiator. Pipa radiator selain fungsi utamanya sebagai

elemen untuk menyalurkan air panas dari tangki atas ke tangki bawah juga berperan

sebagai elemen untuk memperluas bidang yang akan mengalami perpindahan kalor

sehingga laju perpindahan panasnya akan meningkat. Seperti yang ditampilkan pada

gambar 2.6, pada umumnya jenis pipa berdasarkan bentuk penampangnya yang

digunakan untuk radiator atau compact heat exchangers terbagi dua, yaitu pipa

tabung (circular tube) dan pipa rata (flat tube), namun tidak tertutup kemungkinan

untuk pengembangan bentuk pipa yang lain.


Gambar 2.14. Flat tube susunan segiempat.

2.3.4.2. Sirip (fin)

Salah satu cara untuk meningkatkan laju perpindahan panas adalah dengan

cara memperluas bidang yang mengalami konveksi. Ini dapat dilakukan dengan

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

lingkungan. Konduktivitas termal material sirip memiliki dampak besar terhadap

distribusi temperatur di sepanjang sirip dan oleh karena itu laju perpindahan

panasnya juga dapat ditingkatkan[21].

Gambar 2.15. Sirip (fin).


2.4. Landasan Teori

Perpindahan kalor serta penurunan tekanan (pressure drop) yang terjadi sangat

bergantung pada karakteristik inti radiator. Cairan pendingin (air) yang dipompakan

masuk ke dalam radiator pada temperatur ± 80 0C akan melepaskan kalornya akibat

adanya perbedaan temperatur yang lebih rendah yaitu antara temperatur air dengan

dinding pipa radiator bagian dalam, yang berpindah secara konveksi. Selanjutnya

perbedaan temperatur yang lebih rendah antara dinding pipa bagian dalam dengan

dinding pipa bagian luar akan memicu terjadinya perpindahan panas secara konduksi,

dan perpindahan panas dengan cara yang sama akan diteruskan lagi pada sirip-sirip

yang sengaja disambungkan pada dinding pipa bagian luar. Untuk mendapatkan

penyerapan panas air yang diinginkan maka dengan bantuan kipas (fan), udara

ditiupkan pada arah menyilang terhadap radiator sehingga perbedaan temperatur

antara sirip dan dinding pipa bagian luar terhadap udara tersebut kembali memicu

terjadinya perpindahan panas secara konveksi.

Untuk mengetahui perpindahan panas menyeluruh pada sistem ini adalah suatu

keharusan untuk mengetahui sifat-sifat fisis fluida kerjanya, dalam hal ini air dan

udara. Sifat-sifat fisis tersebut dapat ditinjau melalui temperatur sebelum dan sesudah

masuk radiator. Variasi temperatur pada lapisan batas dapat mempengaruhi laju

perpindahan panas, namun ini dapat ditangani dengan mengevaluasi semua sifat pada

temperatur rata-rata, menurut Incropera[22]temperatur rata-rata pada aliran

eksternal (sirip dan dinding luar pipa radiator) dapat diperoleh dengan menggunakan

persamaan sebagai berikut:

T =T − T

2 (2.1)


Dimana :

T = temperatur fluida rata-rata pada sisi sirip (K)

T = temperatur fluida masuk sirip (K)

T = temperatur fluida keluar sirip (K)

Laju aliran massa fluida dingin (udara) yang mengalir melalui radiator (lih. Gambar

2.8), adalah :

m = v × A × 휌(2.2)

Dimana :

m = laju aliran massa udara (kg/m)

v = kecepatan udara (m/s)

Ao = luas daerah bebas aliran sisi udara (m2)

ρ = massa jenis udara pada temperatur rata-rata(kg/m3)

Menurut Kuppan [23], area bebas alir udara (Ao,c) adalah selisih antara luas

daerah frontal dengan luas penampang sirip dan dinding pipa yang memblok aliran

udara, atau dengan kata lain area bebas alir udara dapat diartikan luas penampang

yang dapat dialiri udara.

Gambar 2.16. Pipa bersirip kontinyu [24].


Secara matematis, area bebas alir udara pada gambar 2.8 dapat dirumuskan sebagai

berikut :

Gambar 2.17. Area bebas alir udara.

A , = [A − (d . L . N )] − [(δ . L . N ) − (d . N .δ . N )](2.3)

Dimana :

A , = area bebas alir (m2)

A = luas daerah frontal radiator sisi udara (m2)

d = diameter luar pipa radiator (m)

Ntr = jumlah pipa dalam satu baris

Nf = jumlah sirip

훿 = tebal sirip (m)

L1 = tinggi radiator (m)

L3 = lebar radiator (m)


Kays dan London [25] merumuskan kecepatan massa sebagai berikut :

G =mA ,

(2.4)

Dimana :

G = kecepatan massa (kg/m2.s)

m = laju aliran massa udara (kg/s)

Ao,c = area bebas alir (m2)

Menurut Kays dan London [26], diameter hidrolik diartikan sebagai empat kali rasio

antara luas penampang yang dialiri fluida dengan perimeter basah. Kuppan [27]

merumuskan diameter hidrolik alat penukar kalor kompak pada gambar 2.8 sebagai

berikut :

D =4. A , . L

A (2.5)

Dimana :

Dh = diameter hidrolik (m)

Ao,c = area bebas alir (m2)

L2 = panjang alir udara (tebal radiator) (m)

Ac = luas permukaan perpindahan panas penukar kalor kompak yang

terkonveksi oleh udara (m2)

Langkah pertama yang mendasar pada penanganan segala kasus perpindahan panas

secara konveksi adalah menentukan aliran lapisan batasnya, apakah laminar atau

turbulen [28]. Untuk itu bilangan Reynold-nya harus diketahui, dan Kays [29]

menggunakan persamaan berikut :


Re = D × G

µ (2.6)

Dimana :

Re = bilangan Reynold



µ = koefisien viskositas fluida pada temperatur rata-rata (N.s/m2).

Kays dan London melibatkan bilangan Stanton dan Prandtl untuk mengetahui

koefisien perpindahan panas pada penukar kalor kompak untuk sisi udaranya. Beliau

juga menyajikan beberapa tabel untuk menentukan parameter diatas dan faktor

gesekan berdasarkan karakteristik sirip dan bilangan Reynold nya.


Gambar 2.18. Jenis-jenis karakteristik sirip [30].


Tabe

l 2.1

. Dat

a pe

rpin

daha

n pa

nas d

an fa

ktor

ges

ekan

sesu

ai k

arak

teris

tik si

rip [ 3

1].


Lanj

utan

Tab

el 2

.1.


Berdasarkan penjelasan diatas, koefisien perpindahan panas untuk sisi udara

dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan yang digunakan oleh Kays dan

London [32] sebagai berikut :

h = St × G × C (2.7)

Dimana :

hc = koefisien perpindahan panas (W/m2.K)

St = bilangan Stanton


Cpc= panas spesifik pada temperatur rata-rata (J/kg.K)

Sama halnya dengan perpindahan panas pada sisi yang mengalami konveksi terhadap

udara diatas, Kays juga menggunakan beberapa persamaan yang sama untuk

menganalisa perpindahan panas pada sisi yang mengalami konveksi terhadap air.

Diawali dengan persamaan temperatur rata-rata pada aliran didalam pipa :

T =T − T

2 (2.8)

Dimana :

T = temperatur fluida panas rata-rata (K)

T = temperatur fluida panas masuk pipa radiator (K)

T = temperatur fluida panas keluar pipa radiator (K)

Dan untuk memperoleh bilangan Reynold aliran air di dalam pipa, dapat kembali

menggunakan persamaan (2.6).

Pada gambar 2.8, diameter hidrolik (Dh) sisi air untuk pipa berpenampang

lingkaran sama dengan diameter dalam (di) pipa tersebut, namun untuk pipa pelat

atau persegi panjang dapat melakukan pendekatan dengan mengingat bahwa


diameter hidrolik adalah empat kali rasio antara luas penampang yang dialiri fluida

dengan perimeter basahnya, atau perimeter basah dalam hal ini dapat diasumsikan

sebagai keliling penampangnya. Maka dapat dirumuskan sebagai berikut :

D =4(p × l)2(p + l) (2.9)

Dimana :

p = panjang (m)

l = lebar (m)

Untuk aliran bebas alir sisi air pada prinsipnya sama dengan persamaan 2.3.

Sehingga untuk area bebas alir sisi air gambar 2.8 dapat dirumuskan sebagai berikut :

A , =π × d

4 N (2.10)

Dimana :

di = diameter dalam pipa (m)

Nt = jumlah tabung

Kays dan London menyajikan grafik mengenai bilangan Nusselt dan faktor gesekan

untuk aliran laminar berkembang penuh di dalam pipa persegi. Seperti yang

ditampilkan pada gambar 2.19 dan 2.20.


Gambar 2.19. Bilangan Nusselt untuk aliran laminar pada pipa persegi dengan profil

temperatur dan kecepatan berkembang penuh [33].

Gambar 2.20. Faktor gesekan untuk aliran laminar berkembang penuh di dalam pipa

persegi [34].


Incropera [35] menjelaskan untuk aliran turbulen (Re≥2300) didalam pipa

dengan penampang yang noncircular dapat menggunakan persamaan Colburn

berikut :

푁푢 = 0,023.푅푒 .푃푟 (2.11)

Pada aliran didalam pipa, Incropera [36] merumuskan hubungan antara

koefisien perpindahan panas dengan bilangan Nusselt dan diameter hidrolik sebagai

berikut :

h =Nu. k

D (2.12)

Dimana :

h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K)


k = konduktivitas termal (W/m.K)

Kays dan London [37] juga mengemukakan persamaan untuk memperoleh koefisien

perpindahan panas menyeluruh dan keefektifan mnyeluruh sisi udara sebagai berikut:

1U =

1η , . h +

l(A A⁄ )k +

1(A A⁄ )η , . h (2.13)

Dan,

1U =

1η , . h +

l(A A⁄ )k +

1(A A⁄ )η , . h (2.14)

Dimana :

Uh = koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi panas (W/m2.K)

Uc = koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi dingin (W/m2.K)

ηo,c = keefektifan menyeluruh permukaan sisi dingin


ηo,h = keefektifan menyeluruh permukaan sisi panas

Ah = luas permukaan perpindahan panas sisi panas (m2)

Ac = luas permukaan perpindahan panas sisi dingin (m2)

Aw = luas permukaan dinding pipa yang mengalami konduksi (m2)

hc = koefisien perpindahan panas konveksi sisi dingin (W/m2.K)

hh = koefisien perpindahan panas konveksi sisi panas (W/m2.K)

k = koefisien perpindahan panas konduksi pipa (W/m.K)

untuk mengetahui keefektifan sirip menyeluruh sisi udara, terlebih dahulu

mengetahui keefektifan sirip. Keefektifan sirip dapat diperoleh dengan menggunakan

grafik pada gambar 2.12, nilai m.l pada axis nya diperoleh dengan menggunakan

persamaan berikut :

m. l =2. hk.δ × l(2.15)

Dimana :

hc = koefisien perpindahan panas konveksi sisi dingin (W/m2.K)

k = konduktivitas termal sirip (W/m.K)

δf = tebal sirip (m)

l = setengah jarak antar pipa (m)

m = parameter efektivitas sirip


Gambar 2.21. Keefektifan pada sirip lurus dan lingkaran[38].

maka untuk mengetahui keefektifan menyeluruh permukaan sisi dingin, dapat

menggunakan persamaan berikut :

η , = 1 −A

A(1 − η )(2.16)

Dimana :

Af = luas total sirip (m2)

Atot= luas total bidang yang mengalami konveksi terhadap udara (m2)

ηf = keefektifan sirip.

2.5. Efektivitas Alat Penukar Kalor

Efektivitas alat penukar kalor merupakan salah satu hal yang sangat penting

dalam mendesain penukar kalor. Hal ini disebabkan karena parameter efektivas

tersebut merupakan suatu gambaran unjuk kerja sebuah penukar kalor . Panas yang


dipindahkan ke fluida dingin harus sama dengan panas yang diserahkan dari fluida

panas.

Q =

m c . Cpc (Tco – Tci) =

m h . Cph (Thi – Tho) (2.17)

Holman [39] dalam bukunya mengemukakan bahwa efektivitas alat penukar

perpindahan kalor maksimum

ε =QQ =

C (T − T )C (T − T ) =

C (T − T )C (T − T ) (2.18)

Dari persamaan ( 2.4),jika :

1.

m h . Cph = Ch = Cmin maka ε = ( )( )

(2.19)

2.

m c . Cpc = Cc = Cmin, maka ε = ( )( )

(2.20)

Holman juga memberikan persamaan untuk memperoleh efektivitas alat

penukar kalor dengan hubungan NTU (number of transfer unit ), salah satunya

adalah efektivitas pada alat penukar kalor aliran menyilang satu laluan dengan kedua

fluida tidak bercampur. Secara matematis persamaan tersebut dapat dilihat dibawah

ini.

ε = 1 − exp[(1 C⁄ )(NTU) , {exp[−C (NTU) , ] − 1}](2.21)

Dimana :

NTU = number of transfer unit

C = CC


2.6. Penurunan Tekanan

Penurunan tekanan merupakan selisih antara tekanan masuk dengan tekanan

keluar. Penurunan tekanan ini terjadi akibat gesekan antara molekul-molekul fluida

dengan bidang yang dilaluinya, dalam hal ini pipa dan sirip-sirip. Menurut Kays dan

London [40], untuk mengetahui penurunan tekanan yang terjadi pada alat penukar

kalor kompak dapat menggunakan persamaan berikut :

∆P =G

2. g v. fLr (2.22)

Dimana :

∆P = penurunan tekanan (Pa)

퐺 = kecepatan massa (kg/m2.s)

g = konstanta gravitasi = 1 kg.m/(N.s2)

v = volume spesifik (m3/kg)

f = friction factor

L = panjang laluan fluida (m)

r = Dh/4 = jari-jari hidrolik (m)


bab ii tinjauan pustaka 2.1. perpindahan...

Documents