LAJU PERPINDAHAN PANAS PADA RADIATOR DENGAN FLUIDA CAMPURAN 80% AIR DAN 20% RADIATOR COOLANT PADA PUTARAN KONSTAN Agung Nugroho Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sultan Fatah (UNISFAT) Jl. Sultan Fatah No. 83 Demak Telpon (0291) 681024 Abstraksi : Mobil yang digunakan untuk menempuh perjalanan yang jauh biasanya dipacu dengan kecepatan yang cukup tinggi dengan putaran mesin berkisar pada putaran 2000 rpm dan dalam jangka waktu yang cukup lama. Agar tidak terjadi hal-hal yang tidak diinginkan akibat suhu mesin melebihi suhu normal mesin saat bekerja, maka penelitian ini perlu dilakukan. Pada penelitian ini dilakukan pengujian perbandingan laju perpindahan panas mesin antara pemakaian 100% air dengan campuran 80% air dan 20% radiator coolant dengan metode paired comparison pada putaran 2000 rpm. Dari penelitian tersebut diambil data antara lain temperatur masuk dan keluar radiator, dan volume aliran fluida radiator (Q) yang kemudian dilakukan pengolahan data untuk menentukan laju aliran massa (m), panas spesifik fluida (Cp), laju perpindahan panas radiator (q), dan pengolahan data secara statistik. Hasil pengujian terhadap campuran fluida radiator 80% air dan 20% radiator coolant menunjukkan rata – rata selisih temperatur inlet radiator dengan temperatur outlet radiator yang lebih tinggi sebesar 4,725°C serta rata-rata laju perpindahan panas radiator yang lebih tinggi juga sebesar 8,0378 kJ/s. Kondisi ini menunjukkan pada rpm 2000, campuran 80% air dan 20% radiator coolant memiliki kemampuan penyerapan dan perpindahan panas mesin yang lebih tinggi daripada 100% air. Kata kunci : Temperatur, radiator, metode paired comparison PENDAHULUAN pada Latar Belakang mengetahui bagaimana pengaruh laju Dalam mengemudikan mobil sering di perpindahan panas radiator pada saat jumpai berbagai macam hambatan di putaran perjalanan seperti kemacetan maupun Biasanya kondisi putaran mesin yang lamanya jarak tempuh yang dapat tinggi ini terjadi pada saat mobil meningkatkan temperatur mesin pada digunakan untuk menempuh perjalanan mobil normal yang jauh. Pada saat itu biasanya mobil mesin saat bekerja akibat menerima dipacu dengan cukup kencang dengan panas yang berlebihan. Hal tersebut rpm rata-rata berkisar pada dapat dicegah dengan adanya sistem rpm pendingin lama. Dalam penelitian ini penulis juga melebihi umumnya pada temperatur mobil yang menggunakan pada sistem putaran 2000 mesin rpm yang karena ingin cukup tinggi. putaran 2000 dan dalam jangka waktu yang cukup menambahkan metode analisis pendingin air yang mengaplikasikan perhitungan dengan metode statistik radiator sebagai alat penukar panasnya. paired comparison. Ada beberapa tes- Penulis memilih tes statistik yang tersedia dan dapat 65 JURNAL pengujian dilakukan TEKNIK - UNISFAT, Vol. 4, No. 2, Maret 2009 Hal 65 - 75 65 digunakan dalam suatu penelitian, maka hal di atas, pada dasarnya fenomena kita pada sistem pendingin sangat kompleks. memerlukan dasar pemikiran tertentu untuk menentukan pilihan yang Sehingga penelitian-penelitian mana di antara tes-tes statistik itu yang mengkaji perbaikan sistem pendingin akan kita pakai. Salah satu kriteria untuk mesin perlu mendapatkan perhatian menjatuhkan pilihan tes statistik mana dalam yang akan kita gunakan adalah kekuatan performance engine secara keseluruhan rangka yang meningkatkan analisis tes statistik tersebut. Suatu tes statistik itu baik, jika mempunyai Tujuan Penelitian kemungkinan kecil untuk menolak Ho Penelitian ini bertujuan apabila Ho mengamati, dan menganalisa benar, dan mempunyai untuk laju kemungkinan besar untuk menolak Ho perpindahan panas pada radiator dengan apabila Ho salah. Pada pengujian kali ini fluida campuran 80 % air dan 20% penulis menggunakan metode paired radiator coolant pada putaran konstan. comparison karena memiliki beberapa kelebihan. Di antaranya, metode paired comparison ini sangat cocok digunakan untuk analisis berpasangan, data data dua yang kesederhanaan Manfaat penelitian ini adalah : sampel - Sebagai pertimbangan dan masukan dianalisis untuk menambah wawasan dalam hal berasal dari populasi dengan distribusi normal, Manfaat Penelitian di perpindahan panas radiator. dalam - Menggali permasalahan yang dimiliki perhitungannya, dan cocok digunakan dalam laju perpindahan panas pada untuk analisis dengan jumlah sampel radiator dengan fluida campuran 80 % yang kecil. Pertimbangan lain dalam air dan 20% radiator coolant pada pemilihan metode paired comparison ini putaran konstan. adalah cara yang digunakan dalam penarikan sampel adalah berurutan dan teratur dalam selang waktu tertentu. Sifat populasi yang menjadi asal usul sampel berdistribusi normal dalam Metode Penelitian Penelitian dilakukan dengan : 1. Studi literatur, studi ini bermanfaat untuk mendapatkan berbagai teori bentuk data interval. Berdasarkan hal- 66 Perpindahan Panas pada Radiator dengan Fluida Campuran 80% air dan 20 Laju TEKNIK - UNISFAT, Vol. 4, No. 2, Maret 2009 Hal 65 - 75 JURNAL % Radiator Coolant pada Putaran Konstan – Agung Nugroho 66 66 yang berhubungan dengan permasalahan dalam penelitian ini. a. Konduksi Perpindahan panas konduksi 2. Survei lapangan, digunakan dalam merupakan perpindahan energi yang rangka mengumpulkan variable - terjadi pada media padat atau fluida variabel obyek yang diteliti. yang diam sebagai akibat dari perbedaan temperatur. Hal ini merupakan TINJAUAN PUSTAKA perpindahan energi dari partikel yang Perpindahan Panas Radiator lebih enerjik ke partikel yang kurang Besar radiator perpindahan adalah suatu nilai panas yang enerjik pada benda akibat interaksi antar partikel - partikel. Energi menunjukkan besarnya panas pada air dihubungkan radiator yang dapat dibuang ke udara translasi, sembarang, rotasi dan getaran luar. dari molekul-molekul. Temperatur lebih Persamaan yang digunakan untuk menghitung adalah : q konduksi Keterangan : q = Laju perpindahan panas (W) m = Laju aliran massa air (Kg/s) Cp = Kalor spesifik fluida air (KJ/Kg oC) Th,in = Temperatur air saat memasuki radiator (K) Th,out = Temperatur air saat keluar radiator (K) panas dapat perpindahan energi dari suatu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari perbedaan temperatur antar daerah tersebut. Secara umum ada 3 cara proses perpindahan panas yaitu : 67 JURNAL panas, persamaan aliran dikenal dengan Hukum Fourier. Jika kondisi pada dinding datar, laju perpindahan panas satu dimensi adalah sebagai berikut : q kond = -K. A dT/dx (2) Keterangan : Cara-cara Perpindahan Panas sebagai ke temperatur lebih rendah (kurang energi). Untuk ( 1) Perpindahan pergerakan tinggi berarti molekul lebih berenergi memindahkan energi = m . Cp(Th,in – Th,out) didefinisikan dengan ini q kond = Besar laju perpindahan panas konduksi (W) k = Konduktivitas termal bahan (W/m. K) dT/dx = Temperature gradient A = Luasan permukaan perpindahan panas (m2) (-) =Perpindahan panas dari temperatur tinggi ke temperatur rendah. TEKNIK - UNISFAT, Vol. 4, No. 2, Maret 2009 Hal 65 - 75 67 h b. Konveksi Perpindahan panas konveksi adalah suatu perpindahan panas yang terjadi antara suatu permukaan padat = Koefisien konveksi (W/m2 K) A = Luasan permukaan perpindahan panas (m2) (Ts - T ∞)= Perbedaan temperatur (K) dan fluida yang bergerak atau mengalir Persamaan di atas disebut akibat adanya perbedaan temperatur. Hukum Secara umum konveksi dapat Newton dengan Pendinginan atau Newton’s Law of Cooling. dibedakan menjadi tiga yaitu : 1. Konveksi bebas (free convection) atau natural terjadi bukan karena dipaksa oleh alat, Radiasi convection, yaitu konveksi di mana aliran fluida suatu c. Radiasi tetapi disebabkan karena gaya apung (buoyancy yang diemisikan oleh benda yang berada pada konveksi yang terjadi di mana aliran fluida blower dan lain-lain disebabkan oleh peralatan bantu seperti fan, blower dan lain- Konveksi dengan perubahan fase, yaitu sama seperti (boiling) dan pendidihan pengembunan mana dari ditransportasikan medan oleh radiasi gelombang elektromagnetik atau lainnya. Photon berasal dari energi dalam sebuah elektron yang memancar. Pada perpindahan panas laju membutuhkan media. Sedangkan pada perpindahan diperlukan panas radiasi media. tidak Kenyataannya perpindahan panas radiasi lebih efektif (kondensasi). Persamaan di konduksi dan konveksi adalah mutlak lain. 3. tinggi, elektron dari atom. Energi Konveksi paksa (force convection), yaitu temperatur merupakan perubahan dalam konfigurasi force). 2. thermal adalah energi perpindahan panas Laju perpindahan panas netto konveksi, bila Ts ,> T ∞ adalah : q konv = hA (Ts - T∞) terjadi pada ruang hampa. (3) radiasi dirumuskan sebagai berikut : q rad = ε σ A (Ts 4- Tsur 4) Keterangan : q konv = Besar laju perpindahan konveksi (W) (4) Keterangan : q rad = Laju perpindahan panas radiasi (W) 68 Perpindahan Panas pada Radiator dengan Fluida Campuran 80% air dan 20 Laju TEKNIK - UNISFAT, Vol. 4, No. 2, Maret 2009 Hal 65 - 75 JURNAL % Radiator Coolant pada Putaran Konstan – Agung Nugroho 6868 ε = Emisivitas permukaan material = Konstanta Stefan-Boltzmann = 5,669× 10-8 W/m2.K4 = Luasan permukaan perpindahan panas (m2) = Temperatur permukaan benda (K) = Temperatur surrounding (K) σ A Ts Tsur dan melakukan penyerapan panas seperti diuraikan di atas. Proses pembuangan panas dari fluida pendingin (air) terjadi di radiator yaitu pada radiator core. Air panas yang mengalir pada tube memindahkan panas dari air (fluida pendingin) ke Prinsip Kerja Radiator Sebagai permukaan dalam tube secara konveksi. Panas Pembuangan Panas Mesin selanjutnya dipindahkan dari Panas mesin terpusat pada ruang permukaan dalam ke permukaan luar bakar /silinder yang merupakan hasil tube secara konduksi, dan diteruskan dari proses pembakaran udara dan bahan lagi dari permukaan luar tube ke fin bakar. Seperti yang ditunjukkan Gambar (kisi-kisi radiator) secara konduksi juga. 1, panas di ruang mesin ini dipindahkan Panas dari fin radiator di pindahkan ke dari sisi dalam silinder ke water jacket udara luar secara konveksi. secara konduksi. Kemudian panas pada Uji – t (t-Test) water jacket pendingin akibatnya diteruskan (air) air ke secara menjadi fluida konveksi, panas. Air Metode yang digun akan pada penelitian ini Comparison adalah Paired (membandingkan pendingin yang telah menjadi panas ini berpasangan), di mana terdapat jumlah disirkulasikan (dipompakan) ke radiator pasangan untuk didinginkan lagi agar mampu adalah dua belas (n = 12, berdasarkan menyerap panas kembali. fungsi Air panas masuk radiator ke upper tank melalui Kemudian dampak pendinginan dari hose, sistem radiator menggunakan 100% air selanjutnya ke lower tank melalui tube dan campuran 80% air, 20% radiator (pipa kapiler) pada radiator core dan coolant pada putaran sama adalah keluar dari lower tank melalui lower masing-masing disimbolkan dengan X hose sudah berupa air dingin. Air yang dan Y, sehingga dibuat Tabel 1 seperti telah di bawah ini. didinginkan upper waktu pada putaran 2000). tersebut kembali disirkulasikan ke sepanjang water jacket 69 JURNAL TEKNIK - UNISFAT, Vol. 4, No. 2, Maret 2009 Hal 65 - 75 69 Harga t dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut; _ D 0 t SD n (8) Keterangan: _ Gambar 1 : Sirkulasi Air Pendingin pada Kendaraan D = rata-rata selisih n = jumlah pasangan, n-1 = derajat kebebasan D i = total selisih 0 = 0 Tabel 1 : Laju Pembuangan Panas Hipotesa yang dihasilkan : H0 : μ1 ≤ μ2 (q campuran 80% air, 20% RC ≤ q 100% air) H1 : μ1 > μ2(q campuran 80% air, 20% RC > q 100% air) Rata-rata selisih dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut : deviasi Jika thitung > ttabel → H0 ditolak H1 diterima, berarti q campuran 80% air 1 n D Di n i 1 _ Standar Uji hipotesa : (5) ditentukan dengan persamaan sebagai berikut : dan 20% RC lebih besar dari q 100% air. Jika thitung ≤ ttabel → H1 ditolak H0 diterima, berarti q campuran 80% air n SD (D i i 1 Convidence _ D) 2 (n 1) interval kepercayaan) 1-α = 95 % dan (6) D t / 2,n 1 S n RC sama dengan q 100% air. (range untuk δ Metode Penelitian Alat dan bahan diberikan sebagai berikut : _ 20% Alat-alat yang diperlukan pada (7) penelitian ini adalah satu unit kendaraan (mobil), termocouple, flow meter, stop 70 Laju Perpindahan Panas pada Radiator 80% TEKNIK - UNISFAT, Vol. dengan 4, No. 2,Fluida MaretCampuran 2009 Hal 65 - 75air dan 20 JURNAL % Radiator Coolant pada Putaran Konstan – Agung Nugroho 70 70 watch, dan alat bantu seperti dilaksanakan selama tang,obeng, ember, dll. Bahan yang pencatatan digunakan adalah air biasa, auto sealant, setiap lima menit (5 menit). klem, dan radiator coolant yang berupa konsentrat. peralatan uji ditunjukkan pada Gambar 2 di bawah jam berikutnya Adapun pengujian Skematik data 1 dan diambil langkah-langkah pengujian) adalah sebagai berikut : 1. Siapkan alat dan bahan serta rangkai alat uji seperti skema. ini. 2. Masukkan fluida pendingin ke dalam radiator dan yakinkan telah terisi penuh. 3. Catat temperatur fluida pendingin pada sisi masuk dan keluar radiator (temperatur ini temperatur awal merupakan / initial temperature). Gambar 2 : Skematik Alat Uji Sistem 4. Hidupkan mesin dan pertahankan Pendinginan Mesin pada putaran konstan 2000 rpm. 5. Catat data setiap 5 menit terhitung saat mesin mulai hidup. Pengujian Pelaksanaan pengujian dilaksanakan dilakukan selama 1 jam, yang mana menggunakan fluida 100% air dengan pengujian dan pengambilan data campuran 80% air dan 20% RC pada dihentikan pada menit ke-60. Pengujian 6. Setelah itu, matikan mesin dan rpm 2000. Pengujian dimulai dengan fluida 100% air dengan campuran 80% air dan 20% RC pada rpm 2000. Catat biarkan sampai mesin benar-benar dingin. 7. Setelah proses pengujian selesai, (Tin kembalikan kondisi kendaraan ke ) dan temperatur fluida di outlet radiator (Tout ) kondisi semula. Rapikan kembali sebagai kondisi awal, kemudian mesin semua alat dan bahan uji. temperatur fluida pada inlet radiator dihidupkan/dijalankan. 71 JURNAL Pengujian TEKNIK - UNISFAT, Vol. 4, No. 2, Maret 2009 Hal 65 - 75 71 8. Ulangi pengujian tersebut sebamyak 3 kali pada jam yang sama panas mesin dengan fluida kerja 100% air. Dari pengolahan dan perhitungan data didapatkan perpindahan panas hasil berupa laju mesin terhadap waktu H0 dan H1 dalam Model Statistik H0 : μ1 ≤ μ2 (q campuran 80% air, 20% seperti ditunjukkan pada Tabel 2 RC ≤ q 100% air) Tabel 2. Laju perpindahan panas (q) H1 : μ1 > μ2 (q campuran 80% air, 20% RC > q 100% air) Waktu (menit Ke) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 _ q 80% air dan 20% RC (Watt) q 100% air (Watt) Selisih (Watt) Rata – Rata Selisih Sampel ( D ) X Y D=(X-Y) Standar Deviasi Sampel (SD) 7133,518 7365,391 7596,977 7824,849 7883,813 8224,857 8111,246 8111,827 8394,903 8450,861 8564,878 8791,000 6447,618 6565,713 6513,852 6400,937 6571,172 6683,803 6910,155 6854,398 7138,228 7252,100 7194,657 7478,500 685,899 799,678 1083,124 1423,911 1312,641 1541,054 1201,091 1257,428 1256,675 1198,760 1370,220 1312,499 _ D = 1,20358 S D = 0,24592 Tingkat Signifikansi Harga a berperan dalam menentukan apakah H0 akan ditolak atau tidak, maka tuntutan objektivitas meminta agar nilai α ditetapkan sebelum pengumpulan data. Yang besarnya biasanya 0,05 atau 0,01. Dalam penelitian ini penulis memilih nilai α yang besarnya 0,05 (5%). Pengolahan Data secara Statistik Convidence Interval H0 dan H1 dalam Uraian Kalimat Convidence H0: laju perpindahan panas mesin dengan fluida kerja 80% air dan 20% RC lebih kecil atau sama dengan laju pembuangan panas mesin dengan fluida kerja 100% air. H1: laju perpindahan panas mesin dengan fluida interval (range kepercayaan) 1- α = 95 % untuk δ diberikan sebagai berikut : 1,07608 < δ < 1,33108 Harga t Hitung t hitung = 16,95422 kerja 80% air dan 20% RC lebih besar daripada laju pembuangan Laju 72 Perpindahan Panas pada Radiator dengan Fluida Campuran 80% air dan 20 TEKNIK UNISFAT, Vol. 4,–No. 2, Maret 2009 Hal 65 - 75 JURNAL Coolant % Radiator pada- Putaran Konstan Agung Nugroho 72 72 Seperti terlihat pada Gambar 4 Kriteria Pengujian Jika thitung > ttabel → H0 ditolak, H1 diterima dimana sejak menit–menit awal yaitu menit ke-5 laju pembuangan panas Jika thitung ≤ ttabel → H1 ditolak, H0 diterima campuran 80% air dan 20% RC sudah menunjukkan nilai laju perpindahan panas yang lebih besar daripada Perbandingan Antara t Tabel dengan menggunakan fluida kerja 100% air. t Hitung Perbedaan yang ditunjukkan t hitung = 16,95422 berfluktuasi tetapi cenderung linier. Hal t tabel yang menyebabkan laju pembuangan = 1,796 panas mesin oleh radiator dengan menggunakan fluida kerja campuran 80% air dan 20% RC lebih besar daripada menggunakan 100% air adalah fluida kerja perbedaan nilai koefisien perpindahan panas konveksi yang dimiliki fluida campuran 80% air dan 20% RC lebih besar daripada fluida kerja 100% air. Hal ini menyebabkan Gambar 3. Daerah Penolakan Ho laju perpindahan panas konveksi dari fluida radiator menuju ke sisi bagian dalam radiator menjadi lebih besar, yang akan menyebabkan perpindahan panas ke lingkungan yang lebih besar pula. Kondisi ini tidak mempunyai pengaruh terhadap daya yang dihasilkan oleh mesin kendaraan (mobil) karena masih berada dalam batas distribusi keseimbangan panas. Di mana panas Gambar 4. Perbandingan Laju yang hilang karena proses Perpindahan Panas 73 JURNAL TEKNIK - UNISFAT, Vol. 4, No. 2, Maret 2009 Hal 65 - 75 73 pada masing-masing pengujian. Dari HASIL DAN PEMBAHASAN Pendinginan maksimum sebesar perhitungan tersebut didapat rata-rata 32% dari panas total yang dihasilkan laju perpindahan panas untuk campuran agar kondisi kendaraan tetap normal. 80% air dan 20% radiator coolant Secara volume teoritis aliran bahwa fluida (Q) laju sebesar 8,03784 Watt sedangkan untuk konstan, fluida kerja 100% sebesar 6,83426 Watt. putaran mesin konstan, dan temperature Perhitungan lingkungan (Tsur) konstan maka laju menggunakan perpindahan comparison seharusnya panas konstan radiator metode dengan statistik paired menggunakan state). tingkat signifikansi 5% mendapatkan Namun apabila terjadi sedikit fluktuasi hsil nilai t hitung jauh lebih besar laju perpindahan panas radiator (q) hal daripada t tabel, hal ini menunjukkan ini dapat diakibatkan oleh berbagai bahwa memang benar laju perpindahan macam factor antara lain : alat ukur panas campuran 80% air dan 20% (temperature maupun volume fulida) radiator coolant sebagai fluida kerja yang radiator memang lebih besar daripada kurang ketidakhomogenan (steady (q) secara akurat, serta campuran bahan fluida kerja 100%. bakar dan udara yang dihasilkan dari proses pengkabutan oleh karburator SIMPULAN setiap menitnya yang berpengaruh pada Dari hasil pengujian dan analisis data panas yang dihasilkan pada proses yang telah dilakukan, dapat disimpulkan pembakaran di ruang bakar. Sehingga bahwa : panas yang diserap setiap menitnya oleh 1. Laju perpindahan panas rata-rata fluida pendinginpun tergantung dari proses tersebut. (qrata-rata) campuran 80% air dan 20% radiator coolant sebesar 8,03784 Rata-rata laju perpindahan panas Watt. Sedangkan untuk fluida kerja (qrata-rata) mesin oleh radiator diperoleh 100% sebesar 6,83426 Watt. Secara dengan laju numeric dapat diketahui bahwa laju perpindahan panas dari awal sampai perpindahan panas campuran 80% akhir pengujian, yang kemudian dibagi air dan 20% radiator coolant lebih dengan banyaknya data yang diperoleh besar dari pada laju perpindahan menjumlahkan nilai 74 Laju Perpindahan Panas- pada Radiator 80% TEKNIK UNISFAT, Vol.dengan 4, No. 2,Fluida MaretCampuran 2009 Hal 65 - 75air dan 20 JURNAL % Radiator Coolant pada Putaran Konstan – Agung Nugroho 7474 panas fluida kerja 100% air pada putar 2000 rpm. Toyota Astra Motor, PT., 1994, New Team Engine GroupTraining 2. Hasil pengolahan data secara statistik menggunakan metode comparison paired dengan Manual, Toyota Servise Training, Jakarta. tingkat Toyota Astra Motor, PT., 1994, New signifikansi 5%, mendapatkan hasil Step 1 Training Manual, Toyota nilai t hitung sebesar 16,95422 jauh Servise Training, Jakarta. lebih besar dari pada nilai tabel Sugiono, 1999, Statistik Nonparametris sebesar 1,796 dengan selisih rata-rata Untuk laju perpindahan panas mencapai Bandung. Penelitian, Alfabeta, 1,20345 Watt. Hal ini membuktikan bahwa memang benar pada putaran 2000 rpm laju perpindahan panas campuran 80% air dan 20% radiator coolant jauh lebih besar daripada fuida kerja 100% air. DAFTAR PUSTAKA Holman, J,P., alih bahasa Jasfi, E., 1984, Perpindahan Kalor, Edisi Kelima, Erlangga, Jakarta Pusat Bhattacharyya,G,K.,1977,Statistical Concept and Metods, John Wiley & Sons, New York. Santa Barbara, London. Sydney .Toronto Riduwan, 2006, Dasar –dasar Statistika, Alfabeta, Bandung. Incropera, F.P and Dewitt, D.P., 1990, Fundamental of Heat Transfer, John Wiley & Sons, New York. 75 JURNAL TEKNIK - UNISFAT, Vol. 4, No. 2, Maret 2009 Hal 65 - 75 75