STUDI EKSPERIMEN PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI PAKSA ...

Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2018 ISSN: 1979-911XYogyakarta, 15 September 2018

A-409

STUDI EKSPERIMEN PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI PAKSA EKSTERNAL PADA

PLAT DATAR

Rijalulakbar Dewantoro1, Arrad Ghani Safitra2, Lohdy Diana3

1, 2, 3Sistem Pembangkit Energi, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Kampus ITS Sukolilo, Jl. Raya ITS, Keputih, Sukolilo, Keputih, Kota Surabaya, Jawa Timur 60111

E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]

ABSTRACTHeat transfer is divided into three, conduction, convection and radiation. Convection is the heat transfer

due to bulk movement within fluids. Force convection that happen on the surface of the object is the case of heat transfer for external flow. Force convection declared by the value of convection coefficient (h).Convection coefficient its affected by geometry of the object, fluid velocity, and the value of heat flux. The research has been done by experiment using flat plate aluminum with length 0,275m, width 0,065m and height 0,008m. The goal of this experiment is to know the characteristic of external force convection on flat plate. The object is heated by electric heater under the object, then its cooled by the air from centrifugal blower. Variation of fluid velocity and heat flux was performed to the object. Data retrieval using thermistor (temperature sensor) that integrated with arduino, multimeter (voltage and current sensor), and anemometer (fluid velocity sensor). During experiment, the data taken are surface temperature and fluid velocity. From the experimental result obtained the best value of convection coefficient located on 0,005m, that is the variation fluid velocity 4,8 m/s the value is 275,4 W/m2K. This shows that the higher the fluid velocity will increase the value of the convection coefficient.

Keywords : aluminum, convection, flat plate, force, heat transfer

INTISARIPerpindahan panas dibagi menjadi tiga bagian, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. Konveksi adalah

perpindahan panas dengan disertai oleh zat perantara pada aliran fluida. Konveksi paksa yang terjadi pada permukaan sebuah benda merupakan kasus yang terjadi pada perpindahan panas konveksi pada aliran eksternal. Konveksi paksa dinyatakan dalam nilai koefisien konveksi (h). Koefisien konveksi dipengaruhi oleh geometri benda, kecepatan fluida, dan heat flux dari benda. Penelitian secara eksperimen menggunakan plat datar aluminium dengan panjang 0,275m, lebar 0,065m, dan tinggi 0,008m. Eksperimen ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik dari perpindahan konveksi paksa eksteranal pada plat datar. Benda uji dipanaskan menggunakan electric heater pada bagian bawah benda, dan dilakukan pendinginan oleh fluida udara dari blower sentrifugal. Dilakukan perubahan variasi pada laju alir fluida dan nilai heat flux pada benda uji. Pengambilan data yang dilakukan menggunakan thermistor (sensor temperatur) yang diintegrasikan dengan arduino, multimeter (sensor arus dan tegangan), dan juga anemometer (sensor kecepatan udara). Pada eksperimen, data yang diambil adalah data temperatur permukaan benda uji dan kecepatan aliran fluida udara. Dari hasil eksperimen yang telah dilakukan, diperoleh nilai koefisien konveksi tertinggi pada titik 0,005m, yaitu pada variasi kecepatan 4.8 m/s sebesar 257,4 W/m2K. Hal tersebut menunjukkan bahwa semakin tinggi laju alir fluida akan meningkatkan nilai dari koefisien konveksi.

Kata kunci : aluminium, konveksi, paksa, perpindahan panas, plat datar

1. PENDAHULUAN

Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari satu daerah ke daerah lainnya

sebagai akibat dari beda suhu antara daerah-daerah tersebut dari temperatur fluida yang lebih tinggi ke fluida

lain yang memiliki temperatur lebih rendah. Menurut (P. Incopera) Perpindahan panas pada umumnya

dibedakan menjadi tiga cara perpindahan panas yang berbeda : konduksi, konveksi, dan radiasi. Konveksi adalah

proses transport energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan dan gerakan dari fluida.

Perpindahan panas konveksi diklasifikasikan dalam konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa

mailto:[email protected]




A-410

(forced convection). Konveksi paksa yang terjadi pada permukaan suatu benda merupakan bagian dalam

perpindahan panas konveksi untuk aliran luar atau disebut dengan external flow dimana yang diamati adalah

pengaruh dari aliran yang terjadi kontak dengan permukaan benda.

Konveksi merupakan salah satu jenis perpindahan panas yang mana terjadi pada suatu benda yang

terkonduksi dengan panas, kemudian terkena pengaruh dari suatu fluida yang bergerak. Besarnya nilai suatu

konveksi dinyatakan dengan suatu satuaan yaitu koefisien konveksi (h) yang mana dipengaruhi oleh flux panas

konveksi (q”) dan perbedaan temperatur (∆T) yang mana dinyatakan dengan persamaan " = ℎ( − ).Koefisien perpindahan panas konveksi dipengaruhi oleh bentuk permukaan benda, kondisi fluida, dan sifat

termodinamika yang terjadi.

Perpindahan panas merupakan salah satu kasus yang termasuk dalam kajian energi, oleh karena itu

perubahan energi yang terjadi disini adalah perubahan dari energi yang semula panas menjadi lebih dingin

ataupun sebaliknya. Banyak sekali fenomena yang bisa diamati dan dijadikan untuk menambah pemahaman

dalam bidang energi, khususnya perpindahan panas konveksi paksa eksternal.

Dibutuhkannya suatu solusi untuk pemahaman fenomena dan sebagai media pembelajaran dalam

perpindahan panas konveksi paksa eksternal ini, maka dibuatlah suatu modul perpindahan panas konveksi paksa

eksternal flow. Dalam tugas akhir ini objek yang peneliti gunakan adalah pada plat datar dengan panjang 27,5

cm, lebar 6,5 cm, dan tinggi 0,8 cm.

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui besarnya distribusi temperatur dari nilai koefisien

perpindahan panas yang dipengaruhi oleh perbedaan variasi kecepatan dan skala heater. Dalam menentukan

karakteristik aliran atau cara dari pergerakan fluida, digunakan metode perhitungan Nusselt Number dari

beberapa metode perhitungan yang ada dengan menggunakan software engineering eguation solver (EES).

2. METODE PENELITIAN

2.1 Alat Penelitian

Terdapat satu blower elektrik tipe keong untuk mengalirkan udara kedalam saluran uji, satu regulator

berkapasitas 1kw yang digunakan untuk mengatur tegangan pada heater, modul sensor temperatur, anemo, tang

ampere dan pengaman arus berlebih.

Gambar 1. Proses flow diagram alat konveksi paksa

Detail komponen serta sepesifikasi yang digunakan dalam sistem pengujian perpindahan panas


A-411

konveksi pada plat datar ditunjukkan pada Tabel 1.

Tabel 1. Spesifikasi komponen yang digunakan dalam sistem pengujian perpindahan pans konveksi

dalam saluran

Nama Komponen SpesifkasiRegulator 1kVA, 220V, 50/60 Hz OkiNTC 10k, toleransi 5%, max 400CSaklar 3 posisi 240V, 3A, SchneiderArduino Mega 2560MCB 1 switch, 6ASekrig 6 AAnemo V : 0-30m/s, DigitalTang ampere 400mV-600V, 40A-600A, Uni-T

UT204A

2.2 Sistem Pengujian

Gambar 2. Sekema proses model alak konveksi paksa dalam saluran

Penelitian dilakukan didalam ruangan yang temperaturnya dikondisikan. Sistem ini merupakan sistem

terbuka, dimana fluida kerja yang digunakan berupa udara bebas. Udara tersebut akan dialirkan dengan

menggunakan blower permukaan benda uji yang dipanaskan dengan heater. Selanjutnya akan dialirkan langsung

ke lingkungan.

Variasi yang dilakukan meliputi perubahan kecepatan alir udara dan perubahan skala heater.

Pengambilan data untuk nilai temperatur menggunakan thermocouple, data yang terbaca akan disimpan

mengunakan penyimpanan data (hand phone) melalui bluetooth, untuk pengambilan data kecepatan fluida

digunakan anemometer, serta untuk pengambilan data tegangan dan arus pada heater menggunakan multimeter.

Pengendalian pada kecepatan fluida udara menggunakan valve dan daya pada heater menggunakan regulator.

Data yang diperoleh adalah niali arus dan tegangan, kecepatn udara, temperatur udara masuk dan keluar

saluran, serta temperatur permukaan tiap titi. Dari hasil eksperimen dilakukan pengolahan data menggunakan

software engineering eguation solver (EES).

2.3 Engineering Equation Solver (EES)

Menurut (Wikipedia, 2016) Engineering Equation Solver (EES) adalah perangkat lunak komersial yang

digunakan untuk menyelesaikan sistem non-linier secara langsung. Software ini memberikan banyak manfaat

untuk fungsi dan persamaan khusus untuk menyelesaikan masalah termodinamika dan penukar kalor, bisa juga


A-412

digunakan untuk bidang yang luas seperti pada teknik mesin. EES menyimpan berbagai properti termodinamika,

yang menyelesaikan masalah secara iteratif dengan menggunakan kode yang memanggil properti pada sifat

termodinamika yang sudah ditentukan.

EES juga terdapat tabel parametrik yang mengizinkan pengguna untuk membandingkan beberapa

variabel pada waktu yang sama. Tabel parametrik juga bisa digunakan untuk menghasilkan sebuah plot. EES

juga bisa diintegrasikan, baik dalam perintah kode dan juga dalam bentuk tabel. EES juga menyediakan alat

optimasi yang dapat meminimalisir atau memaksimalkan variabel yang dipilih dengan memvariasikan variabel

lainnya. Tabel lookup dapat dibuat untuk menyimpan informasi yang dapat diakses dengan memanggilnya dalam

kode. Kode EES mengizinkan penggunanya untuk memberikan masukan persamaan pada berbagai urutan untuk

mendapatkan solusi, tapi juga dapat mengandung pernyataan jika-maka, yang mana dapat dipecahkan dengan

membuat pernyataan jika-maka-yang lainnya. Pengguna bisa menulis fungsi untuk digunakan dalam kodenya,

yang mana berfungsi untuk beberapa output.

Software ini bisa menyesuaikan preferensi yang memungkinkan pengguna untuk memilih sistem unit,

menentukan kriteria berhenti, termasuk jumlah iterasi yang digunakan, dan juga mengaktifkan atau

menonaktifkan pemeriksaan unit dan merekomendasikan unit lainnya. Pengguna juga dapat menentukan nilai

tebakan dan batas dari variabel untuk membantu proses pemecahan iteratif dan membantu EES dengan cepat

dan secara sukses menemukan solusi. Berikut adalah formula EES Perhitungan Nilai Koefisien Konveksi pada

Plat Datar.

T_f=(T_s+T_i)/2

//T_s=307.3[K]

//T_i=303.25[K]

//L_b=0.035[m]

//V_i=4.45[m/s]

inersia=V_i*L_b*rho

R_e=inersia/mu

rho=Density(Air,T=T_f,P=P)

P=1*convert(atm,kPa)

mu=Viscosity(Air,T=T_f)

Pr=Prandtl(Air,T=T_f)

N_u=0.453*(R_e^(1/2))*(Pr^(1/3))

k_f=Conductivity(Air,T=T_f)

h=(N_u*k_f)/L_b

2.4 Pengolahan Data

Menurut (Umar, 2012) bilangan Reynolds adalah perbandingan dari gaya inersia dengan gaya viscous.

Jenis aliran fluida dan gesekan yang terjadi dengan permukaan akan menentukan Bilangan Reynolds. Bilangan

Reynolds digunakan untuk mengidentifikasi aliran tertentu misalnya laminar dan turbulen.

Bilangan Prandtl yang merupakan perbandingan antara ketebalan lapis batas kecepatan dengan

ketebalan lapis batas termal. Bilangan Prandtl (Pr) merupakan sifat-sifat fluida saja dan hubungan antara

distribusi suhu dan distribusi kecepatan. Bila bilangan Prandtl-nya lebih kecil dari satu, gradien suhu di dekat

permukaan lebih landai daripada gradien kecepatan, dan bagi fluida yang bilangan Prandtl-nya lebih besar

daripada satu gradien suhunya lebih curam daripada gradien kecepatan.


A-413

Menurut (Aulia Arif Shalihuddin, 2016) perpindahan kalor yang terjadi pada suatu lapisan fluida terjadi

melalui proses konduksi dan konveksi. Bilangan Nusselt menyatakan perbandingan antara perpindahan kalor

konveksi pada suatu lapisan fluida dibandingkan dengan perpindahan kalor konduksi pada lapisan fluida

tersebut. Semakin besar nilai bilangan Nusselt maka konveksi yang terjadi semakin efektif. Bilangan Nusselt

yang bernilai 1 menunjukkan bahwa perpindahan kalor yang terjadi pada lapisan fluida tersebut hanya melalui

konduksi.

Dan terdapat rumus perhitungan untuk bilangan nusselt berdasarkan geometri benda. Untuk plat datar

didapatkan persamaan dari bilangan Nusselt sebagai berikut :

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari hasil perhitungan data eksperimen, dapat dibuat grafik dan tabel nilai dari koefisien perpindahan

panas konveksi dari variasi kecepatan laju alir fluida dan skala heater pada benda uji plat datar.

3.1 Data Hasil Penelitian Perpindahan Panas Konveksi Paksa

Penelitian dilakukan di Laboratorium Thermal dan Laboratorium Pembangkitan Program Studi D4

Sistem Pembangkit Energi, PENS. Data yang diambil adalah temperatur permukaan benda (Ts), temperatur

udara yang menuju benda uji (T∞), tegangan masuk heater (V), arus masuk heater (A). Dari data di atas akan

diolah dan diperoleh nilai koefisien perpindahan panas konveksi (h), bilangan tak berdimensi Reynold Number

(Re) dan Nusselt Number (Nu). Data hasil penelitian ditunjukkan secara detail pada Tabel 2.

Tabel 2. Tabel Data hasil penelitian

Benda Uji Plat Datar (Skala heater 75)Variasi

Kec. (m/s) (° ) (° ) (° ) (° ) (° ) (° )3,6 29,52 43,83 46 47,32 49,63 50,334,7 29,83 42,47 44,59 45,48 47,85 48,67

Benda Uji Plat Datar (Kecepatan Udara 4,8 m/s)Variasi Skala Heater (° ) (° ) (° ) (° ) (° ) (° )

75 31,3 39,72 41,42 42,84 43,21 43,83100 30,88 45,74 48,8 51,9 52,2 53,39

Pada Tabel 2 adalah data hasil dari eksperimen yang telah dilakukan pada plat datar dengan memvariasikan nilai

kecepatan laju alir fluida dan skala heater. Nilai temperatur yang didapatkan adalah nilai temperatur fluida (T∞)

dan temperatur permukaan (Ts) pada tiap titik uji.


A-414

3.2 Data Hasil Perhitungan Koefisien Konveksi pada Plat Datar

Nilai koefisien konveksi berfungsi untuk menunjukkan kemampuan dari fluida membawa panas pada

permukaan benda yang dinyatakan dalam nilai koefisien konveksi perpindahan panas (h). Data hasil perhitungan

ditunjukkan pada Tabel 3 sebagai berikut.

Tabel 3. Tabel Data Nilai Koefisien Konveksi

Benda Uji Plat Datar (Skala heater 75)Variasi Kec. (m/s)

ℎ ℎ ℎ ℎ ℎ3,6 222,9 59,56 42,11 34,38 30,044,7 254,7 68,06 48,12 39,29 34,33

Benda Uji Plat Datar (Kecepatan Udara 4,8 m/s)Variasi Skala Heater

ℎ ℎ ℎ ℎ ℎ75 257,4 68,79 48,64 39,71 34,7

100 257,3 68,76 48,61 39,69 34,68

Dari tabel di atas dapat dibuat grafik nilai koefisien perpindahan panas konveksi terhadap titik uji pada

kedua benda, baik pada variasi kecepatan laju alir fluida maupun skala heater.

3.3 Pengaruh variasi kecepatan fluida dan skala heater terhadap nilai koefisien konveksi

Dari hasil data Tabel 3 maka dapat dibuat grafik untuk menganalisis dari pengaruh variasi kecepatan

fluida dan skala heater terhadap nilai koefisien konveksi. Hasil grafik ditunjukkan pada Gambar 3 sebagai

berikut.

(a) (b)

Gambar 3. Grafik nilai h terhadap titik uji pada plat datar

(a) Variasi kecepatan udara, (b) Variasi skala heater


A-415

Dari hasil grafik di atas, terdapat perbedaan nilai yang cukup signifikan dari eksperimen pada variasi

perubahan kecepatan laju alir fluida (a) namun terdapat perbedaan yang tidak signifikan pada variasi perubahan

skala heater (b) pada benda uji plat datar. Nilai koefisien perpindahan panas konveksi terbesar pada tiap titik uji

terdapat pada variasi kecepatan udara 4,8 m/s variasi skala heater 75. Untuk variasi skala heater nilai koefisien

perpindahan konveksi yang didapatkan hanya memiliki selisih yang sangat kecil, hanya sekitar 0,03 sampai 0,1

saja. Hal ini dikarenakan properti yang berubah dari variasi skala heater ini adalah properti termal saja, yang

mana didapatkan dari nilai temperatur film (Tf) yang dipengaruhi oleh temperatur permukaan (Ts) dan

temperatur fluida (T∞). Nilai temperatur filmnya meningkat dan mengubah beberapa properti termal pada

persamaan, namun properti yang digunakan hanya memiliki perbedaan yang kecil juga. Untuk variasi perubahan

kecepatan nilai yang dihasilkan terdapat perbedaan yang signifikan. Hal ini dikarenakan semakin besar

kecepatan, maka akan mempengaruhi nilai dari Reynolds Number-nya. Dari nilai Reynolds Number ini akan

mempengaruhi nilai dari Nu yang akan memberikan perubahan juga pada nilai koefisien perpindahan panas

konveksinya. Dari pengaruh kecepatan udara ini memberikan dampak pada semakin banyak panas dari

permukaan benda uji yang dibawa oleh fluida, sehingga nilai koefisien perpindahan panas konveksinya semakin

besar. Sehingga ketika temperatur permukaan pada skala heater tetap, namun terjadi kenaikan kecepatan udara,

maka akan menurunkan temperatur permukaan di tiap titik, dan akan menaikkan nilai koefisien perpindahan

panas konveksinya.

Untuk karakteristik dari hasil eksperimen pada benda uji dapat dilihat dari distribusi temperatur pada

temperatur permukaan di benda uji. Untuk titik pertama terjadi pengurangan temperatur yang lebih tinggi dari

titik uji lainnya. Semakin jauh dari sumber fluida maka temperatur yang berkurang semakin kecil, karena fluida

akan semakin panas karena pengaruh pada titik awal sehingga pada konsep pendinginan ini, panas pada titik uji

terjauh hanya akan sedikit berkurang. Dan hal ini juga akan mempengaruhi nilai koefisien perpindahan panas

konveksi baik dari segi properti termal dan juga dari segi properti benda. Dari properti termal yaitu dari nilai

temperatur film (Tf) yang dipengaruhi oleh temperatur permukaan (Ts) dan temperatur fluida (T∞), sedangkan

pada properti benda dipengaruhi oleh nilai panjang titik uji (L).

4. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil analisis data mengenai studi eksperimen perpindahan panas konveksi paksa eksternal

pada plat datar, dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut.

1. Variasi yang paling mempengaruhi dari beberapa percobaan adalah dari variasi perubahan kecepatan udara.

2. Variasi perubahan skala heater memiliki perbedaan namun cukup kecil berkisar antara 0,03 sampai 0,1

W/m2K saja.

3. Trend dari beberapa variasinya sama, yaitu semakin menurun ketika jarak titik ujinya semakin jauh dari

arah datangnya fluida.

4. Metode perhitungan yang digunakan adalah dari persamaan Nusselt Number.


A-416

UCAPAN TERIMA KASIH

Pada bagian ini dapat dituliskan ucapan terima kasih kepada pihak-pihak yang terlibat dalam penelitian

atau kepada pemberi dana penelitian.

DAFTAR PUSTAKA

Aulia Arif Shalihuddin, T. H. (2016). Experimental Study of Heat Transfer Characteristics in the Hair-Pin Heat

Exchanger. Surabaya.

Cengel, Y. (1994). Heat Transfer A Practical Approach (2nd ed.). United States of America.

Hardian Yudi Hidayat, D. I. (2014). Analisa Tekanan dan Laju Kecepatan Angin pada Mobil GL-BUS

Menggunakan Software berbasis Computational Fluid Dynamics (CFD). Depok.

Kutz, M. (2004). Heat Transfer Calculations. (McGraw-Hill, Ed.)

Mahatma, W. (2013). BAB II Tinjauan Pustaka. Retrieved July 5, 2018, from

http://eprints.undip.ac.id/41150/3/BAB_II.pdf

Moran, M. S. (2011). Fundamentals of Engineering Thermodynamics (7th ed.). (J. W. Inc., Ed.) United States of

America.

P. Incopera, F. a. (n.d.). Fundamentals of Heat and Mass Transfer (7th ed.). (J. W. Sons, Ed.) United States of

America.

Umar, F. (2012). Analisis Pengaruh Aliran Turbulen Terhadap Karakteristik Lapisan Batas pada Pelat Datar

Panas. Surabaya: Matematika, FMIPA. Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Wikipedia. (2016, Juny 2016). Engineering Equation Solver. Retrieved July 9, 2018, from

https://en.wikipedia.org/wiki/Engineering_Equation_Solver

STUDI EKSPERIMEN PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI PAKSA ...

Documents