PRINSIP KERJA RADIATOR PADA MESIN
Dalam setiap kinerja mesin kendaraan
selalu menghasilkan getaran dan panas, tidak ada satu pun mesin kendaraan yang
berkerja dengan efisiensi yang sempurna (tidak ada getaran mau pun panas). Untuk
masalah getaran dapat diredam Shock
Absorber mau pun dapat diredam dengan bantalan sedangkan untuk masalah Overheat dapat di atasi dengan
menggunakan Radiator. Radiator adalah sebuah alat pendingin yang di dinginkan
oleh udara luar untuk radiator sendiri, namun udara luar tidaklah cukup untuk
mendinginkan air yang ada di dalam radiator yang suhu dan tekanannya sangat
tinggi sehingga dibutuhkan sebuah kipas pendingin (cooling fan) untuk menstabilkan suhu dan tekanan yang di
perbolehkan dalam kinerja mesin kendaraan tersebut. Selain kipas radiator,
ada kinerja radiator diantaranya adalah
tutup radiator, tangki cadangan (reservoir tank), Pompa air (pump), thermostat,
dan fan belt.
 |
| Gambar 1 (otomotif plus) |
Salah satu konsep perpindahan panas
yaitu konveksi yang juga diterapkan dalam sistem kerja radiator. Sistem kerja
radiator bermula bila suhu pada thermostat mencapai 800-900C
maka air akan di alirkan menggunakan pompa ke water jacket menuju combustion
chamber, kemudian air yang masuk ke water
jacket di sekeliling combustion
chamber akan terpanaskan seperti proses pemanasan air dalam panci. Lalu air
yang terkonveksi panas dari combustion
chamber akan dialirkan kembali ke radiator dan panas tersebut akan diserap
dengan sirip – sirip (fin) secara
konduksi karena sirip – sirip tersebut bersentuhan dengan pipa yang mengalirkan
air panas yang berasal dari combustion
chamber. Setelah suhu air kembali stabil, maka akan kembali dalirkan ke water jacket sedangkan sirip – sirip (fin) yang menjadi panas karena proses
konduksi dari pipa yang mengalirkan air panas akan didinginkan
dengan kipas pendingin. Apabila tekanan dan suhu yang terdapat dalam radiator
melebihi batas yang di tentukan, maka relief
valve akan membuka dan menghisap air untuk dialirkan melalui overflow pipe ke reservoir tank untuk mengurangi tekanan dan suhu berlebih pada
radiator dan bila suhu radiator sudah kembali stabil maka vacum valve akan membuka secara otomatis untuk
menghisap udara segar mengganti kevakuman dalam radiator dan air yang berada pada reservoir
tank akan kembali terhisap ke dalam radiator.
Sebuah mesin yang harus bekerja dalam
waktu yang lama dan beban yang cukup berat sangat memerlukan pendinginan untuk
menjaga kestabilan suhu agar kualitas kinerja mesin dan komponen – komponen
tidak rusak karena panas. Khususnya mesin mobil yang harus bekerja cukup lama
karena kemacetan mengakibatkan sering terjadinya overheat sehingga radiator menjadi komponen yang penting untuk
menstabilkan panas di combustion chamber.
Oleh karena itu, Penulis ingin
menjabarkan sistem kerja radiator serta proses perpindahan panas yang terjadi
pada radiator serta area – area radiator yang mempunyai tingkat panas yang
tinggi. Selain itu batas – batas kemampuan radiator untuk menjaga kestabilan
suhu dan batas – batas kemampuan sirip radiator untuk menahan aliran air panas
yang kembali dari combustion chamber .
Sehingga akan terdapat kesimpulan yang
bisa dipergunakan untuk pengoptimalan radiator.
Perpindahan panas adalah proses bertukarnya
panas (suhu mau pun energy) yang terjadi pada dua buah benda baik padat mau pun
cair yang berbeda temperature atau pun sebuah benda atau tempat yang di ubah
suhunya melalui pancaran(tidak langsung) dan dapat dilakukan dengan beberapa
proses, yaitu :
1.
Proses Konduksi (Conduction)
Proses perpindahan panas antar benda
padat yang jumlahnya lebih dari 2 (dua) dengan suhu yang bervariasi serta
secara langsung bersentuhan. Proses ini dapat dilakukan pada benda – benda
padat khususnya untuk berbagai dimensi, sebagai berikut:
a. Satu dimensi (Mono Dimensional): Proses perpindahan panas
secara konduksi dalam satu arah (satu garis lurus), atau antara dua titik (
beda temperatur) dalam benda yang masih dalam satu bidang datar , dan berlaku
perumusan sebagai berikut:
Dimana:
Qk :
Laju aliran panas dalam Btu/hr atau Watt/s
K :
Koefisien konduktivitas material
A :
Luas penampang tegak lurus aliran panas 1 dimensi (ft2
atau
m2)
dT/dX :
Gradient penurunan temperature dalam benda padat (F/ft ; K/m)
b.
Dua dimensi (Dwi Dimensional): Proses konduksi yang merambat
dalam satu arah (satu garis lurus), atau antara dua titik (beda temperatur)
bisa dalam dua bidang yang berlainan dan dalam satu bidang datar
c.
Tiga dimensi (Tri Dimensional): Proses konduksi yang
merambat dalam satu arah (satu garis lurus), atau antara dua titik (beda
temperatur) bisa dalam ruang (bidang tiga) yang berlainan temperaturnya dan
berarah lurus dalam bidang yang berbeda.
2.
Proses Konveksi (Convection)
Perpindahan panas dalam suatu fluida
(cairan atau gas) yang membutuhkan benda fluida perantara dari tempat yang
mempunyai temperatur yang berbeda dan berpindah dari temperatur yang lebih
tinggi menuju temperatur yang lebih rendah
Sama halnya dengan proses konduksi,
proses konveksi juga mempunyai beberapa mekanisme perpindahannya, yaitu:
a. Satu dimensi (Mono Dimensional): Proses konveksi (perambatan
panas dalam fluida) dan dalam satu arah (satu garis lurus), atau antara dua
daerah ( beda temperatur) dalam elemen yang masih dalam satu bidang datar.
Laju
perpindahan panas konveksi satu dimensi dari suatu permukaan fluida dapat
dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
Dimana:
QC :
Laju aliran panas konveksi (Btu/hr atau Watt/s)
Hc : Permukaan perpindahan panas atau koefisien panas
konveksi ( Btu/h ft2 F atau Watt/ s.m2K)
A :
Luas area perpindahan panas (ft2 atau
m2)
∆T :
Beda temperatur permukaan Ts dan Tf (F atau K)
b.
Bidang datar (Dwi Dimensional): Proses konveksi (perambatan
panas dalam fluida) dan dalam satu arah (satu garis lurus), atau antara dua
daerah (beda temperatur) bisa dalam dua bidang yang berlainan dalam perantara
fluida.
c.
Ruang tiga dimensi (Tri Dimensional) : Proses konveksi (perambatan panas dalam fluida) dan dalam
satu arah (satu garis lurus), atau antara titik elemen (beda temperatur) bisa
dalam ruang (bidang tiga) yang berlainan temperatur dan berarah lurus dalam
bidang yang berbeda menurut elemen cairan.
3.
Proses Radiasi (Radiation)
Perpindahan panas secara pancaran
(Radiation0 dari suatu elemen ke elemen yang lain dengan atau tanpa perantara
(dalam ruang hampa/vaccum) yang mempunyai temperatur lebih tinggi ke suatu
elemen/tempat yang mempunyai temperatur yang lebih rendah.
Laju perpindahan panas secara radiasi
dalam satu dimensi dari suatu permukaan fluida dapat dihitung dengan persamaan
sebagai berikut:
Dimana :
Qr : Laju bersih aliran panas
radiasi ( Btu/hr atau Watt/s)
∑ : Konstanta dimensional ( 0.1714x10-8
Btu/hr ft2 R4 atau
5.67x10-8
5.67x10-8
Watt/m2K4)
A1 : Luas perpindahan panas (ft2 atau m2)
T1 : Temperatur permukaan yang
memancarkan panas (R/K)
T2 :Temperatur permukaan yang
menutupi (R atau K)
ε :Menggunakan
ε1 (emitansi) khusus untuk perbandingan
Adapun beberapa mekanisme perpindahan
panas secara radiasi sebagai berikut:
a.
Satu arah pancaran (Mono Dimensional): Proses radiasi
(pancaran panas) dalam satu arah berupa satu garis lurus, atau antara dua titik
– titik daerah/tempat yang mempunyai beda temperaturnya dalam ruang atau bidang
yang berbeda.
b.
Bidang datar 2-dimensi (Dwi Dimensional): Proses radiasi
(pancaran panas) dalam satu arah berupa satu garis lurus, atau antara dua titik
– titik daerah/tempat yang mempunyai beda temperaturnya bisa dalam dua bidang
yang berlainan dalam tanpa membutuhkan elemen perantara (ruang hampa).
c.
Ruang tiga dimensi (Tri Dimensional) : Proses radiasi (pancaran panas) dalam tiga arah berupa
garis lurus, atau antara dua titik – titik daerah/tempat yang mempunyai beda
temperaturnya bisa dalam ruang (bidang tiga) yang berlainan temperaturnya dan mempunyai
arah garis lurus bisa dalam bidang yang berbeda menurut dan tanpa elemen perantara.
Dalam proses kerja radiator mobil
berlangsung dua buah proses perpindahan panas yaitu perpindahan panas secara
konveksi pada saat air radiator dipanaskan di dalam water jacket dan perpindahan panas secara konduksi yang terjadi
ketika sirip – sirip (fin)
bersinggungan dengan pipa yang membawa air radiator yang panas dan menyerapnya.
Selain
persamaan – persamaan dasar yang telah di jelaskan, ada pula rumus yang di
butuhkan untuk meghitung perpindahan panas rata – rata dan laju aliran
perpindahan panas yang terjadi pada radiator mobil dan berikut persamaannya.
Heat Transfer Rate/Flux (perpindahan
panas rata – rata )
Dimana :
QX : Heat transfer rate/flux (Joule/m2.s)
KT : Konduktivitas termal (Joule/m.0C.s)
∆T : Perbedaan suhu (0C)
X : Panjang benda (m)
Sedangkan untuk Heat Flow adalah
sebagai berikut :
Dimana :
H :
Heat flow/laju aliran panas (J/s)
KT : Konduktivitas termal (Joule/m.0C.s)
Thot : Suhu yang lebih tinggi (0C)
Tcold : Suhu yang lebih rendah (0C)
A : Luas penampang benda (m2)
t : Ketebalan benda (m)
Menurut
Armento (1979), Menegazzi dan Trapi (1996) ( Rudi S. (1999)) faktor – faktor
yang mempengaruhi kinerja dalam proses pendinginan dalam sebuah radiator di
antaranya yaitu:
-
Tipe
dari system pendinginan (menggunakan udara atau air)
-
Diameter
dari water jacket yang digunakan
-
Tipe
coolant yang digunakan
-
Thermostat
-
Penutup
tekanan
-
Vacum
dan Relief Valve
-
Kondisi
sirip kipas pendingin(Cooling Fan)
-
Kinerja
dari pompa air pendingin
Selain
pendapat diatas, masih ada beberapa pendapat untuk mengoptimalkan proses
perpindahan panas yang terjadi atau meningkatkan efisiensi dari kinerja
radiator diantaranya sebagai berikut:
1. Penelitian pendahulu
yang dilakukan beberapa orang peneliti yang dilaporkan kembali oleh Indra Mamad
Gandidi (2001) dan Ximenes (1981) melaporkan hasil eksperimen untuk koefisien
perpindahan panas dalam susunan satu dan dua baris pipa oval pada penukar panas
sirip plat yang menunjukkan bentuk geometri bulat, diselidiki bahwa penurunan
koefisien panas berkurang secara dramatis dibelakang pipa-pipa dibandingkan
dengan konfigurasi oval.
2. Rosman et. al.
(1984) secara eksperimen menentukan koefisien perpindahan panas global dan
lokal, menggunakan analogi perpindahan panas dan massa untuk susunan satu dan
dua baris pipa bulat, diikuti dengan perhitungan numeris distribusi temperatur
sirip dan efisiensi sepanjang sirip. Hasilnya menunjukkan bahwa konfigurasi dua
baris lebih efisien dari susunan satu baris.
3. Untuk mengetahui
seberapa jauh pengaruh dari geometri sirip terhadap koefisien perpindahan panas
konveksi pada radiator, Rudi S. (1999) melakukan penelitian secara
eksperimental dengan cara merubah geometri sirip untuk mendapatkan aliran udara
yang melewati inti radiator supaya lebih berputar. Hasil yang didapat
menunjukkan peningkatan koefisien perpindahan panas konveksi radiator.
Prinsip
Dasar Alat Penukar Panas
Khususnya Radiator
Khususnya Radiator
Alat
Penukar panas (Heat Exchange/Radiator) adalah sebuah alat yang berfungsi untuk
mengubah temperatur suatu fluida dengan proses pertukaran panas/kalor dengan
fluida lainnya yang berbeda temperatur. Prinsip alat penukar panas adalah
sebagai tempat mencampurkan kedua fluida tersebut namun dibatasi dengan dinding
pipa atau sirip – sirip yang di pasangkan pada pipa. Walau pun ada pula metode
dengan langsung mencampurkannya namun hal tersebut hanya dapat dapat di gunakan
bila kedua fluida yang di gunakan adalah sejenis atau pun memang mempunyai
tujuan untuk menukar panas dan mencampurkan kedua sifat dari fluida – fluida
tersebut. Proses aliran pertukaran panas yang terjadi sama halnya dengan proses
aliran air yaitu panas dari fluida yang bertemperatur tinggi menuju ke fluida
yang bertemperatur lebih rendah. Besarnya panas/kalor yang berpindah sangat
dipengaruhi oleh beberapa factor yaitu kecepatan aliran fluida, arah aliran,
sifat – sifat fisik dan kimia kedua fluida, kondisi permukaan dan luas bidang
penukar/pembatas penukar panas, serta perbedaan temperature antara kedua fluida
yang digunakan.
Terdapat
dua jenis aliran fluida yang mungkin terjadi yaitu aliran laminar dan aliran
turbulen. Pada aliran laminer adalah sebuah aliran yang sifatnya tenang,
kecepatannya rendah dimana semua partikel – partikelnya mempunyai sifat yang
seragam, sedangkan pada aliran turbulen berlawanan dengan laju aliran laminer
yaitu setiap partikelnya mempunyai arah dan kecepatan yang berbeda – beda dan
tidak seragam, sehingga setiap partikel menyentuh permukaan dan dinding aliran.
Jadi dapat disimpulkan bahwa aliran turbulen akan membuat kesempatan bagi
fluida untuk menyerap panas pada dinding saluran lebih besar.
Ada
beberapa cara untuk memperoleh laju aliran turbulen bagi alat penukar panas
yaitu dengan cara membuat alur tempat fluida mengalir yang berliku – liku,
membuat dinding permukaan yang kasar, atau dengan mempercepat laju aliran
fluida. Bersamaan dengan peningkatan kapasitas perpindahan panas tersebut, maka
gesekan atau tumbukan dengan dinding saluran akan meningkat.
Sedangkan
keseimbangan energi dalam radiator dapat dideskripsikan sebagai berikut. Satu
fluida pada alat penukar panas akan berfungsi sebagai fluida panas yang akan
melepaskan sebagian energinya dalam bentuk panas kepada fluida dingin. Apabila
fluida dalam pipa bertindak sebagai fluida panas (air), maka fluida dalam
sirip-sirip (fin) bertindak sebagai fluida dingin (udara). Terjadinya perbedaan
temperatur antara sisi masuk dengan sisi keluar menunjukkan adanya fenomena
tersebut.
Dengan
:
m : laju aliran massa (kg.s-1)
Cp : panas spesifik (J.kg-1.0C-1)
Tinlet : temperatur fluida masuk (0C)
Toutlet : temperatur fluida
keluar (0C)
Dengan
mengetahui jenis fluida yang mengalir, laju aliran massa serta tingkat keadaan
awal dan keadaan akhir dari fluida tersebut maka kita dapat membuat suatu
kesetimbangan energi dan menghitung banyaknya energi yang berpindah. Untuk
fluida panas (air) yang mempunyai temperatur awal lebih tinggi dari pada
temperatur akhir dapat digambarkan sebagai berikut :
 |
Gambar.2 Kesetimbangan
(Ir.Subroto,MT. & Ir.Sartono Putro,
2003:11)
Besarnya
energi yang dilepaskan :
Q
in = Q lepas + Q out
Q
lepas = Q in - Q out
Q
lepas = m a . cpa . Tam - m a . cpa . Tak
Q
lepas = m a . cpa [ Tam – Tak ]……………………………(7)
Sistem
pendingin pada motor bakar, dalam motor bakar piston merupakan bagian yang sangat
penting. Motor tidak dapat beroperasi dalam waktu yang lama bila sistem
pendinginannya tidak bekerja dengan baik. Berdasarkan sistem pendinginnya,
motor bakar piston dapat dibedakan antara motor bakar dengan pendinginan
menggunakan air dan motor bakar dengan pendinginan menggunakan udara. Pada
motor bakar dengan pendinginan air, air pendingin dialirkan melalui kepala dan
dinding silinder serta bagian lainnya yang perlu didinginkan. Air akan menyerap
panas dari bagian-bagian tersebut, kemudian mengalir meninggalkan blok mesin
menuju radiator. Dengan bantuan kipas udara, udara dihembuskan melalui
sirip-sirip pendingin tersebut. Jadi air
pendingin disini tidak berhubungan langsung dengan atmosfir. Sistem pendinginan
seperti ini disebut sistem pendinginan tertutup.
Sedangkan
prestasi radiator adalah kemampuan dari radiator tersebut untuk melepaskan
panas dari air ke udara yang mengalir disekitarnya dengan laju aliran massa air
dan udara tertentu persatuan waktu. Prestasi radiator dapat dicari dengan
mengamati keadaan masuk dan keluar fluida dari sistem serta mengasumsikan bahwa
alirannya merata dan mantap. Untuk menentukan prestasi radiator diperlukan
parameter –parameter antara lain sebagai berikut :
1. Laju aliran massa air, m
2. Temperatur air masuk, Tam
3. Temperatur air keluar, Tak
4. Temperatur udara ruangan
Dari
penelitian diatas dapat di ambil hasil yaitu radiator memanfaatkan proses
perpindahan panas secara konveksi dan untuk meningkatkan efisiensi dari
radiator itu sendiri maka ada beberapa cara di antaranya adalah mengubah
material sirip – sirip radiator, mengubah material pipa serta bentuknya, fluida
pendingin yang memiliki koefisien penghantar panas yang baik, putaran kipas
yang tinggi, pompa yang digunakan untuk mengalirkan fluida, bahkan susunan
baris sirip(fin) dan pipa dapat meningkatkan efisiensi dari radiator tersebut.
Perawatan
juga sangat diperlukan untuk menjaga kualitas kinerja dari radiator. Perawatan
yang dilakukan secara berkala(preventive maintenance) adalah pemeriksaan
tingkat fluida yang terdapat pada radiator, sedangkan untuk perawatan lainnya
adalah pemeriksaan untuk sirip yang mengembang
SARAN
Ø Cek selalu radiator
agar radiator dapat bekerja dengan efisien sehingga tidak terjadi kerak, bocor,
ataupun kisi – kisi rusak.
Ø Tutup radiator
selalu di perhatikan agar katup – katup nya dapat berfungsi untuk memelihara
volume air pendingin dan tekanan dala radiator, karena tutup radiator mempunyai
membra untuk pernafasan penguapan.
Ø Gantilah selang
radiator apabila sudah retak – retak ataupun keropos.
Ø Pada sirip - sirip
radiator selalu di lihat agar tidak ada kotoran – kotoran, kerikil ataupun
serangga sehingga pada proses pelepasan panas dari radiator ke udara luar akan
lancer dan tidak terjadi overheat.
Ø Untuk campuran air
pendingin jangan salah mencampurnya, kurang lebih 50% anti beku dan 50% air,
untuk musim dingin anti beku biasa di tambahkan hingga 70%, hal ini di sebabkan
anti-freeze
juga akan membantu mendinginkan air saat air mencapai titik didihnya yaitu 100oC
dan bahkan membantu air pendingin saat suhu belum mencapai temperatur normal.
Referensi :
-
Buku New Step 1, training manual Toyota
-
Bahan Ajar dosen Ir. Prinadi, M.Sc.
-
Otomotif Plus
-
AP Physics – Thermodynamics
Terimakasih postingannya..
BalasHapusIjin buat saya kutip dalam tugas makalah saya.. :)