## ANALISA DAN UJI EKSPERIMENTAL PERFORMANSI ALAT PENUKAR KALOR KOMPAK JENIS RADIATOR KENDARAAN BERKAPASITAS MESIN 1300 CC
TERANG U. H. S. G. MANIK 1 , TULUS BURHANUNDDIN SITORUS 2 , RIDHA IRFANDI 3 Dosen Departemen Teknik Mesin 1 , Dosen Departemen Teknik Mesin 2 , Mahasiswa Departemen Teknik Mesin 3 Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Jl. Almamater Kampus USU Padang Bulan, Medan 20155 Email : dayatginting10@gmail.com Email : ridhairfandi@gmail.com
Abstrak  : Salah  satu  komponen  sistem  pendingin  pada  mesin  pembakaran  dalam  adalah  alat  penukar  kalor kompak jenis radiator. Performansi suatu radiator berdampak besar terhadap sistem pendinginan mesin. Secara tidak langsung, radiator yang memiliki performansi tinggi akan meningkatkan efisiensi bahan bakar kendaraan melalui  pengurangan  bobot  radiator.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menguji  performansi  radiator  secara eksperimental  dan  perhitungan  teoritis.  Obyek  penelitian  ini  ialah  sebuah  alat  penukar  kalor  kompak  jenis radiator yang digunakan pada kendaraan berkapasitas mesin 1300 cc. Alat penukar kalor tersebut dipasangkan pada serangkaian alat  uji radiator. Hasil penelitian ini menunjukkan kesetimbangan energi yang diperoleh dari hasil eksperimental  memiliki  penyimpangan  maksimum +/-  6 %.  Koefisien perpindahan panas  maksimum sisi udara  dan  air  ialah  35,3  W/m2.K  dan  252,39  W/m2.K.  Penyimpangan  antara  temperatur  udara  dan  air  keluar radiator secara teoritis dan eksperimental sebesar rata-rata 8,47 % dan 1,1 %.
Kata kunci : alat penukar kalor kompak, radiator, performansi
1. Pendahuluan
Kemajuan  teknologi  dalam  industri otomotif  terus  berkembang  dengan  pesat. Motor pembakaran dalam ( Internal
Combustion Engine ) masih menjadi pilihan utama  pabrikan-pabrikan  otomotif  sebagai penggerak utama produk-produk mereka.
Dalam  operasinya,  dinding  silinder motor  pembakaran  dalam  akan  terus menerima  energi  panas  akibat  dari pembakaran  bahan  bakar.  Panas  ini tentunya sangat mengganggu jika dibiarkan begitu  saja  karena  akan  menimbulkan over heating pada  mesin  yang  dapat  merusak mesin  tersebut.  Oleh  karena  itu  motor pembakaran dalam harus dilengkapi dengan sistem  pendingin.  Salah  satu  komponen utama  dari  sistem  pendingin  pada  motor pembakaran dalam adalah radiator. Radiator  adalah  sebuah  alat  penukar  kalor kompak  (compact  heat  exchangers)  jenis flat tube-louvered fin yang digunakan untuk memindahkan  energi  panas  dari  satu medium  ke  medium  lainnya  untuk  tujuan pendinginan.
Sebelumnya, penelitian mengenai alat penukar  kalor  kompak  dengan  konfigurasi louvered  fin pernah  dilakukan  oleh  Chang [1].  Chang  menggunakan  sebanyak  91 sampel  alat  penukar  kalor louvered  fin untuk  mendapatkan  korelasi  perpindahan panas  pada  geometri  louver  fin.  Penelitian untuk  mengetahui  performansi  sebuah radiator juga telah dilakukan oleh Asep [2], dimana  radiator  dari  sebuah  mobil  diuji dengan  cara  langsung  dihubungkan  ke mesin  dan  putaran  mesin  mobil  tersebut divariasikan untuk melihat seberapa mampu radiator  tersebut  membuang  panas  yang dihasilkan oleh mesin mobil tersebut.
Penelitian  ini  menggunakan  sebuah alat  uji  performansi  radiator  dimana  udara yang  dihembuskan  ke  inti  radiator  berasal dari  sebuah blower yang  dihubungkan  ke sebuah  venturimeter  kemudian  disalurkan ke  inti  radiator  melalui  saluran  udara  ( air duct ).  Hal  ini  bertujuan  agar  debit  udara yang dihembuskan ke radiator dapat terukur dengan lebih akurat.
Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah untuk  menguji  performansi  radiator  yang
digunakan  pada  kendaraan  berkapasitas mesin  1300  cc  secara  eksperimental kemudian  akan  dibandingkan  dengan  hasil performansi radiator yang diperoleh melalui perhitungan teoritis.
2. Tinjauan Pustaka 2.1. Perpindahan Panas Perpindahan panas adalah
perpindahan  energi  panas  karena  adanya perbedaan  temperatur  [3].  Ada  tiga  bentuk mekanisme  perpindahan  panas  yang diketahui,  yaitu  konduksi,  konveksi,  dan radiasi.Konduksi  merupakan  perpindahan panas dari tempat yang bertemperatur tinggi ke  tempat  yang  bertemperatur  rendah  di dalam medium yang bersinggungan langsung. Konveksi merupakan perpindahan panas yang terjadi dengan dua mekanisme.  Selain  perpindahan  energi akibat pergerakan molekul, pada perpindahan  panas  konveksi  energi  juga berpindah akibat pergerakan molekul fluida yang  besar.  Sedangkan  radiasi  adalah pancaran  energi  dari  sebuah  materi  yang bukan  bersuhu  nol  melalui  gelombang elektromagnetik.

## 2.2. Radiator
Radiator  adalah  sebuah  alat  penukar kalor  kompak  ( compact  heat  exchangers ) jenis flat tube-louvered fin yang digunakan untuk  memindahkan  energi  panas  dari  satu medium  ke  medium  lainnya  untuk  tujuan pendinginan.  Sebagai  alat  penukar  kalor, radiator  akan  bekerja  dengan  cara memindahkanpanas  akibat  beda  temperatur dari dua buah fluida yang berbeda yaitu air dan  udara.  Radiator  pada  umumnya  lebih banyak  digunakan  pada  dunia  otomotif (mobil  dan  sepeda  motor)  sebagai  alat untuk  menjaga  temperatur  dari  mesin kendaraan  agar  tetap  berada  pada temperatur kerja optimal [4].
(4) (5)

## Gambar 1. Radiator [4]
2.2. Analisa  Perpindahan  Panas  pada Radiator Berikut ini adalah persamaan-
persamaan  yang  digunakan  dalam  analisa perpindahan panas pada radiator.
 Laju  perpindahan  panas  sisi  udara  (q c )
[5] 𝑞 𝑐 =   𝑚 𝑐 ̇ 𝑐 𝑝,𝑐 (𝑇 𝑐,𝑜 − 𝑇 𝑐,𝑖 ) (1)
 Laju perpindahan panas sisi air (q h ) [5]
𝑞 ℎ =   𝑚 ℎ ̇ 𝑐 𝑝,ℎ (𝑇 𝑐,𝑜 − 𝑇 𝑐,𝑖 ) (2)
 Penyimpangan  kesetimbangan  energi
(%EB) [6]
% 𝐸𝐵 =   (1 − 𝑞 𝑐 𝑞 ℎ )  𝑥 100 % (3)
 Bilangan Nusselt sisi udara (Nu c ) [1]
𝑁𝑢 𝑐 =   𝑅𝑒 𝐿𝑝 0,51 𝑃𝑟 𝑐 1 3 ( 𝜃 90 ) 0,27 ( 𝐹 𝑝 𝐿 𝑝 ) −0,14 ( 𝐹 𝑙 𝐿 𝑝 ) −0,29 ( 𝑇𝑑 𝐿𝑝 ) −0,23 ( 𝐿𝑙 𝐿𝑝 ) 0,68 ( 𝑇𝑝 𝐿𝑝 ) −0,28 ( 𝐹𝑡 𝐿𝑝 ) −0,05
 Bilangan Nusselt sisi air (Nu h ) [7]
𝑁𝑢 ℎ = ( 𝑓𝑖 8 ) (𝑅𝑒𝐷 ℎ𝑡 − 1000)𝑃𝑟 ℎ 1 + 12,7 √( 𝑓𝑖 8 ) (𝑃𝑟 ℎ 2 3 −  1) [1 + ( 𝐷 ℎ𝑡 𝐿 𝑡 ) 2/3 ]
 Koefisien  perpindahan  panas  sisi  udara (h c ) [6] ℎ 𝑐 = 𝑘 𝑐 .  𝑁𝑢 𝑐 𝐿 𝑝  Koefisien perpindahan panas sisi air (h h )
[6]
ℎ ℎ = 𝑁𝑢 ℎ .   𝑘 ℎ 𝐷 ℎ𝑡  Koefisien  perpindahan  menyeluruh  (U) [6]
𝑈 = 1 𝑅 𝑡𝑜𝑡 .  𝐴  Tahanan termal total (R tot ) [6]
𝑅 𝑡𝑜𝑡 = 1 ℎ ℎ 𝐴 ℎ +   𝑅 𝑡𝑤𝑎𝑙𝑙 +   𝑅 𝑡𝑆𝑛𝑃𝑏 + [ 1 ( 1 𝜂𝑜,𝑐ℎ𝑐𝐴𝑓 ) + 1 1 [ℎ𝑐(𝐴𝑐− 𝐴𝑓)] ]
Gambar 2. Rangkaian termal ekuivalen untuk pipa hingga ke susunan sirip [6]
Gambar 2 menunjukkan rangkaian tahanan termal yang ada pada alat penukar kalor kompak jenis radiator.
 Efektivitas radiator [3]
𝜀 = 𝐶 𝑐 (𝑇 𝑐,𝑜 −   𝑇 𝑐,𝑖 ) 𝐶 𝑚𝑖𝑛 (𝑇 ℎ,𝑖 −   𝑇 𝑐,𝑖 )  NTU [3] 𝑁𝑇𝑈 = 𝑈𝐴 𝐶 𝑚𝑖𝑛 (6)
(7)
(8)
(9) (10)
(11)
Gambar  3  berikut  ini  menunjukkan hubungan  antara  nilai  NTU  ( Number  of Transfer  Unit )  dengan  efektivitas  pada kasus  alat  penukar  kalor  jenis  aliran menyilang  satu  laluan  dengan  kedua  fluida tidak bercampur ( crossflow single pass with both fluid unmixed ) .
Gambar 3. Efektivitas alat penukar kalor satu laluan, aliran menyilang dengan kedua fluida tidak bercampur [3]

## 3. Metodologi Penelitian
3.2. Langkah-langkah penelitian Penelitian ini dilakukan secara
eksperimental  dan  analisa  teoritis.  Secara eksperimental,  radiator  diuji  pada  sebuah
alat  pengujian  radiator  yang  dapat mengalirkan air panas ke radiator.
Pertama-tama  air  dipanaskan  di  dalam tangki  menggunakan  pemanas  air  listrik. Setelah  air  mencapai  suhu  80 o C,  pompa sirkulasi  dihidupkan  untuk  mengalirkan  air ke  dalam  radiator.  Bersamaan  dengan  itu, blower juga dihidupkan untuk menghembuskan  udara  ke  sirip-sirip radiator.  Kemudian  dilakukan  pengukuran suhu pada inlet dan outlet sisi air dan udara menggunakan  data  akuisisi  temperatur.
Setelah  itu,  ulangi  prosedur  yang  sama untuk variasi debit udara yang lain.
Debit  udara  yang  mengarah  ke radiator  divariasikan  hingga  7  variasi  yaitu 0,0538  m 3 /s,  0,0657  m 3 /s,  0,0824  m 3 /s, 0,0987 m 3 /s,  0,1122 m 3 /s, 0,1281 m 3 /s  dan 0,1463  m 3 /s.  Sedangkan  debit  air  masuk radiator  dijaga  konstan  pada  10  lpm (0,000167  m 3 /s)  dengan  suhu  80 o C  untuk semua kondisi pengujian. Skema pengujian dapat dilihat pada gambar 4.
Desain  alat  uji  radiator  secara  CAD dan  alat  uji  radiator  dapat  dilihat  pada gambar 5. dan gambar 6.
Gambar 5. Desain alat uji radiator
Gambar 4. Skema pengujian

## Gambar 6. Alat uji radiator

## 3.2. Spesifikasi radiator
Spesifikasi dari radiator yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut.
Tabel 1. Radiator spesification
Characterization Symbol Dimension Radiator height H 0,425 m Radiator width W 0,45 m Radiator depth D 0,01645 m Number of tube row - 1 Number of tube 𝑁 𝑡 46 Number of fin row - 47 Number of fin per row - 340 Total number of fin 𝑁 𝑓 15980 Tube outside diameter 𝐷 𝑚,𝑜 0,0018 m Tube inside diameter 𝐷 𝑚,𝑖 0,001 m Tube outside width 𝑇 𝑑,𝑜 0,01645 m Tube inside width 𝑇 𝑑,𝑖 0,01565 m Tube pitch 𝑇 𝑝 0,00925 m Fin length 𝐹 𝑙 0,00745 m Fin depth 𝐹 𝑑 0,01645 m Fin pitch 𝐹 𝑝 0,00125 m Fin thickness 𝐹 𝑡 0,0001 m Louver length 𝐿 𝑙 0,00695 m Louver height 𝐿 ℎ 0,0004 m Louver pitch 𝐿 𝑝 0,0018 m Louver angle θ 20 degree Tube material - Brass Fin material - Copper

## Gambar 7. Dimensi radiator [2]
Gambar 8. Dimensi inti radiator [1]
Radiator  yang  diuji  pada  penelitian  ini adalah  radiator  yang  digunakan  pada  mobil yang  berkapasitas  mesin  1300  cc.  Radiator tersebut  ditunjukkan  pada  gambar  9  berikut ini.
Gambar 9. Radiator yang diuji
4. Hasil Penelitian dan Pembahasan Data eksperimental yang diambil harus memenuhi  kriteria  kesetimbangan  energi dimana besarnya perpindahan panas pada sisi udara  dan  air  adalah  sama.  Dari  pengolahan data seperti yang sudah dijelaskan
sebelumnya,  dapat  ditunjukkan  hubungan antara besarnya laju perpindahan panas pada
sisi  air  dan  udara.  Pada  Gambar  10,  dapat dilihat  bahwa  penyimpangan  atau  deviasi antara laju perpindahan panas pada sisi udara dan  air  tidak  lebih  dari  6  %.  Hal  ini menunjukkan
pengambilan
data eksperimental sudah cukup baik. Gambar 10. Grafik perbandingan perpindahan panas pada sisi udara dan air (kesetimbangan energi)
Variasi  debit  udara  yang  mengarah  ke inti radiator mempengaruhi koefisien perpindahan  panas  menyeluruh  radiator  (U c dan  U h )  dan  efektivitas  radiator.  Koefisien perpindahan  panas  menyeluruh  yang  tinggi menunjukkan  terjadinya  proses  perpindahan panas yang baik.
Pada  Gambar  11  dapat  dilihat  bahwa koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi udara  tertinggi  terjadi  pada  debit  udara tertinggi yaitu 0,1463 m 3 /s.
Gambar 11. Grafik hubungan debit udara terhadap koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi udara
Grafik  pada  Gambar  12  menunjukkan hubungan  antara  debit  udara  menumbuk
radiator  terhadap  koefisien  perpindahan panas  menyeluruh  sisi  air.  Sama  halnya dengan  perpindahan  panas  menyeluruh  sisi udara,  dari  grafik  dapat  dilihat  koefisien perpindahan  panas  menyeluruh  sisi  air terbesar terjadi pada kondisi debit udara yang terbesar juga yaitu 0,1463 m 3 /s.
Gambar 12. Grafik hubungan debit udara terhadap koefisien perpindahan panas menyeluruh sisi air
Grafik  pada  Gambar  13  menunjukkan hubungan antara debit udara yang menumbuk inti  radiator  terhadap  temperatur  air  keluar yang  melalui  pipa  radiator.  Dari  gambar dapat  dilihat  bahwa  semakin  tinggi  debit udara  maka  semakin  tinggi  pula  penurunan temperatur air tersebut atau dengan kata lain temperatur  air  keluar  radiator  semakin rendah,  dan  temperatur  air  keluar  terendah terjadi pada kondisi debit udara terbesar yaitu 0,1463 m 3 /s.
Gambar 13. Grafik hubungan debit udara terhadap temperatur air keluar
Grafik  pada  Gambar  14  menunjukkan hubungan antara debit udara yang menumbuk inti radiator terhadap temperatur udara keluar
yang  melalui  sirip  radiator.  Berbeda  dengan temperatur  air  keluar,  dari  gambar  dapat dilihat  bahwa  semakin  tinggi  debit  udara maka  semakin  rendah  pula  kenaikan temperatur udara  tersebut. Temperatur udara keluar  tertinggi  terjadi  pada  kondisi  debit udara terkecil yaitu 0,0538 m 3 /s.
Gambar 14. Grafik hubungan debit udara terhadap temperatur udara keluar
Pada  Gambar  15,  dapat  dilihat  grafik hubungan antara debit udara yang menumbuk inti  radiator  terhadap  efektivitas  radiator. Semakin tinggi  debit udara  yang  menumbuk radiator  mengakibatkan  efetivitas  radiator tersebut  semakin  rendah,  sehingga  nilai efektivitas tertinggi terjadi pada kondisi debit udara  yang  terkecil  yaitu  sebesar  0,0538 m 3 /s.
Gambar 15. Grafik hubungan debit udara terhadap efektivitas radiator
Dari  grafik  pada  Gambar  16,  dapat dilihat  bahwa  perbedaan  atau  penyimpangan antara besarnya temperatur air keluar teoritis dan eksperimental tidak lebih dari 1,3 %. Hal ini  menunjukkan  bahwa  korelasi  yang
digunakan pada perhitungan teoritis pada sisi fluida  panas  (air)  sudah  cukup  baik  dan menggambarkan  secara  tepat  perpindahan panas yang terjadi secara eksperimental.
Gambar 16. Perbandingan temperatur air keluar teoritis dan eksperimental
Dari  grafik  pada  Gambar  17,  dapat dilihat  bahwa  perbedaan  atau  penyimpangan antara  besarnya  temperatur  udara  keluar teoritis dan eksperimental tidak lebih dari 10 %.  walaupun  penyimpangan  yang  terjadi lebih besar dari pada penyimpangan pada sisi air,  namun  nilainya  masih  dapat  diterima. Hal  ini  menunjukkan  bahwa  korelasi  yang digunakan pada perhitungan teoritis pada sisi fluida  dingin  (udara)  juga  sudah  cukup  baik dan menggambarkan
secara tepat
perpindahan  panas  yang  terjadi  secara eksperimental.
Gambar 17. Perbandingan temperatur udara keluar teoritis dan eksperimental
5. Kesimpulan dan Saran

## 5.1. Kesimpulan
Berdasarkan  penelitian  dan  analisa yang  telah  dilakukan,  maka  kesimpulan  dari penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Kesetimbangan  energi  yang  diperoleh pada pengujian radiator memiliki tingkat penyimpangan  atau  deviasi  antara  -5,45 %  hingga  4,77  %.  Hal  ini  menunjukkan bahwa metode pengujian radiator secara eksperimental  yang  digunakan  sudah cukup baik. 2. Koefisien perpindahan panas menyeluruh terbesar terjadi pada kondisi debit  udara  yang  mengarah  ke  inti radiator  sebesar  0,1463  m 3 /s,  yaitu dengan  koefisien  perpindahan  panas menyeluruh  sisi  udara  U c =  35,30 W/m 2 .K  dan  koefisien  perpindahan panas  menyeluruh  sisi  air  U h =  252,39 W/m 2 .K.
3. Efektivitas  radiator  terbesar  terjadi  pada kondisi  debit  udara  0,0538  m 3 /s  dengan nilai  efektivitas  ε  =  71,25  %  dan efektivitas  radiator  terkecil  terjadi  pada kondisi  debit  udara  0,1463  m 3 /s  dengan nilai efektivitas ε = 48,26 %.
4. Setelah  dilakukan  perhitungan  teoritis, perbedaan atau penyimpangan temperatur  air  dan  udara  keluar  radiator secara  eksperimental  dan  teoritis  adalah sebesar rata-rata 1,1 % untuk temperatur air  keluar  dan  sebesar  rata-rata  8,47  % untuk  temperatur  udara  keluar.  Hal  ini menunjukkan  korelasi  yang  baik  antara perhitungan  teoritis  dengan  hasil  secara eksperimental.
5.2. Saran
Adapun saran untuk penelitian selanjutnya adalah sebagai berikut. 1. Semua pengukuran disarankan menggunakan alat ukur yang mendukung mode akuisisi data 2. Melakukan pengujian dengan memvariasikan  debit  air  dan  udara sekaligus
3. Memodifikasi  penampang  radiator,  baik sisi pipa ataupun sisi sirip
DAFTAR PUSTAKA
[1]  Chang,  Y. J.,  &  Wang, C.  C.  (1997). A generalized  heat  transfer  correlation  for louver  fin  geometry. Int.  J.  Heat  Mass Transfer , 40(3), 533-544
[2]  Ubaidillah, Asep. 2008. Analisa
Perpindahan  Kalor  pada  Pendingin Radiator dari Motor Bakar Otto [skripsi].
Jakarta (ID): Universitas Mercu Buana [3]  Incropera,  Frank  P.,  dkk.  2007. Fundamentals  of  Heat  and  Mass Transfer . Hoboken : John Wiley & Sons, Inc
[4]  Daryanto.  2009. Dasar-Dasar  Teknik Mobil . Jakarta : PT Bumi Aksara
[5]  Thulukkanam,  Kuppan.  2013. Heat Exchanger  Design  Handbook  Second Edition . New York : CRC Press
[6]  Nascimento,  I.  P.  &  Garcia,  E.  C. (2016).  Heat  transfer  performance enhancement in compact heat
exchangers  by  using  shallow  square dimples  in  flat  tubes. Applied  Thermal Engineering , 96, 659-670
[7]  Gnielinski, V. (1976). New equations for hear  and  mass  transfer  in  turbulent  pipe and channel flow. Int. Chem. Eng , 16(2), 359-368