...

ANALISA PERPINDAHAN PANAS PADA PITOT TUBE 0856MG

by user

on
Category: Documents
3

views

Report

Comments

Transcript

ANALISA PERPINDAHAN PANAS PADA PITOT TUBE 0856MG
ANALISA PERPINDAHAN PANAS PADA PITOT TUBE 0856MG
Roy Indra Lesmana
Fakultas Teknik, Jurusan Teknik Mesin
Universitas Jenderal Achmad Yani, Cimahi – Bandung
Email: [email protected]
Abstrak
Bongkahan es akan terbentuk pada ujung pitot tube pesawat terbang. Diperlukan
panas tertentu untuk dapat mencegah terbentuknya bongkahan es agar pitot tube tetap
berfungsi. Panas yang diperlukan dapat berubah sesuai yang diperlukan agar tidak merusak
struktur pesawat. Diperlukan perhitungan secara konveksi dan konduksi untuk mengetahui
rata-rata perpindahan panas dan temperatur pemanas pitot tube.
Kata Kunci: Pitot Tube, Konveksi, Konduksi.
Notasi
T=
ρ =
ν =
k=
pr =
x=
h=
q=
Re =
U=
L=
w=
A=
Temperatur / Suhu [F]
Masa jenis [lbm/ft3]
Kinematik viskositas [ft2/s]
Konduktivitas thermal [Btu/hr.ft.F]
Prandtl number
jarak [ft]
koefisien perpindahan panas
[Btu/hr.ft2.F]
rata-rata perpindahan panas [Btu/hr]
Reynold number
Kecepatan udara [ft/s]
Panjang [ft]
Lebar [ft]
Luas [ft2]
Subscript
c = Konveksi
k = Konduksi
∞ = Aliran bebas
s = Dinding
as = Pemanas
L = Sepanjang pitot tube
C = Lokal
Pendahulun
Pitot tube 0856MG dipasang pada
pesawat Beechcraft 1900D. Pesawat ini
terbang biasanya pada ketinggian sampai
25000 ft diatas permukaan laut dan pada
1|Page
kecepatan 260 knots atau setara dengan 439
ft/s. Pitot tube berfungsi sebagai alat
navigasi pesawat untuk dapat mengetahui
ketinggian, kecepatan dan tekanan.
Prinsip kerja pitot tube yaitu dengan
membandingkan tekanan antara tekanan total
yang didapat dari pitot tube dan tekana statik
yang didapat dari statik tube. Dengan
perbedaan tekanan yang didapat (tekanan
dinamik), sehingga bisa diketahui kecepatan
pesawat dan berbagai parameter lain sesuai
dengan tabel International Standard
Atmosphere (ISA).
Gambar 1. Pitot Tube
Terdapat beberapa fenomena ketika
pesawat terbang pada ketinggian tertentu dan
kecepatan tertentu, yaitu dengan suhu yang
sangat dingin sangat mudah terbentuknya es
pada ujung-ujung bagian depan (leading
edge) pesawat, salah satunya yaitu pitot tube.
Untuk mencegah terbentuknya es pada
mulut pitot tube yang dapat mengganggu
fungsi dari pitot tube tersebut, maka
dipasangkan sebuah sistem yang dikenal
dengan istilah Anti Icing System. Prinsip
kerja dari sistem ini yaitu dengan cara
memberikan pemanas pada pitot tube.
Pemanas akan memberikan perlawanan suhu
terhadap suhu yang berasal dari lingkungan
(ambient).
Gambar 2. Aliran udara pada Pitot Tube
Pada kali ini akan dilakukan perhitungan
mengenai perpindahan panas yang terjadi
pada beberapa ketinggian pesawat pada saat
terbang, yaitu pada ketinggian 10000 ft
sampai 25000 ft dengan skala kenaikan tiap
1000 ft. Material yang digunakan pitot tube
0856MG tidak diketahui, maka pada analisa
ini material yang digunakan diasumsikan
menggunakan tembaga murni (Copper Pure)
dengan nilai konduktivitas panasnya 224
Btu/hr ft F (pada suhu 32 F).
Gambar 3. Penampang Pitot Tube
Pada gambar 3 diatas diperlihatkan penampang pitot tube secara sederhana. Panjang pitot tube (L) dari pemanas ke ujung
pitot tube diketahui sebesar 0,65 ft. Jari-jari
dalam (r) sebesar 0,0295 ft dan jari-jari luar
(R) sebesar 0,0328 ft. Pada analisa ini juga
dapt dilihat besar suhu yang diperlukan pemanas untuk mencegah terbentuknya es pada
ujung pitot tube.
2|Page
Teori Dasar
Sistem perpindahan panas dibagi menjadi
3 jenis, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi.
Secara umum, ketiga jenis tersebut
dibedakan berdasarkan media dalam upaya
memindahkan energi panas. Konduksi
menggunakan media padat, konveksi
menggunakan media fluida, sedangkan
radiasi menggunakan media gelombang
elektromagnetik. Pada kasus ini, metode
yang digunakan adalah secara konduksi dan
konveksi.
Proses perpindahan panas secara konduksi
bila dilihat secara atomik merupakan
pertukaran energi kinetik antar molekul
(atom), dimana partikel yang energinya
rendah dapat meningkat dengan menumbuk
partikel dengan energi yang lebih tinggi.
Untuk perpindahan panas secara konduksi,
setiap
material
mempunyai
nilai
konduktivitas panas (k) [Btu/hr ft F], yang
mempengaruhi besar perpindahan panas
yang dilakukan pada suatu material.
∆T
(1)
L
Apabila kalor berpindah dengan cara gerakan partikel yang telah dipanaskan dikatakan perpindahan kalor secara konveksi.
Bila perpindahannya dikarenakan perbedaan
kerapatan disebut konveksi alami (Free
Convection) dan bila didorong, misal dengan
fan atau pompa disebut konveksi paksa
(Forced Convection). Besarnya per-pindahan
panas secara konveksi tergantung pada :
∗ Luas permukaan benda yang bersinggungan dengan fluida (A).
∗ Perbedaan suhu antara permukaan
benda dengan fluida (∆T), dan juga,
∗ koefisien konveksi (h), yang tergantung
pada:
 viscositas fluida (µ)
 kecepatan fluida (v)
 perbedaan temperatur antara permukaan dan fluida ( ∆ T )
 kapasitas panas fluida (Cp)
 rapat massa fluida ( ρ )
qk = k . A.
qc = w.L.h .∆ T
(2)
Aliran fluida pada plat datar dapat
digambarkan seperti pada gambar 4. Terdapat dua jenis aliran yang mengalir pada plat
datar yaitu laminar dan turbulen. Kedua jenis
aliran ini berpengaruh terhadap besar perpindahan panas yang terjadi.
viskositas menurut “Withaker” dan untuk
memepertahankan ketergantungan sifat-sifat
fluida terhadap suhu, maka nilai koefsien
perpindahan panas dapat diperoleh:
(
 k 
0 ,8
hL = 0,036  pr 0, 43 . Re L − 9200
 xL 
)
(6)
Identifikasi Masalah dan perhitungan
Gambar 4. Aliran fluida pada plat datar
Untuk mengetahui perpindahan panas
pada aliran laminar, harus diketahui panjang
aliran laminar terlebih dahulu, dimana
panjang aliran laminar tersebut dipengaruhi
oleh nilai kinematik viskositas (v), Reynold
number dan kecepatan aliran udara. Nilai
Reynold number pada aliran laminar bernilai
sekitar 2x105.
ν . Re c
xc =
(3)
U∞
Maka besar koefisien perpindahan panas
secara konveksi untuk sepanjang aliran
laminar atau lokal adalah:
 k
1/ 2
hc = 0,664  pr 1 / 3 . Re c
 xc 
(4)
Untuk menghitung perpindahan panas
keseluruhan atau sepanjang L, maka harus
ditentukan dulu nilai Reynold number
sepanjang plat (ReL) dan koefisien perpindahan panas konveksi keseluruhan ( hL ).
Re L =
U∞ L
ν
(5)
Koefisien perpindahan panas rata-rata
sepanjang plat dengan mengabaikan koreksi
3|Page
Pada analisa ini, pesawat dianggap diam
dan udara mengalir dengan kecepatan pesawat. Pada pitot tube, udara didalam lubang
pitot tube tidak mengalir, maka perhitungan
perpindahan panas dalam lubang diabaikan,
dan udara yang mengalir dipermukaan luar
pitot tube diasumsikan seperti udara yang
mengalir pada plat datar. Kecepatan aliran
udara yang terjadi diperkirakan sebesar 260
knots atau sebesar 0,4 Mach, maka dari itu,
perhitungan perpindahan panas yang terjadi
tidak menggunakan perhitungan pada aliran
kecepatan tinggi, dikarenakan perhitungan
pada aliran kecepatan tinggi untuk aliran
dengan kecepatan lebih dari 0,5 Mach.
Perpindahan yang terjadi pada pitot tube,
dapat digambarkan seperti pada gambar 5.
Suhu ambient berpengaruh terhadap ujung
pitot tube dan suhu dari pemanas juga
berpengaruh terhadap pitot tube.
Gambar 5. Ilustrasi perpindahan panas
Untuk menjaga suhu pada ujung pitot tube
dari pengaruh suhu ambient dan suhu pemanas, besar rata-rata perpindahan panas secara
konveksi sama dengan besar perpindahan
panas yang terjadi secara konduksi atau bisa
di gambarkan secara matematik menjadi:
qc = q k
(7)
Untuk menghitung rata-rata perpindahan
panas secara konveksi, harus ditentukan dulu
panjang aliran laminar atau letak terjadinya
transisi aliran. Dengan menggunakan persamaan (3), bisa diketahui panjang aliran
laminar dengan nilai kinematik viskositas
didapat dari tabel sifat fisik udara berdasarkan temperatur. Agar lebih akurat,
parameter temperatur yang digunakan adalah
temperatur film. Contoh perhitungan akan
dilakukan pada ketinggian 10000 ft.
Untuk mengatahui temperatur pada
ketinggian tertentu bisa diketahui dari tabel
International Standard Atmosphere (ISA),
berdasarkan tabel ISA, pada ketinggian
10000 ft, suhu udara sekitar 23 F, maka
untuk menjaga suhu ujung pitot minimal 32
F, besar suhu filmnya yaitu sebesar:
T + Ts
T film = ∞
2
23 + 32
T film =
= 28 F
2
Dari tabel sifat fisik udara, pada suhu 28 F,
beberapa nilai koefisien yang didapat yaitu:
• ρ = 0,082 lbm/ft3
• ν = 0,143 x 10-3 ft2/s
• k = 0,0139 Btu/hr ft F
• Pr = 0,72
Maka panjang aliran laminar adalah:
ν . Re c
xc =
U∞
0,143 × 10 − 3 × 2 × 10 5
439
xc = 0,065 ft
xc =
Maka jarak tempat terjadinya transisi dari
ujung plat sejauh 0,065 ft. Nilai ini akan
berubah tergantung dari nilai kinematik
viskositasnya.
Menentukan besar koefisien perpindahan
panas secara konveksi disepanjang aliran
laminar. Dengan persamaan (4), maka
didapat nilai koefisien perpindahan panasnya
sebesar:
 k
1/ 2
hc = 0,664  pr 1 / 3 . Re c
 xc 
 0,0139 
hc = 0,664
0,721 / 3 (2 × 10 5 )1 / 2

 0,065 
hc = 56,79 Btu / hr. ft 2 .F
Koefisien perpindahan panas sepanjang
aliran laminar sebesar 56,79 Btu/hr.ft2.F.
nilai ini akan berubah dipengaruhi oleh
besarnya konduktivitas thermal dan prandtl
number.
Panjang pitot tube adalah 0,65 ft. Sedangkan bagian yang terkena aliran laminar
adalah sebesar 0,065 ft. Maka sebagian besar
atau sekitar 90% bagian pitot tube terkena
aliran turbulent. Maka nilai Reynold number
disepanjang pitot tube (0,65 ft) adalah
dengan menggunakan persamaan (5).
U L
Re L = ∞
ν
439 × 0,65
Re L =
0,143
Re L = 19,954 × 10 5
Dari persamaan (6). Maka koefisien rata-rata
perpindahan panas disepanjang pitot tube
adalah;
 k 
0 ,8
hL = 0,036  pr 0, 43 . Re L − 9200
 xL 
(
[
 0,0139 
hL = 0,036
0,72 0, 43 (19,954 × 10 5 ) − 9200

 0,65 
hL = 67,15Btu / hr. ft 2 .F
Untuk menentukan besar rata-rata
perpindahan panas secara konveksi, dari
persamaan (2), maka harus ditentukan dulu
lebar dari benda yang dialiri. Karena pitot
tube ini berbentuk lingkaran, maka lebar
benda yang dialiri sama dengan keliling luar
dari pitot tube tersebut.
w = 2π R
w = 2 × π × 0,0328
w = 0,206 ft
Maka :
4|Page
)
]
Analisa hasil perhitungan
q c = w.L.h .∆ T
q c = w.L.h .( T∞ − Ts )
q c = 0,206 × 0,65 × 67,15( 32 − 23)
q c = 77,86 Btu / hr
Dari perhitungan diatas, besar rata-rata
perpindahan panas konveksi yang terjadi
antara aliran udara bebas dengan pitot tube
sebesar
77,86
Btu/hr.
Berdasarkan
persamaan (7), besar rata-rata perpindahan
secara konveksi sama dengan besar rata-rata
perpindahan secara konduksi. Maka untuk
menentukan temperatur yang dibutuhkan
pemanas pitot tube untuk menjaga suhu pitot
tube minimal 32 F adalah:
Dimana :
A = π R2 − π r2 = π R2 − r2
(
(
A = π 0,0328 2 − 0,0295 2
)
)
A = 0,645 × 10 − 3 ft 2
Pada perhitungan rata-rata perpindahan
panas secara konduksi pada pitot tube, nilai
konduktivitas thermal yang digunakan adalah konduktivitas thermal dari material yang
digunakan, bukan konduktivitas thermal udara. Maka:
∆T
q k = q c = k . A.
L
( Tas − Ts )
q k = q c = k . A.
L
q c .L
Tas =
+ Ts
k.A
77,86 × 0,65
Tas =
+ 32
224 × 0,0645 × 10 − 3
Tas = 382,30 F
Perhirtungan pada beberapa ketinggian
dan beberapa sifat fisik udara bisa dilihat
pada tabel 1. Beberapa sifat fisik yang
ditampilkan pada tabel 1 adalah hasil interpolasi yang dilakukan terhadap beberapa
temperatur yang perlukan.
5|Page
Gambar 6. Jarak transisi terhadap T
Gambar 6 adalah grafik perbandingan
antara xc (jarak transisi) terhadap temperatur
ambient. Pada grafik tersebut diperlihatkan
bahwa terjadinya penambahan jarak tempat
terjadinya transisi aliran. Semakin tinggi
temperatur, maka tempat terjadinya transisi
aliran semakin jauh. Analisa ini pada aliran
dengan kecepatan tetap.
Gambar 7. Perbandingan h laminar dengan h total
Gambar 7 memperlihatkan grafik perbandingan antara koefisien perpindahan
panas secara konveksi yang terjadi pada
aliran laminar / lokal dan sepanjang pitot
tube. Garis miring / gradient kedua garis
tersebut hampir sama. Hal tersebut memperlihatkan penambahan/ perubahan koefisien
perpindahan panas secara konveksi baik pada
aliran laminar maupun total cenderung
konstant.
•
Gambar 8. Perbandingan T ambient dengan T heat
element
Gambar 8 memperlihatkan grafik perbandingan antara temperatur ambient dan temperatur heat element yang mempengaruhi
pitot tube. Temperatur heat element
meningkat dengan tajam seiring perubahan
ketinggian. Perubahan temperatur heat element sangat dipengaruhi rata-rata perpindahan panas yang terjadi.
Pada ketinggian 10000 ft, untuk menjaga
temperatur pitot tube minimal 32 F (00C)
diperlukan temperatur pemanas minimal
383.3 F (194.60C). dan untuk ketinggian
25000 ft diperlukan temperatur minimal
2661.05 F (1460.60C).
Dari analisa diatas ada beberapa saran, antara
lain yaitu:
• Untuk menentukan material pitot tube,
hendaknya disesuaikan dengan karakteristik terbang pesawat tersebut, agar laju
perpindahan panas yang terjadi bisa
seimbang dengan perubahan temperatur
ambient.
• Menggantikan fungsi pitot tube dengan
berbagai sensor dapat meningkatkan
akurasi dan meminimalisir pemborosan
yang ditimbulkan perangkat mekanik.
Referensi
Kesimpulan dan Saran
Dapat ditarik kesimpulan, yaitu:
• Besar rata-rata perpindahan panas sangat
berpengaruh
terhadap
temperatur
pemanas yang diperlukan untuk menjaga
keseim-bangan suatu temperatur.
• Temperatur pemanas yang diperlukan
sangat tinggi dibandingkan perubahan
temperatur ambient.
6|Page
•
•
Kreith, Frank.”Principles of Heat
Transfer”, Third edition. Harper & Row,
Publisher, Inc. 1973
Hawkerbeechcraft, Raytheon. “MM &
IPC Beechcraft 1900D”, Chapter 34.
Tabel 1. Sifat fisik udara dan hasil perhitungan
Alt
T∞
T film
ρ
× 10 3 ft
F
F
lbm/ft3
× 10 − 3 ft2/s
Btu/hr ft F
1
10
23
28
0.082
0.143
0.0139
2
11
20
26
0.082
0.142
3
12
16
24
0.082
4
13
13
22
5
14
9
6
15
7
ν
pr
xc
hc
Re L
hL
qc
Tas
ft
Btu/hr ft2 F
× 10 5
Btu/hr ft2 F
Btu/hr
F
0.72
0.065
56.79
19.954
67.15
77.86
382.30
0.0139
0.72
0.065
57.19
20.095
67.56
110.64
529.75
0.141
0.0138
0.72
0.064
57.18
20.237
67.49
142.69
673.96
0.083
0.140
0.0138
0.72
0.064
57.59
20.382
67.91
176.04
824.00
21
0.083
0.140
0.0138
0.72
0.064
57.59
20.382
67.91
208.51
970.04
6
19
0.083
0.139
0.0137
0.72
0.063
57.58
20.528
67.84
240.63
1114.57
16
2
17
0.083
0.138
0.0137
0.72
0.063
58.00
20.677
68.27
274.78
1268.22
8
17
-2
15
0.084
0.137
0.0137
0.72
0.062
58.42
20.828
68.70
309.28
1423.41
9
18
-5
13
0.084
0.136
0.0136
0.72
0.062
58.42
20.981
68.64
341.79
1569.70
10
19
-9
12
0.084
0.136
0.0136
0.73
0.062
58.69
20.981
69.05
376.83
1727.33
11
20
-12
10
0.084
0.135
0.0135
0.73
0.062
58.69
21.137
68.98
409.35
1873.63
12
21
-16
8
0.085
0.134
0.0135
0.73
0.061
59.13
21.294
69.43
445.19
2034.88
13
22
-19
6
0.085
0.133
0.0134
0.73
0.061
59.13
21.454
69.36
477.94
2182.20
14
23
-23
4
0.085
0.132
0.0134
0.73
0.060
59.58
21.617
69.82
514.36
2346.07
15
24
-27
3
0.086
0.131
0.0134
0.73
0.060
60.03
21.782
70.28
551.37
2512.54
16
25
-30
1
0.086
0.130
0.0133
0.73
0.059
60.04
21.950
70.22
584.38
2661.05
No
7|Page
k
Fly UP