Perpindahan Panas pada Sirip / Fin

Apakah Fin (Extended Surface/Sirip) itu?

Merupakan tambahan luasan yang bertujuan untuk memperbesar laju perpindahan panas. Pada bab ini fin merupakan tambahan luasan pada benda padat yang mengalami perpindahan panas konduksi pada benda itu sendiri dan konveksi dengan lingkungan.

Macam-macam Fin

Pada aplikasinya jenis fin yang dipilih tergantung pada ruang yang tersedia, berat, proses pembuatan, biaya, dan tentunya besar perpindahan panas tambahan yang dapat dihasilkan. Semakin banyak fin maka mungkin luasnya semakin besar untuk perpindahan panas yang lebih besar, akan tetapi akan menyebabkan pressure drop juga untuk aliran fluida yang melewati fin.

Analisa umum konduksi pada fin

Fin uniform pada irisan melintang

Untuk mendapatkan C1 dan C2 maka perlu ditetapkan kondisi batas, pertama yaitu kondisi batas pada basis fin (x=0):

Sedangkan kondisi batas untuk ujung fin dapat dikategorikan menjadi 4 kondisi yaitu:

A) terjadi konveksi di ujung fin;

B) Konveksi di ujung fin dapat diabaikan dan ujung fin dianggap adiabatis;

C) Temperatur di ujung fin ditentukan

D) Panjang fin tak hingga

Fin uniform Kasus A - Terjadi konveksi di ujung

Kondisi A, kondisi batas yang kedua yaitu kesetimbangan energi pada ujung fin  pindah panas konduksi sama dengan konveksi. Dengan substitusi kondisi batas pada persamaan diatas maka dapat ditemukan:

Kemudian dengan beberapa manipulasi matematis akan didapatkan persamaan distribusi temperatur:

Soal:

Fin silinder yang sangat panjang berdiameter 5 mm memiliki temperatur 100 oC pada bagian pangkal (basis)-nya. Ujungnya memiliki temperatur 25 oC kontak dengan udara dengan koefisien pindah panas konveksi 100 W/m2K.

¡Tentukan distribusi temperatur sepanjang fin jika fin tersebut terbuat dari tembaga murni (k=398 W/m). Hitung kehilangan panas yang terjadi karena fin tersebut!

Perkirakan  seberapa panjang fin tersebut agar perhitungan dengan asumsi panjang fin tak hingga menjadi akurat

jawab:

Maka persamaan yang digunakan adalah untuk kasus D:

Dan untuk laju pindah panasnya:

Panjang fin bisa dianggap tidak hingga jika laju perpindahan panas antara ujung fin dan basis adalah konstan, maka bisa dibandingkan antara persamaan berikut akan memiliki nilai yang sama:

Nilainya sama jika tanh mL >= 0.99 atau mL>= 0.265

Performansi Fin

Telah dijelaskan bahwa penggunaan fin bertujuan untuk mempercepat perpindahan panas ke lingkungan dengan menambah luas efektif untuk transfer panas. Akan tetapi bagaimanapun fin itu sendiri dapat merepresentasikan resistansi konduksi dari permukaan aslinya. Dengan adanya hal ini maka tidak dapat dijamin bahwa penambahan fin selalu akan mepercepat perpindahan panas. Untuk itu perlu adanya evaluasi apakah penambahan fin tersebut efektif untuk mempercepat perpindahan panas. Efektivitas fin ini dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut:  

dan untuk fin tak hingga:

Efektifitas fin juga dapat diwakili dengan resistansi thermal sebagai berikut

Performansi fin dapat juga diwakili dengan efisiensi yang dirumuskan sebagai berikut

Jika lebar fin persegi jauh lebih panjang dari tebalnya maka: