perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id pengujian ...... · perpustakaan.uns.ac.id...
Post on 03-Mar-2019
229 Views
Preview:
TRANSCRIPT
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK SALURAN
PERSEGI DENGAN OBLIQUE TEETH TWISTED TAPE INSERT
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat
untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh:
HANSEN HARTADO TARIGAN
NIM. I0407038
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2012
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
iii
HALAMAN PENGESAHAN PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR
GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK SALURAN PERSEGI DENGAN OBLIQUE TEETH TWISTED TAPE INSERT
Disusun oleh
HANSEN H. TARIGAN NIM. I0407038
Dosen Pembimbing I
Tri Istanto, ST, MT NIP. 197308202000121001
Dosen Pembimbing II
Wibawa Endra Juwana, ST, MT NIP. 197009112000031001
Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari Jumat tanggal 21 Desember 2012
1. D. DANARDONO, ST, MT ,PhD
NIP. 196905141999031001 ....................................
2. EKO PRASETYO, ST, MT NIP. 197109261999031002 ………………………
3. ZAINAL ARIFIN, ST, MT NIP. 197303082000031001 ………………………
Mengetahui,
Ketua Jurusan Teknik Mesin
Didik Djoko Susilo, ST, MT NIP. 197203131997021001
Koordinator Tugas Akhir
Wahyu Purwo Raharjo, ST, MT NIP. 197202292000121001
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
iv
MOTTO
“Kerja keras dengan sungguh-sungguh dapat menghasilkan hal yang
sangat berharga didalam hidup, keberhasilan akan penyelesaian dari
sebuah persoalan bukan sepintar apa kamu tetapi sejauh mana
ketulusanmu di dalam menyelesaikannya”
(Hansen H. Tarigan)
“Banyak kegagalan dalam hidup ini dikarenakan orang-orang tidak menyadari
betapa dekatnya mereka dengan keberhasilan saat mereka menyerah”
( Thomas Alva Edison)
Sesuatu yang belum dikerjakan, seringkali tampak mustahil; kita baru
yakin kalau kita telah berhasil melakukannya dengan baik.
( Evelyn Underhill )
“ Diberkatilah orang yang mengandalkan TUHAN, yang menaruh
harapannya pada TUHAN, Ia akan seperti pohon yang ditanam di tepi air,
yang merambatkan akar-akarnya ke tepi batang air, dan yang tidak
mengalami datangnya panas terik, yang daunnya tetap hijau, yang tidak
kuatir dalam tahun kering, dan yang tidak berhenti menghasilkan buah”
( Yeremia 17 : 7-8 )
“Bila engkau berjalan langkahmu tidak akan terhambat, bila engkau
berlari engkau tidak akan tersandung”
( Amsal 4 : 12 )
“Terimalah didikanKu lebih dari pada perak, dan pengetahuan lebih baik
dari pada emas pilihan”
(Amsal 8 : 10 )
“Karena itu Aku berkata kepadamu : Apa saja yang kamu minta dan
doakan, percayalah bahwa kamu telah menerimanya, maka hal itu akan
diberikan kepadamu”
( Markus 11 : 24 )
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
v
PERSEMBAHAN
Puji dan syukur ke hadirat Tuhan, seiring dengan tanggung jawab yang telah
diberikan, akhirnya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini, dengan sangat
senang tugas akhir ini penulis persembahkan untuk:
Tuhan Yesus Kristus yang senantiasa memberikan rahmatNya dan
pertolonganNya kepada penulis selama berlangsungnya proses pengerjan skripsi ini
sampai selesai
Bapak dan Mamak tersayang yang selalu memberikan motivasi dan dukungan doa
kepada penulis dari kampung halaman saya di Perdagangan
Adik-adik terkasih Alman Julinius, Darwin Diego, Sandro Faysal, Donna
Widya Tarigan yang senantiasa memberikan semangat kepada penulis
Kekasih penulis Sondang br. Marbun yang selalu setia mendorong penulis untuk
menyelesaikan tugas akhir ini dengan cepat
. Pak Tri istanto (Mr. 3G) dan Pak Wibawa E.J, yang telah membimbing
dengan sabar dan mencurahkan waktu dan ilmu serta pemikiranya kepada penulis
Teman-teman twister “Twister Club” di Lab Perpindahan Panas UNS yang
terkenal degan semangat dan kerja keras nya “Army of Spartan”
Naposo Bulung HKBP Solo yang lucu-lucu, sangar-sangar dan baik hati yang
penuh dengan sejuta kenangan manis di dalam hidup penulis
Konco-Konco fastein Comp yang senantiasa membantu penulis
Almamater tercinta
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
vi
Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan Pada
Penukar Kalor Pipa Konsentrik Saluran Persegi dengan Oblique Teeth
Twisted Tape Insert
Hansen Hartado Tarigan
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta, Indonesia E-mail : hans_tein_gan@yahoo.com
Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi satu laluan, pipa dalam dan pipa luar terbuat dari aluminium dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert. Panjang penukar kalor 2.170 mm dan jarak pengukuran penurunan tekanan di pipa dalam 2.255 mm. Aliran fluida di pipa dalam dan annulus adalah berlawanan arah. Fluida di pipa dalam adalah air panas, dimana temperatur masukannya dipertahankan pada 60oC, sedangkan fluida di annulus adalah air dingin dengan temperatur masukannya ± 28oC. Untuk perbandingan, diuji pipa dalam tanpa twisted tape insert (plain tube) dan dengan penambahan classic twisted tape insert. Classic twisted tape insert dan oblique teeth twisted tape insert dibuat dari pita aluminium dengan tebal 0,7 mm, lebar 12,6 mm, dimana mempunyai twist ratio 4,0 dan panjang pitch 59,3 mm, sedangkan oblique teeth twisted tape insert divariasi sudut gigi (tooth angle) sebesar 15°, 30°, dan 45° dan semuanya dipasang di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik.
Hasil menunjukkan bahwa pipa dalam dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert menghasilkan bilangan Nusselt, faktor gesekan, dan unjuk kerja termal yang lebih tinggi daripada classic twisted tape insert dan plain tube. Nilai bilangan Nusselt, faktor gesekan, dan unjuk kerja termal meningkat seiring bertambah besarnya tooth angle dari oblique teeth twisted tape insert. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° menghasilkan kenaikan bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam berturut-turut sebesar 16,24% , 18,42% dan 24,4% jika dibandingkan dengan plain tube. Dibandingkan dengan classic twisted tape insert, pipa dalam dengan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° mengalami kenaikan bilangan Nusselt, rata-rata sebesar 3,2%, 5,2% dan 10,5%. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan classic twisted tape insert, oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° di pipa dalam menghasilkan faktor gesekan rata-rata berturut-turut sebesar 2,67; 3; 3,3; dan 3,6 kali lebih tinggi dari faktor gesekan plain tube. Unjuk kerja termal rata-rata dengan penambahan classic twisted tape insert, oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° di pipa dalam sebesar 1,105; 1,114; 1,126; dan 1,150.
Kata kunci :bilangan Reynolds, bilangan Nusselt, tooth angle
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
vii
Investigation on Heat Transfer and Friction Factor Characteristics of The Square Channel Concentric Tube Heat Exchanger With Oblique Teeth
Twisted Tape Insert
Hansen Hartado Tarigan
Departement of Mechanical Engineering Engineering Faculty of Sebelas Maret University
Surakarta, Indonesia E-mail : hans_tein_gan@yahoo.com
Abstract
This study is aimed to determine characteristics of heat transfer and friction factor in the single pass square channel concentric tube heat exchanger, with the addition of twisted tape insert with oblique teeth. The length of heat exchanger was 2,170 mm and the length of pressure drop measurement in the inner tube was 2,255 mm. The direction of fluid in the inner tube and annulus were counter flow. Fluid in the inner tube was hot water with inlet temperature was maintained at 60°C, whereas the fluid in the annulus was cold water with inlet temperature of ± 28oC. For comparison, the inner tube was also tested without twisted tape insert (plain tube) and classic twisted tape insert. Classic twisted tape insert and oblique teeth twisted tape insert was made of aluminum. The thickness of the insert tape 0.7 mm, width 12.6 mm, twist ratio 4.0 and the pitch length 59.3 mm. The oblique teeth twisted tape insert was varied with tooth angle of 15°, 30° and 45° and all of them were installed in the inner tube of the concentric tube heat exchanger.
The research showed that the inner tube with the addition of oblique teeth twisted tape insert produced Nusselt number, friction factor and thermal performance greater than the addition of classic twisted tape insert and plain tube. Values of Nusselt number, friction factor and thermal performance increased with the increasing of tooth angle. At the same Reynolds number, the addition of oblique teeth twisted tape insert with tooth angles of 15°, 30°, and 45° increased Nusselt number in the inner tube 16,24%, 18,42% and 24,4% when compared to the plain tube, respectively. Compared to classic twisted tape inserts, inner tube with oblique teeth twisted tape insert with tooth angles of 15°, 30°, and 45° increased Nusselt numbers 3,2%, 5,2% and 10,5%, respectively. At the same Reynolds number, the addition of classic twisted tape insert and oblique teeth twisted tape insert with a tooth angle 15°, 30°, and 45° in the inner tube produced friction factor of 2.67; 3; 3.3; and 3.6 times higher than the friction factor of plain tube, respectively. The average thermal performance with the addition of classic twisted tape inserts, oblique teeth twisted tape insert with tooth angles of 15°, 30°, and 45° in the inner tube were 1.105; 1.114; 1.126, and 1.150, respectively. Keywords : Nusselt number, Reynolds number, tooth angle.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
viii
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis haturkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah
memberikan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan
menyelesaikan Skripsi yang berjudul “Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas
Dan Faktor Gesekan Pada Penukar Kalor Pipa Konsentrik Saluran Persegi Dengan
Oblique Teeth Twisted Tape Insert” ini dengan baik. Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Dalam Penyelesaian Skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa
bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh
karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih
yang sebesar besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam
menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada :
1. Bapak Didik Djoko Susilo, ST., MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS
Surakarta.
2. Bapak Tri Istanto, ST. MT, selaku Pembimbing I dan terlebih atas
bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
3. Bapak Wibawa Endra J., ST, MT, selaku Pembimbing II yang telah turut serta
memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.
4. Bapak D. Danardono, ST, MT, PhD, bapak Zainal Arifin, ST, MT, dan bapak
Eko Prasetyo, ST, MT, selaku dosen penguji tugas akhir saya yang telah
memberi saran yang membangun.
5. Bapak Ir. Wijang Wisnu R. MT, selaku Pembimbing Akademis yang telah
menggantikan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di
Universitas Sebelas Maret ini.
6. Bapak Wahyu Purwo Raharjo, ST. MT, selaku koordinator Tugas Akhir.
7. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut
mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1.
8. Ibu, Bapak, Adik, dan seluruh keluarga yang telah memberikan doanya,
motivasi, dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas
Akhir.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
ix
9. Teman-teman Skripsi Heat Exchanger, Anang, Fito, Mirando, Hanif, Noval,
Bram, dan Wisnu yang telah menemani penulis baik dalam keadaan suka
maupun duka.
10. Teman-teman teknik mesin angkatan 2007 beserta kakak dan adik angkatan di
teknik mesin UNS.
11. Semua pihak yang telah membantu dalam melaksanakan dan menyusun
laporan Tugas Akhir ini yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu.
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari
sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat
membangun dari semua pihak untuk memperbaiki dan menyempurnakan skripsi
ini.
Akhir kata, penulis berharap, semoga skripsi ini dapat berguna dan
bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya.
Surakarta, Desember 2012
Penulis
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
x
DAFTAR ISI
Halaman
Halaman Judul ........................................................................................... i
Halaman Surat Penugasan ......................................................................... ii
Halaman Pengesahan ................................................................................. iii
Halaman Motto .......................................................................................... iv
Halaman Persembahan .............................................................................. v
Abstrak .................................................................................................... vi
Kata Pengantar ......................................................................................... viii
Daftar Isi .................................................................................................. x
Daftar Tabel .............................................................................................. xiii
Daftar Gambar .......................................................................................... xiv
Daftar Persamaan ...................................................................................... xvii
Daftar Notasi ............................................................................................ xx
Daftar Lampiran ....................................................................................... xxiii
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Masalah ..................................................... 1
1.2. Perumusan Masalah ............................................................ 3
1.3. Batasan Masalah ................................................................. 3
1.4. Tujuan Dan Manfaat ........................................................... 4
1.5. Sistematika Penulisan .......................................................... 4
BAB II LANDASAN TEORI
2.1. Tinjauan Pustaka ................................................................ 6
2.2. Dasar Teori ......................................................................... 11
2.2.1. Dasar perpindahan panas .......................................... 11
2.2.2. Aliran dalam sebuah pipa (internal flow in tube) ..... 12
2.2.2.1. Kondisi aliran ............................................. 12
2.2.2.2. Kecepatan rata-rata (mean velocity) ........... 14
2.2.2.3. Temperatur rata-rata ................................... 14
2.2.2.4. Penukar kalor .............................................. 15
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xi
2.2.2.5. Parameter tanpa dimensi ............................. 18
2.2.2.6. Teknik peningkatan perpindahan panas
pada penukar kalor .................................... 20
2.2.2.7. Sisipan pita terpilin (twisted tape insert) .... 25
2.2.2.8. Karakteristik perpindahan panas dan faktor
gesekan ...................................................... 27
BAB III METODE PENELITIAN
3.1. Tempat Penelitian ............................................................... 43
3.2. Bahan Penelitian ................................................................. 43
3.3. Alat Penelitian .................................................................... 43
3.4. Prosedur Penelitian ............................................................. 52
3.4.1. Tahap persiapan ........................................................ 52
3.4.2. Tahap pengujian ....................................................... 52
3.4.2.1. Pengujian penukar kalor tanpa twisted tape
insert (plain tube) ...................................... 52
3.4.2.2. Pengujian penukar kalor dengan twisted
tape insert .................................................. 53
3.5. Metode Analisis Data ......................................................... 55
3.6. Diagram Alir Penelitian ...................................................... 56
BAB IV DATA DAN ANALISIS
4.1. Data Hasil Pengujian .......................................................... 57
4.2. Perhitungan Data ................................................................ 63
4.2.1. Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan
laju aliran volumetrik 7 LPM pada variasi tanpa
twisted tape insert (plain tube) ................................ 64
4.2.2. Daya pemompaan ..................................................... 76
4.2.3. Menentukan hi, ? , Re, Nui, f, ?, ?P, NTU pada
daya pemompaan yang sama ................................... 77
4.3. Analisis Data ...................................................................... 91
4.3.1. Uji validitas pipa dalam tanpa twisted tape insert
(plain tube) .............................................................. 91
4.3.2. Pengaruh bilangan Reynolds dan twisted tape insert
terhadap karakteristik perpindahan panas ............... 93
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xii
4.3.3. Pengaruh penambahan twisted tape insert terhadap
unjuk kerja termal(? )................................................ 98
4.3.4. Pengaruh penambahan twisted tape insert terhadap
rasio bilangan Nusselt (Nu/Nup) .............................. 99
4.3.5. Pengaruh penambahan twisted tape insert terhadap
efektivenes penukar kalor (?) ................................... 101
4.3.6. Pengaruh bilangan Reynolds dan twisted tape insert
terhadap penurunan tekanan (?P) ............................ 102
4.3.7. Pengaruh bilangan Reynolds dan twisted tape insert
terhadap faktor gesekan (ƒ) ..................................... 104
4.3.8. Pengaruh bilangan Reynolds dan twisted tape insert
dengan rasio faktor gesekan (ƒ/ƒp) .......................... 107
BAB V PENUTUP
5.1. Kesimpulan ......................................................................... 109
5.2. Saran ................................................................................... 110
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................... 111
LAMPIRAN .............................................................................................. 114
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xiii
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 3.1. Spesifikasi pompa .................................................................. 50
Tabel 4.1. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas
di pipa dalam pada variasi tanpa twisted tape insert (plain
tube) ....................................................................................... 58
Tabel 4.2. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas
di pipa dalam dengan classic twisted tape insert ................... 59
Tabel 4.3. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas
di pipa dalam pada variasi oblique teeth twisted tape insert
(tooth angle 15o) .................................................................... 60
Tabel 4.4. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas
di pipa dalam pada variasi oblique teeth twisted tape insert
(tooth angle 30o) .................................................................... 61
Tabel 4.5. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas
di pipa dalam pada variasi oblique teeth twisted tape insert
(tooth angle 45o) .................................................................... 62
Tabel 4.6. Perbedaan perhitungan validasi antara Plain Tube, Classic
Twisted Tape Insert, dan Oblique Teeth Twisted Tape Insert
150, 300, dan 450 pada laju aliran volumetrik 7 LPM ............ 70
Tabel 4.7. Data pengujian daya pemompaan penukar kalor saluran
persegi dengan twisted tape insert dan tanpa twisted tape
insert (plain tube) .................................................................. 76
Tabel 4.8. Data pengujian penukar kalor saluran persegi dengan
twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert pada daya
pemompaan yang sama .......................................................... 87
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xiv
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan
pada saluran masuk aliran pipa ......................................... 13
Gambar 2.2. Profil temperatur aktual dan rata – rata pada aliran dalam
pipa .................................................................................... 14
Gambar 2.3. (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur
fluida pada penukar kalor searah ...................................... 15
Gambar 2.4. (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur
fluida pada penukar kalor berlawanan arah ...................... 16
Gambar 2.5. Jenis-jenis peralatan tube insert ........................................ 23
Gambar 2.6. Jenis-jenis twisted tape (a) full length twisted tape, (b)
regularly spaced twisted tape, dan (c) smoothly varying
pitch full length twisted tape .............................................. 25
Gambar 2.7. (a) Full length twisted tape insert, (b) Regularly spaced
twistd tape element, (c) Full length oblique teeth twisted
tape insert, (d) Detail A dari gambar ................................. 26
Gambar 2.8. Skema pengujian penukar kalor pipa konsentrik dengan
twisted tape insert .............................................................. 33
Gambar 2.9. Grafik Efektivenes penukar kalor pipa ganda aliran
berlawanan arah ................................................................. 39
Gambar 2.10. Skema pengukuran penurunan tekanan pada penukar
kalor pipa konsentrik ......................................................... 40
Gambar 3.1. Skema penukar kalor pipa konsentrik satu laluan dengan
twisted tape insert ............................................................. 44
Gambar 3.2. Penukar kalor pipa konsentrik satu laluan ........................ 45
Gambar 3.3. a) Classic twisted tape insert; b) oblique teeth twisted
tape insert (tooth angle 15o); c) oblique teeth twisted
tape insert (tooth angle 30o); d) oblique teeth twisted
tape insert (tooth angle 45o) .............................................. 46
Gambar 3.4. (a) Gambar detail flange, (b) Flange setelah dilakukan
proses pembubutan ............................................................ 46
Gambar 3.5. Instalasi alat penelitian tampak depan ............................... 47
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xv
Gambar 3.6. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur
temperatur air masuk dan keluar di pipa dalam dan di
annulus............................................................................... 48
Gambar 3.7. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur
temperatur dinding luar pipa dalam ................................... 48
Gambar 3.8. Pemasangan termokopel pada penukar kalor sejumlah 14
titik pemasangan ................................................................ 48
Gambar 3.9. Thermocouple reader......................................................... 49
Gambar 3.10. Temperature controller...................................................... 49
Gambar 3.11. Flowmeter ......................................................................... 50
Gambar 3.12. Timbangan digital .............................................................. 51
Gambar 4.1. Dimensi pipa dalam, pipa luar, dan twisted tape insert
penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi .................. 63
Gambar 4.2. Grafik hubungan koefisien perpindahan panas konveksi
rata-rata di pipa dalam dengan daya pemompaan ............. 77
Gambar 4.3. Grafik hubungan bilangan Reynolds di pipa dalam
dengan daya pemompaan................................................... 79
Gambar 4.4. Grafik hubungan bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam
dengan daya pemompaan .................................................. 80
Gambar 4.5. Grafik hubungan faktor gesekan di pipa dalam dengan
daya pemompaan ............................................................... 82
Gambar 4.6. Grafik hubungan penurunan tekanan penukar kalor
dengan daya pemompaan .................................................. 84
Gambar 4.7. Grafik hubungan efektivenes penukar kalor dengan daya
pemompaan ....................................................................... 85
Gambar 4.8. Grafik hubungan NTU penukar kalor dengan daya
pemompaan ....................................................................... 86
Gambar 4.9. Grafik hubungan Nu dengan Re untuk plain tube ............ 91
Gambar 4.10. Grafik hubungan faktor gesekan (f) dengan Re untuk
plain tube ........................................................................... 92
Gambar 4.11. Grafik hubungan antara Nui dengan Re ............................ 93
Gambar 4.12. Grafik hubungan antara Nui aktual dan korelasi Nu,i
Manglik-Berges dengan Reynolds .................................... 94
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xvi
Gambar 4.13. Grafik hubungan antara Nui dengan Re pada daya
pemompaan yang sama ..................................................... 97
Gambar 4.14. Grafik hubungan ? dengan Re .......................................... 98
Gambar 4.15. Hubungan Nu/Nu,p dengan Re pada daya pemompaan
yang sama .......................................................................... 100
Gambar 4.16. Grafik hubungan ? penukar kalor dengan NTU ................ 102
Gambar 4.17. Grafik hubungan ? P dengan Re pada daya pemompaan
yang sama .......................................................................... 103
Gambar 4.18. Grafik hubungan f dengan Re ........................................... 105
Gambar 4.19. Grafik hubungan f dengan Re pada daya pemompaan
yang sama .......................................................................... 107
Gambar 4.20. Grafik hubungan f/fp dengan Re pada daya pemompaan
yang sama .......................................................................... 108
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xvii
DAFTAR PERSAMAAN
Halaman
Persamaan (2.1) Bilangan Reynolds untuk pipa bulat .......................... 12
Persamaan (2.2) Diameter hidrolik ....................................................... 13
Persamaan (2.3) Nilai bilangan Reynolds untuk aliran laminar ........... 13
Persamaan (2.4) Nilai bilangan Reynolds untuk aliran transisi ............ 13
Persamaan (2.5) Nilai bilangan Reynolds untuk aliran turbulen .......... 13
Persamaan (2.6) Laju aliran massa ....................................................... 14
Persamaan (2.7) Temperatur bulk rata-rata fluida ................................ 15
Persamaan (2.8) Laju perpindahan panas di annulus ........................... 16
Persamaan (2.9) Laju perpindahan panas di dalam pipa dalam ............ 16
Persamaan (2.10) Laju perpindahan panas ............................................. 17
Persamaan (2.11) Beda temperatur rata-rata logaritmik ......................... 17
Persamaan (2.12) Tahanan termal total pada penukar kalor konsentrik . 17
Persamaan (2.13) Laju perpindahan panas antara dua fluida ................. 18
Persamaan (2.14) Koefisien perpindahan panas overall ......................... 18
Persamaan (2.15) Bilangan Reynolds ..................................................... 19
Persamaan (2.16) Bilangan Prantl .......................................................... 19
Persamaan (2.17) Bilangan Nusselt ........................................................ 19
Persamaan (2.18) Twist ratio .................................................................. 26
Persamaan (2.19) Sudut heliks ............................................................... 26
Persamaan (2.20) Bilangan Nusselt dibawah kondisi temperatur
dinding yang konstan ................................................. 27
Persamaan (2.21) faktor gesekan Darcy ................................................. 27
Persamaan (2.22) Faktor gesekan dengan persamaan Petukhov ........... 27
Persamaan (2.23) Bilangan Nusselt dengan persamaan Dittus-Boelter . 27
Persamaan (2.24) Bilangan Nusselt dengan persamaan Pethukov ......... 28
Persamaan (2.25) Bilangan Nusselt dengan persamaan Gnielinski ........ 28
Persamaan (2.26) Faktor gesekan dengan persamaan Colebrook .......... 28
Persamaan (2.27) Faktor gesekan dengan iterasi tunggal ....................... 28
Persamaan (2.28) Faktor gesekan dengan persamaan Blasius ................ 29
Persamaan (2.29) Korelasi perpindahan panas untuk bilangan Nusselt . 29
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xviii
Persamaan (2.30) Korelasi perpindahan panas untuk faktor gesekan .... 29
Persamaan (2.31) Kecepatan pusaran ..................................................... 30
Persamaan (2.32) Korelasi perpindahan panas bilangan Nusselt ........... 30
Persamaan (2.33) Laju perpindahan panas dari fluida panas di dalam
pipa dalam .................................................................. 31
Persamaan (2.34) Laju perpindahan panas dari fluida dingin di annulus 31
Persamaan (2.35) Rata-rata temperatur dinding luar pipa dalam ........... 34
Persamaan (2.36) Temperatur bulk rata-rata fluida dingin di annulus ... 34
Persamaan (2.37) Ketidakseimbangan panas ......................................... 34
Persamaan (2.38) Persentase kesalahan keseimbangan energi ............... 34
Persamaan (2.39) Koefisien perpindahan panas rata-rata di annulus ..... 34
Persamaan (2.40) Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus ................. 34
Persamaan (2.41) Laju perpindahan panas di dalam pipa dalam ............ 34
Persamaan (2.42) Nilai beda temperatur rata-rata logaritmik ................ 35
Persamaan (2.43) Koefisien perpindahan panas overall ......................... 35
Persamaan (2.44) Koefisien perpindahan panas overall penjabaran
persamaan (2.43) ........................................................ 35
Persamaan (2.45) Koefisien perpindahan panas overall penjabaran
persamaan (2.44) ........................................................ 35
Persamaan (2.46) Koefisien perpindahan panas rata-rata di sisi pipa
dalam .......................................................................... 36
Persamaan (2.47) Bilangan Nusselt rata-rata pada sisi pipa dalam ........ 36
Persamaan (2.48) Bilangan Reynold ...................................................... 36
Persamaan (2.49) Bilangan Reynold ...................................................... 36
Persamaan (2.50) Laju kapasitas panas fluida panas .............................. 36
Persamaan (2.51) Laju kapasitas panas fluida dingin ............................. 37
Persamaan (2.52) Laju perpindahan panas fluida panas ......................... 37
Persamaan (2.53) Laju perpindahan panas fluida dingin ........................ 37
Persamaan (2.54) Efektivenes penukar kalor ......................................... 37
Persamaan (2.55) Laju perpindahan panas aktual dalam sebuah
penukar kalor ............................................................. 37
Persamaan (2.56) Perbedaan temperatur maksimum .............................. 38
Persamaan (2.57) Laju perpindahan panas maksimum .......................... 38
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xix
Persamaan (2.58) Nilai laju kapasitas panas yang lebih kecil ................ 38
Persamaan (2.59) Nilai laju kapasitas panas yang lebih kecil ................ 38
Persamaan (2.60) Laju kapasitas panas aktual ....................................... 38
Persamaan (2.61) Korelasi efektivenes penukar kalor pipa konsentrik
aliran berlawanan arah ............................................... 38
Persamaan (2.62) Number of transfer units ............................................ 39
Persamaan (2.63) Rasio kapasitas ........................................................... 39
Persamaan (2.64) Penyederhanaan Korelasi efektivenes penukar kalor
pipa konsentrik aliran berlawanan arah ..................... 39
Persamaan (2.65) Korelasi NTU penukar kalor pipa konsentrik aliran
berlawanan arah ......................................................... 40
Persamaan (2.66) Penurunan tekanan untuk semua jenis internal flow . 40
Persamaan (2.67) Penurunan tekanan ..................................................... 40
Persamaan (2.68) Faktor gesekan ........................................................... 41
Persamaan (2.69) Daya pemompaan ...................................................... 41
Persamaan (2.70) Daya pemompaan konstan ......................................... 41
Persamaan (2.71) Hubungan faktor gesekan dengan bilangan Reynolds 41
Persamaan (2.72) Unjuk kerja termal ..................................................... 42
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xx
DAFTAR NOTASI
Ai = Luas permukaan dalam pipa dalam (m2)
Ao = Luas permukaan luar pipa dalam (m2)
At,i = Luas penampang pipa dalam (m2)
At,S = Luas penampang pipa dalam dengan sisipan (m2)
Cp,c = Panas jenis fluida dingin di annulus (kJ/kg.oC)
Cp,h = Panas jenis fluida panas di dalam pipa dalam (kJ/kg.oC)
d = kedalaman pemotongan (m)
di = Diameter hidrolik dalam pipa dalam (m)
do = Diameter hidrolik luar pipa dalam (m)
Dh = Diameter hidrolik annulus (m)
Di = Diameter hidrolik dalam pipa luar (m)
Do = Diameter hidrolik luar pipa luar (m)
f = Faktor gesekan
g = Percepatan gravitasi (m/s2)
H = Panjang pitch twisted tape insert (m)
hi = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (W/m2.oC)
ho = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus (W/m2.oC)
hp = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata tanpa twisted tape
insert (W/m2.oC)
hs = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dengan twisted tape
insert (W/m2.oC)
ki = Konduktivitas termal material dinding pipa dalam (W/m.oC)
ko = Konduktivitas termal rata-rata fluida dingin di annulus (W/m.oC).
L = Panjang pipa dalam (m)
Lt = Panjang jarak titik pengukuran beda tekanan di pipa dalam (m) ? ?? = Laju aliran massa fluida dingin di annulus (kg/s) ? ?? = Laju aliran massa fluida panas di dalam pipa dalam (kg/s)
Nui = Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam
Nuo = Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus
p = Plain tube (pipa tanpa twisted tape insert)
pp = Daya pemompaan konstan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xxi
Pr = Bilangan Prandtl
Q = Laju perpindahan panas (W)
Qc = Laju perpindahan panas di annulus (W)
Qh = Laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W)
Re = Bilangan Reynolds
Red = Bilangan Reynolds berdasarkan diameter dalam pipa
t = Tebal twisted tape insert (m)
Tc,i = Temperatur fluida dingin masuk annulus (oC)
Tc,o = Temperatur fluida dingin keluar annulus (oC)
Th,i = Temperatur fluida panas masuk pipa dalam (oC)
Th,o = Temperatur fluida panas keluar pipa dalam (oC)
Tb,i = Temperatur bulk rata-rata fluida di dalam pipa dalam (oC)
Tb,o = Temperatur bulk rata-rata fluida dingin di annulus (oC) ??? ?? = Temperatur rata-rata dinding dalam pipa dalam (oC) ??? ?? � = Temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam (oC)
U = Koefisien perpindahan panas overall (W/m2.oC)
uc = Kecepatan aksial rata-rata fluida (m/s)
um = Kecepatan rata–rata fluida (m/s)
usw = Kecepatan pusaran (swirl velocity) (m/s)
s = Swirl generator (pipa dengan twisted tape insert)
Sw = Swirl number
Ui = Koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dalam pipa
dalam (W/m2.oC)
? = Viskositas kinematis fluida di pipa dalam (m2/s)
V = Kecepatan rata-rata fluida di pipa dalam (m/s) ??��� = Laju aliran volumetrik fluida di pipa dalam (m3/s)
y = Twist ratio
? = Sudut heliks (o)
? h = Beda ketinggian fluida manometer (m)
? P = Penurunan tekanan di pipa dalam (Pa)
? T1 = Perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi inlet kalor (oC)
? T2 = Perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi outlet penukar kalor
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xxii
(oC)
? TLMTD = Beda temperatur rata-rata logaritmik (logaritmic mean temperature
different) (oC)
? = Viskositas dinamik fluida (kg/m.s)
? i = Viskositas dinamik fluida di pipa dalam (kg/m.s)
? o = Viskositas dinamik fluida di annulus (kg/m.s)
? = Efisiensi peningkatan perpindahan panas
? h = Densitas fluida di pipa dalam (kg/m3)
? c = Densitas fluida di annulus (kg/m3)
? m = Densitas fluida manometer (kg/m3)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xxiii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1. Data hasil pengujian ............................................................... 114
Lampiran 2. Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju aliran
volumetrik 4,5 LPM pada variasi Classic Twisted Tape Insert, dan
Oblique Teeth Twisted Tape Insert 150, 300, dan 450 ............. 134
Lampiran 3. Hasil perhitungan penukar kalor tanpa dan dengan twisted
tape insert ............................................................................... 150
Lampiran 4. Tabel Kondukivitas thermal material...................................... 171
Lampiran 5. Properties air ......................................................................... 172
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Pada masa sekarang ini, teknologi untuk meningkatkan perpindahan panas
pada sebuah alat penukar kalor banyak dikembangkan dan dipergunakan pada
beberapa aplikasi penukar kalor antara lain pada proses industri, sistem pendingin,
otomotif, dan pada alat pemanas air tenaga surya. Adapun tujuan utama dari
peningkatan perpindahan panas adalah untuk meningkatkan koefisien perpindahan
panas. Unjuk kerja penukar kalor dapat ditingkatkan secara substansial dengan
sejumlah teknik. Tujuan umum teknik-teknik ini adalah untuk mengurangi ukuran
penukar kalor yang dibutuhkan, untuk meningkatkan kapasitas dari sebuah
penukar kalor yang ada, atau untuk mengurangi daya pemompaan.
Peningkatan perpindahan panas dalam penukar kalor dapat
diklasifikasikan dalam 3 kelompok yaitu; teknik pasif, teknik aktif dan teknik
campuran. Dalam teknik aktif, peningkatan perpindahan panas dilakukan dengan
memberikan tambahan energi aliran ke fluida. Dalam teknik pasif, peningkatan
perpindahan panas diperoleh tanpa menyediakan tambahan energi aliran. Dalam
teknik campuran, dua atau lebih dari teknik aktif dan pasif digunakan secara
simultan untuk menghasilkan peningkatan perpindahan panas, dimana
peningkatan perpindahan panas lebih tinggi daripada teknik-teknik peningkatan
perpindahan panas dioperasikan secara terpisah. Di antara berbagai teknik yang
efektif untuk meningkatkan laju perpindahan panas di sisi pipa penukar panas,
penyisipan dengan pita terpilin (twisted tape) adalah salah satu teknik peningkatan
perpindahan panas pasif yang paling populer karena biaya rendah, kemudahan
instalasi, pemeliharaan yang mudah dan kehilangan tekanan rendah.
Ada banyak peralatan yang digunakan untuk menghasilkan aliran berputar
dalam pipa, seperti helical vanes, helical grooved tube, helical screw-tape, axial-
radial guide vanes dan snail entry, sementara twisted tape adalah salah satu
kelompok yang banyak dipakai. Teknologi penyisipan twisted tape insert banyak
digunakan pada berbagai industri yang menggunakan penukar kalor. Penambahan
twisted tape insert pada pipa penukar kalor merupakan teknologi peningkatan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
2
perpindahan panas konveksi yang sederhana dengan menghasilkan aliran yang
turbulen. Aliran turbulen dan berputar (swirl flow) pada pipa penukar kalor
menyebabkan lapis batas termal menjadi lebih tipis dan akibatnya akan
menghasilkan koefisien perpindahan panas konveksi yang tinggi. Dalam aplikasi
penukar kalor, lapis batas termal merupakan hal yang sangat penting dalam proses
perpindahan panas antara fluida dan dinding pipa. Lapis batas termal berkaitan
dengan jenis aliran fluida, dan ketebalan lapis batas termal lebih besar dalam
aliran laminar. Perpindahan panas dalam aliran turbulen terjadi lebih cepat
daripada yang terjadi dalam aliran laminar. Jenis aliran turbulen diketahui
memiliki koefisien perpindahan panas konveksi yang lebih baik dibandingkan
dengan aliran laminar. Maka dengan meningkatkan turbulensi di dalam pipa
penukar kalor diharapkan dapat meningkatkan laju perpindahan panasnya.
Hampir semua penukar kalor ringkas dengan penyisipan twisted tape yang
diteliti mempunyai penampang lingkaran, dan belum banyak penelitian mengenai
penukar kalor dengan penampang persegi (rectangular), walaupun banyak
ditemukan penukar kalor dengan penampang persegi dalam aplikasi industri,
misalnya pada plate fin heat exchangers. Jika dibandingkan dengan penukar kalor
penampang lingkaran, penukar kalor dengan penampang persegi memberikan
perbandingan luas permukaan terhadap volume yang lebih tinggi. Meskipun pada
sudutnya merupakan tempat yang kurang efektif untuk perpindahan panas. Karena
twisted tape insert menimbulkan pusaran aliran sekunder (dengan efek
mengaduk), maka akan lebih baik mempelajari unjuk kerja dari twisted tape insert
yang disebabkan oleh pusaran aliran yang melalui saluran persegi. (Ray, S.,
2003).
Banyak penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa unjuk kerja
peningkatan perpindahan panas dengan penyisipan twisted tape sangat tergantung
pada geometrinya. Desain yang tepat dari twisted tape memberikan peningkatan
laju perpindahan panas dengan nilai penurunan tekanan dalam batas yang dapat
diterima, sehingga mempengaruhi penghematan energi. Optimasi desain dari
twisted tape adalah tugas yang menantang untuk meningkatkan laju perpindahan
panas dan meminimalkan kerugian gesekan, yang bermanfaat untuk mengurangi
ukuran penukar kalor dan mempengaruhi penghematan energi. Berdasarkan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
3
literatur, menunjukkan bahwa modifikasi pada classic twisted tape insert yaitu
berupa potongan-potongan kecil pada tape, misalnya potongan V (Murugesan
dkk, 2011), persegi (Murugesan, 2010), dan trapesium (Murugesan, 2009)
memberikan jaminan untuk peningkatan baik laju perpindahan panas dan unjuk
kerja termal. Alasan di balik unjuk kerja termal yang tinggi adalah bahwa
potongan-potongan kecil pada classic twisted tape insert menghasilkan penurunan
tekanan dalam sistem ke tingkat yang dapat diterima.
Potongan-potongan kecil pada twisted tape memberikan gangguan
tambahan ke fluida di sekitar dinding pipa dan vortisitas di belakang potongan dan
dengan demikian memicu pada peningkatan perpindahan panas lebih tinggi
dibandingkan dengan classic twisted tape insert. Dari literatur (Murugesan, 2009,
2010, 2011), didapatkan bahwa alasan untuk peningkatan perpindahan panas
karena promosi pencampuran fluida dan intensitas turbulensi, efek sinergi dari
sirkulasi vorteks bersama dengan aliran sekunder, di samping dengan aliran
pusaran utama dan peningkatan turbulensi dekat permukaan dinding pipa berturut-
turut menggunakan V-cut, square-cut dan trapezoidal-cut twisted tape.
Mekanisme ini diyakini juga akan terjadi pada pipa yang dilengkapi dengan
oblique teeth twisted tape insert. Oleh karena itu, penelitian mengenai
peningkatan perpindahan panas pada sebuah penukar kalor dengan modifikasi
twisted tape insert penting untuk dikembangkan.
Penelitian ini akan menguji pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air
di pipa dalam (inner tube) dan pengaruh penambahan oblique teeth twisted tape
insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi terhadap
karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekannya.
1.2 Perumusan Masalah
Bagaimanakah pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa
dalam dan pengaruh penambahan oblique teeth twisted tape insert di pipa dalam
dari penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi terhadap karakteristik
perpindahan panas dan faktor gesekannya.
1.3 Batasan Masalah
Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut ini :
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
4
1. Pipa luar diisolasi dengan glasswool sebanyak 5 lapisan sehingga
perpindahan panas ke lingkungan dianggap nol.
2. Faktor pengotoran (fouling factor) diabaikan.
1.4 Tujuan dan Manfaat
Penelitian ini bertujuan untuk:
1. Mengetahui pengaruh bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan
pengaruh penambahan oblique teeth twisted tape insert di pipa dalam
dari penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi terhadap
karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekannya.
Hasil penelitian yang didapat diharapkan memberi manfaat sebagai berikut:
1. Mampu memberikan pengetahuan baru yang berguna dalam ilmu
penukar kalor khususnya mengenai metode peningkatan perpindahan
panas secara pasif dengan menggunakan modified twisted tape insert.
2. Dapat diterapkan pada penukar kalor untuk meningkatkan
perpindahan panas yang murah, perawatan mudah dan ringkas.
1.5 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :
BAB I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah,
perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat
penelitian, serta sistematika penulisan.
BAB II : Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan
pengujian alat penukar kalor dengan twisted tape insert, teori
tentang metode peningkatan perpindahan panas pada penukar
kalor, aliran dalam sebuah pipa (internal flow), dan
karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada
penukar kalor.
BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan,
tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah- langkah percobaan
dan pengambilan data.
BAB IV : Data dan analisis, menjelaskan data hasil pengujian,
perhitungan data hasil pengujian serta analisis hasil dari
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
5
perhitungan.
BAB V : Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
6
BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka
Ray S. dan Date, A.W (2003) melakukan penelitian mengenai karakteristik
perpindahan panas dan penurunan tekanan pada pipa saluran persegi dengan
twisted tape insert. Pipa persegi mempunyai panjang sisi 9,5 mm, tebal 5 mm dan
panjang 3.000 mm. Pada 1.000 mm pertama dari saluran tersebut merupakan
daerah masuk. Pipa persegi ditutup dengan plat acrylic dengan tebal 5 mm dan
dibalut serapat mungkin untuk memperkecil kehilangan energi panas ke
lingkungan. Penelitian dilakukan pada pipa saluran persegi sepanjang 2.000 mm
setelah entrance region. Air dengan temperatur yang dijaga konstan digunakan
sebagai fluida kerja dalam penelitian ini. Pada Reynolds, 100 < Re < 3.000, fluida
dialirkan dari tangki atas, dimana ketinggian dijaga konstan sedangkan untuk laju
kecepatan aliran yang tinggi, air dipompakan secara langsung dari pompa
sentrifugal tanpa adanya hambatan ke seksi uji. Penelitian dilakukan pada pipa
persegi dengan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert. Twisted tape
insert dibuat dengan rasio menjadi 3 jenis yaitu 10,28, 5,64 dan 3,14. Pada
penelitian ini twisted tape insert dibuat dari metalic strips dengan ketebalan 0,3
mm. Penelitian dilakukan pada daerah laminar (100 < Re < 3.000), transisi (1.500
< Re < 3.000) dan turbulen (8.000 < Re < 87.000). Hasil dari penelitian
menunjukkan bahwa angka Nusselt dan faktor gesekan tertinggi adalah penelitian
dengan menambahkan twisted tape insert dengan twist ratio 3,14.
Naphon (2006) melakukan penelitian untuk menyelidiki karakteristik
perpindahan panas dan penurunan tekanan pada penukar kalor pipa ganda tanpa
twisted tape insert, dan membandingkannya dengan twisted tape insert dengan
berbagai nilai pitch. Seksi uji yang digunakan adalah pipa tembaga lurus dengan
panjang 2.000 mm dan ukuran diameter pipa dalam dan pipa luar berturut-turut
adalah 8,10 mm dan 9,54 mm. Twisted tape insert berupa aluminium strip dengan
tebal 1 mm dan panjang 2.000 mm. Dalam pengujian tersebut fluida yang
digunakan adalah air panas pada suhu 40oC dan 45oC dan air dingin pada suhu
15oC dan 20oC, dan twisted tape insert dibuat 2 variasi pitch yaitu 2,5 mm dan 3,0
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
7
mm. Hasil penelitian menunjukkan bahwa twisted tape insert mempunyai
pengaruh yang besar terhadap peningkatan laju perpindahan panas, akan tetapi
penurunan tekanan yang terjadi juga bertambah besar. Semakin besar bilangan
Reynolds maka laju perpindahan panas semakin tinggi, dimana twisted tape insert
dengan pitch 2,5 cm mempunyai laju perpindahan panas yang paling tinggi. Hal
ini juga terjadi pada koefisien perpindahan panas, semakin tinggi bilangan
Reynolds maka koefisien perpindahan panas semakin tinggi, dimana pitch 2,5 cm
mempunyai koefisien perpindahan panas yang paling tinggi. Sedangkan semakin
tinggi bilangan Reynolds maka faktor gesekan juga akan semakin tinggi. Pada
penelitian ini terlihat jelas pengaruh ada tidaknya twisted tape insert terhadap
faktor gesekan, akan tetapi perbedaan pitch tidak mempunyai pengaruh yang
berarti pada faktor gesekan.
Murugesan dkk (2009) melakukan penelitian karakteristik perpindahan
panas dan penurunan tekanan pada penukar kalor pipa ganda tanpa twisted tape
insert dan membandingkannya dengan trapezoidal-cut twisted tape insert pada
twist ratio 4,4 dan 6. Seksi uji menggunakan pipa tembaga sepanjang 2.000 mm
yang memiliki diameter 28,5 mm. Dalam pengujian tersebut, pada pipa dalam
fluida yang mengalir adalah air panas dengan suhu 54oC dengan variasi debit
menggunakan flow meter antara 2-7 LPM dimana skala kenaikan adalah 0,5 LPM,
sedangkan air dingin mengalir melalui annulus dengan suhu 30oC dan debit dijaga
konstan sebesar 10 LPM. Sistem diisolasi glass wool. Pembacaan suhu
menggunakan RDT 100 pada sisi masuk dan keluar penukar kalor yang berjumlah
4 buah dengan tingkat akurasi 0,1oC sedangkan pengukuran penurunan tekanan
menggunakan manometer U yang kedua ujungnya diletakkan di kedua sisi
penukar kalor. Sisipan berupa trapezoidal-cut twisted tape insert menggunakan
material aluminium dengan ketebalan 1,5 mm dan lebar 23,5 mm dimana setiap
pitch pada twisted tape insert dipotong dengan geometri trapesium. Potongan
trapesium memiliki dimensi sisi berturut-turut adalah 8 mm dan 12 mm dengan
kedalaman pemotongan adalah 8 mm. Perlakuan pemotongan ini pada twisted
tape insert memiliki tujuan untuk menimbulkan efek aliran spiral pada sisi
dinding pipa. Hasil penelitian menunjukkan penukar kalor dengan penambahan
twisted tape insert mengalami peningkatan angka Nusselt dibandingkan tanpa
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
8
twisted tape insert, diikuti dengan peningkatan laju perpindahan panas dimana
untuk penukar kalor dengan penambahan trapezoidal-cut twisted tape insert
dengan twist ratio 4,4 dan 6,0 berturut-turut meningkat sebesar 41,8% dan 27,0%
dibanding tanpa sisipan. Faktor gesekan memiliki kecenderungan menurun seiring
meningkatnya angka Reynolds. Pada penukar kalor dengan sisipan trapezoidal-
cut twisted tape insert faktor gesekannya lebih tinggi, berturut-turut untuk pitch
ratio 4,4 dan 6 sebesar 2,85 dan 1,97 kali dibandingkan penukar kalor tanpa
sisipan.
Murugesan dkk (2010) melakukan penelitian mengenai karakteristik
perpindahan panas dan penurunan tekanan pada penukar kalor pipa ganda dengan
plain twisted tape insert (PTT) dan membandingkannya dengan square-cut
twisted tape insert (STT). Twisted tape insert yang digunakan mempunyai twist
ratio 2, 4,4 dan 6 dengan angka Reynolds berkisar 2.000-12.000. Seksi uji
menggunakan pipa tembaga dengan diameter 25 mm dengan panjang 2.000 mm.
Fluida air panas mengalir melalui pipa dalam dan fluida air dingin mengalir
melewati annulus. Sistem diisolasi glass wool dan tali asbes. Dua buah rotameter
untuk mengukur laju aliran air dingin dan air panas memiliki rentang aliran 0 - 20
LPM. Pembacaan suhu menggunakan RDT Pt 100 pada sisi masuk dan keluar
penukar kalor yang berjumlah 7 buah dengan tingkat akurasi 0,1oC. Pengukuran
penurunan tekanan menggunakan manometer air pipa U vertikal yang kedua
ujungnya diletakkan di kedua sisi penukar kalor. Fluida yang digunakan adalah air
panas dan air dingin. Kondisi air dingin dijaga konstan pada laju aliran massa
0,166 kg/s dengan temperatur masukan dijaga konstan pada 30oC, sedangkan laju
aliran massa air panas divariasi antara 0,033 - 0,12 kg/s dengan temperatur
masukannya konstan sebesar 54oC. Twisted tape insert terbuat dari aluminium
dengan tebal 1,5 mm dan lebar 23,5 mm. Modifikasi twisted tape meliputi square-
cut dengan dimensi lebar 8 mm dan kedalaman 8 mm. Hasil penelitian
menunjukkan bahwa laju perpindahan panas, faktor gesekan dan unjuk kerja
termal dari pipa dengan penambahan STT secara signifikan lebih besar daripada
yang dilengkapi dengan PTT. Hal ini disebabkan karena STT memberikan efek
gangguan aliran yang lebih besar terhadap fluida di sekitar dinding pipa yang
menyebabkan peningkatan perpindahan panas apabila dibandingkan dengan plain
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
9
tube dan PTT. Laju perpindahan panas twisted tape insert dengan twist ratio 2
lebih tinggi dibandingkan dengan twist ratio 4,4 dan 6 karena peningkatan
intensitas turbulen dan panjang aliran. Angka Nusselt, faktor gesekan dan unjuk
kerja termal dengan penambahan STT adalah 1,03-1,14, 1,05-1,25 dan 1,02-1,06
kali dari pipa dengan penambahan PTT untuk twist ratio 2, 4,4 dan 6.
Saha (2010) melakukan penelitian mengenai karakteristik perpindahan
panas dan penurunan tekanan aliran turbulen dari udara yang dilakukan pada
bilangan Reynolds 10.000-100.000 melalui saluran persegi panjang dan bujur
sangkar yang permukaan dalamnya berombak dalam arah aksial dan dikombinasi
dengan penambahan twisted tape insert dengan dan tanpa oblique teeth. Seksi uji
terdiri dari saluran lingkaran yang memiliki diameter dalam 25 mm. Saluran bujur
sangkar memiliki penampang 51 mm × 51 mm. Saluran persegi panjang dengan
aspek rasio (AR) = 0,5 dan 0,25 dengan penampang berturut-turut 51 mm × 102
mm dan 25,5 mm × 102 mm. Diameter hidrolik saluran berturut-turut adalah 51
mm, 68 mm, dan 40,8 mm. Panjang setiap saluran dan saluran lingkaran adalah
1,275 m. Lapisan keramik tipis ditempatkan di sisi dalam permukaan papan kayu
untuk isolasi listrik dan termal, kemudian lapisan stainless steel dengan ketebalan
0,025 mm disemen di bagian dalam dari seksi uji. Setiap seksi uji memiliki 28
termokopel di tujuh lokasi secara aksial dan 4 termokopel pada setiap lokasi
aksial. Posisi aksial dari termokopel sepanjang saluran uji adalah 0,025 m, 0,225
m, 0,425 m, 0,625 m, 0,825 m, 1,025m, dan 1,225 m. Untuk mengurangi konduksi
panas aksial pada ujung-ujung seksi uji, cakram spacer Teflon masing-masing
dengan ketebalan 3 cm digunakan pada kedua sisi seksi uji. Tali asbes dan glass
wool digunakan sebagai isolasi panas yang meminimalkan kehilangan panas radial
dari saluran uji. Penurunan tekanan di seksi uji diukur menggunakan manometer
air pipa U vertikal yang kedua ujungnya diletakkan di ujung kedua sisi saluran uji.
Udara dialirkan melalui saluran uji dengan menggunakan blower. Twisted tape
yang digunakan terbuat dari lembaran stainless steel dengan panjang penuh (l = 1)
dan panjang setengah penuh (l = 0,5), dan semua twisted tape mempunyai twist
ratio (y) = 2,5. Twisted tape yang digunakan ada dua variasi yaitu regulary spaced
twisted tape dan twisted tape dengan tooth angle sebesar 10o dan 30o dengan non
dimensional tooth horizontal length sebesar 0,01538 dan 0,03077. Corrugation
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
10
angle sebesar 30o dan 60o dengan non dimensional corrugation pitch (P/e) sebesar
2,0437 dan 5,6481. Laju aliran massa udara dihitung dengan mencatat penurunan
tekanan melewati orifice meter. Hasil penelitian menunjukkan peningkatan faktor
gesekan untuk semua seksi uji pada semua jenis twisted tape. Jika corrugation
angle meningkat maka faktor gesekan akan meningkat. Jika tooth angle dan tooth
horizontal length dari twisted tape meningkat maka faktor gesekan juga
meningkat. Untuk semua jenis twisted tape, gabungan axial corrugation dan
twisted tape dengan oblique teeth, baik faktor gesekan dan bilangan Nusselt
meningkat lebih tinggi dibandingkan twisted tape tanpa oblique teeth.
Berdasarkan daya pemompaan yang sama terjadi peningkatan perpindahan panas
hingga 55% untuk gabungan axial corrugation dan regulary spaced twisted tape
insert dengan oblique teeth dibandingkan dengan tanpa oblique teeth twisted tape
insert, namun daya pemompaan berkurang hingga 47%.
Murugesan dkk (2011) melakukan penelitian mengenai karakteristik
perpindahan panas dan penurunan tekanan pada penukar kalor pipa ganda dengan
plain twisted tape insert (PTT) dan membandingkannya dengan V-cut twisted tape
insert (VTT). Twisted tape insert yang digunakan mempunyai twist ratio 2, 4,4
dan 6 serta variasi depth ratio (DR) dan width ratio (WR) untuk VTT sebesar 0,34
dan 0,43. Seksi uji menggunakan pipa tembaga dengan diameter 25 mm dan
panjang 2.000 mm. Sistem diisolasi glass wool dan asbestos. Fluida yang
digunakan adalah air panas dan air dingin. Kondisi air dingin dijaga konstan pada
laju aliran massa 0,166 kg/s dengan temperatur masukan dijaga konstan pada
30oC, sedangkan laju aliran massa air panas divariasi antara 0,033-0,12 kg/s
dengan temperatur masukan dijaga konstan sebesar 54oC. Twisted tape insert
terbuat dari aluminium dengan tebal 1,5 mm dan lebar 23,5 mm. Hasil penelitian
menunjukkan bahwa angka Nusselt meningkat dan faktor gesekan menurun
seiring dengan kenaikan angka Reynolds. Angka Nusselt dan faktor gesekan pada
penukar kalor dengan penambahan VTT lebih tinggi nilainya dibandingkan tanpa
twisted tape insert. Angka Nusselt dengan penambahan VTT naik berturut-turut
1,36-2,46 dan 2,49-5,82 kali dari plain tube dan 1,03-1,37 dan 1,05-1,59 kali dari
pipa dengan penambahan PTT. Hal ini disebabkan karena VTT memberikan efek
aliran turbulen terhadap fluida di sekitar dinding pipa yang menyebabkan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
11
peningkatan perpindahan panas bila dibandingkan dengan plain tube dan PTT.
Perpindahan panas dan faktor gesekan meningkat seiring dengan meningkatnya
depth ratio dan menurunnya width ratio. Unjuk kerja termal untuk VTT lebih
besar dibandingkan dengan PTT untuk angka Reynolds yang sama. Unjuk kerja
termal untuk PTT dan VTT menurun seiring dengan meningkatnya angka
Reynolds. Dengan menggunakan PTT, unjuk kerja termal berada pada rentang
1,18-1,16, 1,07-1,05 dan 1,03-1,01 berturut-turut untuk twist ratio 2,0, 4,4 dan
6,0. Pada penggunaan VTT, unjuk kerja termal berada pada rentang 1,23-1,27,
1,15-1,11 dan 1,11-1,07 berturut-turut untuk twist ratio 2,0, 4,4 and 6,0.
2.2 Dasar Teori
2.2.1 Dasar Perpindahan Panas
Perpindahan panas (heat transfer) adalah ilmu untuk meramalkan
perpindahan yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur di antara benda dan
material. Dari termodinamika telah diketahui bahwa energi yang berpindah itu
dinamakan kalor/panas (heat), sedangkan ilmu perpindahan panas tidak hanya
menjelaskan bagaimana energi panas itu berpindah dari satu benda ke benda lain,
tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan panas yang terjadi pada kondisi-
kondisi tertentu. Sebagai contoh pada peristiwa pendinginan yang berlangsung
pada suatu batangan baja panas yang dicelupkan ke dalam air. Dengan
termodinamika, hanya dapat meramalkan suhu kesetimbangan akhir dari sistem
kesetimbangan baja dan air itu. Namun termodinamika tidak akan dapat
menunjukkan berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mencapai kesetimbangan
itu. Sebaliknya, ilmu perpindahan panas dapat membantu meramalkan suhu
batangan baja ataupun air sebagai fungsi waktu.
Ada tiga macam cara perpindahan panas bila dilihat dari cara
perpindahannya, yaitu konduksi (hantaran), konveksi (aliran), dan radiasi
(pancaran).
1. Perpindahan panas secara konduksi
Konduksi adalah perpindahan panas melalui zat tanpa tanpa disertai
perpindahan partikel-partikel zat tersebut yang umumnya terjadi pada zat
padat.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
12
2. Perpindahan panas secara konveksi
Konveksi adalah perpindahan panas akibat adanya gerakan/perpindahan
molekul dari tempat dengan temperatur tinggi ke tempat yang temperaturnya
lebih rendah disertai dengan perpindahan partikel-partikel zat perantaranya.
3. Perpindahan panas secara radiasi
Radiasi adalah perpindahan panas dengan cara pancaran gelombang cahaya
dan tidak memerlukan zat perantara karena gelombang cahaya dapat
merambat pada ruang hampa.
2.2.2 Aliran Dalam Sebuah Pipa (Internal Flow in Tube)
2.2.2.1 Kondisi aliran
Daerah aliran di dekat lokasi fluida memasuki pipa disebut sebagai daerah
masuk (entrance region). Sebuah lapisan batas dimana efek viskos menjadi
penting timbul di sepanjang dinding pipa sedemikian rupa sehingga profil
kecepatan awal berubah, sampai fluida mencapai ujung akhir dari panjang daerah
masuk, dimana setelah di luar itu profil kecepatan tidak berubah lagi. Aliran ini
yang disebut dengan aliran kembang penuh (fully developed flow), dan jarak dari
arah masukan hingga terjadinya kondisi ini disebut dengan ”hydrodynamic entry
length”, Lh. Profil kecepatan pada daerah aliran kembang penuh berbentuk
parabola untuk aliran laminar, sedangkan untuk aliran turbulen berbentuk lebih
datar karena aliran berputar pada arah pipa.
Untuk aliran dalam pipa parameter tak berdimensi yang paling penting
adalah bilangan Reynolds, Re, yaitu menyatakan perbandingan antara efek inersia
dan viskos dalam aliran. Bilangan Reynolds untuk pipa bulat didefinisikan:
Re = ?� XP ' K
? (2.1)
dimana :
Re = bilangan Reynolds
? = massa jenis fluida (kg/m3)
? = viskositas dinamik fluida (kg/m.s)
um = kecepatan rata–rata fluida (m/s)
Dh = diameter hidrolik pipa dalam (m)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
13
Gambar 2.1 Perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan
pada saluran masuk aliran pipa (White, 2001)
Untuk aliran yang melewati pipa tidak bulat, bilangan Reynolds dihitung
berdasarkan diameter hidrolik, yang didefinisikan :
Dh = $F
3 (2.2)
dimana :
Dh = diameter hidrolik (m)
Ac = luas penampang melintang aliran (m2)
p = keliling terbasahi (wetted perimeter) (m)
Aliran fluida di dalam sebuah pipa mungkin merupakan aliran laminar
atau aliran turbulen. Kisaran bilangan Reynolds dimana akan diperoleh daerah
aliran laminar, transisi atau turbulen tidak dapat ditentukan dengan tepat. Daerah
aliran transisi dari aliran laminar ke turbulen mungkin berlangsung pada berbagai
bilangan Reynolds, tergantung pada berapa besar aliran terganggu oleh getaran
pipa, kekasaran permukaan, dan hal–hal sejenis lainnya. Untuk praktek pada
umumnya, nilai bilangan Reynolds untuk aliran laminar, transisi, dan turbulen
adalah sebagai berikut :
Re < 2.300 aliran laminar (2.3)
2.300 = Re = 10.000 aliran transisi (2.4)
Re > 10.000 aliran turbulen (2.5)
Pada pipa yang sangat halus dengan kondisi tanpa gangguan aliran dan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
14
tanpa getaran pada pipa, aliran laminar dapat dipertahankan sampai pada bilangan
Reynolds yang tinggi. Pada aliran berkembang penuh, nilai bilangan Reynolds
untuk terjadinya aliran turbulen adalah Re ? 2.300.
2.2.2.2 Kecepatan rata–rata (mean velocity)
Karena kecepatan selalu bervariasi sepanjang masukan pipa, maka
digunakan kecepatan rata–rata um untuk menyelesaikan permasalahan mengenai
aliran dalam pipa. Ketika kecepatan rata–rata um dikalikan dengan massa jenis air
? dan luasan pipa A, maka akan didapat nilai laju aliran massa air (m? ) yang
melalui pipa. Laju aliran massa air didefinisikan sebagai banyak sedikitnya massa
air yang dialirkan tiap satuan waktu. Dituliskan dalam persamaan (2.6) di bawah:
? ? = ? um A (2.6)
2.2.2.3 Temperatur rata – rata
Ketika fluida yang mengalir pada pipa dipanaskan atau didinginkan,
temperatur fluida pada setiap penampang pipa berubah dari Ts pada permukaan
dinding ke maksimum (atau minimun pada proses pemanasan) pada pusat pipa.
Untuk menyelesaikan permasalahan aliran fluida dalam pipa, maka digunakan
temperatur rata–rata (Tm) yang tetap seragam pada setiap penampang pipa. Tidak
seperti kecepatan fluida, temperatur rata–rata (Tm) akan berubah sewaktu–waktu
ketika fluida dipanaskan atau didinginkan.
(a) Aktual (b) Rata – rata
Gambar 2.2 Profil temperatur aktual dan rata – rata pada aliran dalam pipa (Cengel, 2003)
? ? ? ??? ?????cA cpm pmpfluida A T V ? Cm T CT CmE
????
? ? ? ?
? ? ??? ??
??
R
mpm
R
p
p
mm x) rdrT(r,x)V(r,
RVCR?V
dr?V T C
Cm
mCp TT
022
0 2r 2p
??
??
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
15
Temperatur rata–rata (Tm) fluida berubah selama pemanasan atau
pendinginan, sehingga sifat fluida pada aliran dalam pipa biasanya dihitung pada
temperatur bulk rata–rata fluida (bulk mean temperature), yang merupakan rata–
rata dari temperatur rata–rata sisi masuk (Tm,i) dan temperatur rata–rata sisi keluar
(Tm,o), yaitu :
Tb = (2.7)
2.2.2.4 Penukar Kalor
Penukar kalor adalah alat yang berfungsi untuk mengubah temperatur
fluida dengan cara mempertukarkan panas dengan fluida lainnya, baik melalui
suatu dinding pembatas maupun tanpa dinding pembatas. Mekanisme perpindahan
panas dalam penukar kalor berlangsung secara konduksi (pada dinding pipa) dan
konveksi (pada aliran fluida kerja). Penukar kalor dapat diklasifikasikan
berdasarkan beberapa hal, diantara klasifikasi tersebut adalah berdasarkan arah
alirannya dan keringkasannya (compactness). Sebagai contoh : berdasarkan arah
aliran, yaitu penukar kalor aliran searah (paralel flow heat exchanger) dan
berlawanan arah (counter flow heat exchanger), sedangkan berdasarkan
keringkasan, yaitu penukar kalor pipa konsentrik (concentric tube heat
exchanger).
a. Penukar kalor aliran searah.
Aliran fluida yang didinginkan (fluida panas) mengalir searah dengan fluida
yang mendinginkan (fluida dingin).
Gambar 2.3 (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada penukar kalor searah (Cengel, 2003)
(a) (b)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
16
b. Penukar kalor aliran berlawanan arah
Aliran fluida yang didinginkan (fluida panas) mengalir berlawanan arah
dengan fluida yang mendinginkan (fluida dingin).
(a)
(b)
Gambar 2.4 (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada penukar kalor berlawanan arah (Cengel, 2003)
Dalam sebuah penukar kalor yang diisolasi dengan baik, laju perpindahan
panas dari fluida panas sama dengan laju perpindahan panas ke fluida dingin.
Sehingga, Qh = Qc
4 F �P?F &S F 7FRXW-7FLQ (2.8)
Qh �P?K &S K 7K LQ-7KRXW (2.9)
dimana :
Qc = laju perpindahan panas di annulus (W)
? ???? = laju aliran massa fluida dingin di annulus (kg/s)
Cp,o = panas jenis fluida dingin di annulus (kJ/kg.oC)
Tc,in = temperatur fluida dingin masuk annulus (oC)
Tc,out = temperatur fluida dingin keluar annulus (oC)
Qh = laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W)
? ?? = laju aliran massa fluida panas di dalam pipa dalam (kg/s)
Cp,h = panas jenis fluida panas di dalam pipa dalam (kJ/kg.oC)
Th,in = temperatur fluida panas masuk pipa dalam (oC)
Th,out = temperatur fluida panas keluar pipa dalam (oC)
Dalam analisis sebuah penukar kalor, metode LMTD (log mean
temperature difference) sangat sesuai untuk menentukan ukuran dari penukar
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
17
kalor jika seluruh temperatur masuk dan keluar penukar kalor diketahui. Dalam
metode LMTD, laju perpindahan panas ditentukan dari :
Q = U.As. ? TLMTD (2.10)
¨ 7 / 0 7 ' �� ¨ 7 - ¨ 7
OQ? ¨ 7¨ 7
? (2.11)
dimana :
Q = laju perpindahan panas (W)
U = koefisien perpindahan panas overall (W/m2.oC)
As = luas perpindahan panas (m2)
? TLMTD = beda temperatur rata-rata logaritmik (oC)
? T1 , ? T2 = perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi masuk dan
keluar penukar kalor (oC).
Nilai-nilai ? T1 dan ? T2 untuk penukar kalor aliran searah dan berlawanan arah
berturut-turut dapat dilihat pada gambar 2.3(b) dan 2.4(b).
c. Penukar kalor pipa konsentrik.
Pada penukar kalor ini terdapat dua buah pipa, yaitu pipa dalam (inner
tube) dan pipa luar (outer tube). Pipa dalam digunakan untuk melewatkan fluida
panas, sedangkan fluida dingin dilewatkan melalui ruang (yang disebut annulus)
yang dibentuk oleh kedua pipa yang konsentrik tersebut.
Perpindahan panas yang terjadi berawal secara konveksi dari fluida panas
ke dinding dalam pipa dalam. Dari dinding dalam diteruskan secara konduksi ke
dinding luar pipa dalam. Perpindahan panas akan dilanjutkan secara konveksi dari
dinding luar pipa dalam ke fluida dingin yang ada pada annulus. Proses
perpindahan panas pada penukar kalor ini dapat dianalogikan dengan jaringan
tahanan listrik. Perpindahan panas menyeluruh dihitung dengan membagi beda
temperatur total dengan jumlah total tahanan termal.
R = Rtotal = Ri + Rwall + Ro = KL$L
OQ?? ?? ?N/ KR $R
(2.12)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
18
dimana :
hi = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam
(W/m2.oC)
ho = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus
(W/m2.oC)
Ai = luas permukaan dalam pipa dalam (m2)
Ai = 8.a. L
Ao = luas permukaan luar pipa dalam (m2)
Ao = 8.b. L
2a = panjang sisi dalam pipa dalam (m)
2b = panjang sisi luar pipa dalam (m)
k = konduktivitas termal material dinding pipa dalam (W/m.oC)
L = panjang pipa (m)
Dalam analisis penukar kalor, adalah tepat untuk menggabungkan semua
tahanan termal dalam lintasan panas dari fluida panas ke fluida dingin dalam satu
tahanan total, R, dan untuk menyatakan laju perpindahan panas antara dua fluida
sebagai berikut :
Q = ? 7
5 = U.A.? T = Ui.Ai.? TLMTD = Uo.Ao. ? TLMTD (2.13)
Dimana U adalah koefisien perpindahan panas overall, dengan satuan W/m2.oC,
dan ? TLMTD adalah beda temperatur rata-rata logaritmik (logaritmic mean
temperature different ) (oC). Diperoleh nilai :
8 L $L
�8 R $R
��5 �� KL $L
OQ?? ?? ?N/ KR $R
(2.14)
2.2.2.5 Parameter Tanpa Dimensi
Pada penukar kalor metode perpindahan panas yang terjadi utamanya
adalah konveksi dan konduksi. Persamaan perpindahan panas konveksi berkaitan
dengan variabel penting yang dinamakan parameter tanpa dimensi
(dimensionless). Parameter tanpa dimensi dalam kaitannya dengan perpindahan
panas konveksi adalah :
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
19
a. Bilangan Reynolds (Reynolds Number)
Bilangan Reynolds (Re) didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya
inersia dengan gaya kekentalan, di dalam lapis batas kecepatan. Untuk kontrol
volume yang berbeda pada lapis batas ini, gaya inersia diasosiasikan dengan
sebuah kenaikan momentum dari fluida yang bergerak melewati kontrol
volume. Gaya inersia dalam bentuk ? [(?u)u]/?x dapat didekati dengan
persamaan: F1 = ? ? ? /L. Gaya kekentalan diwakili dengan gaya geser dalam
bentuk ? ?? ? ,yyuyyx ??????? ?? dapat didekati dengan persamaan:
2LVµFs ? . Perbandingan kedua gaya tersebut dapat ditulis:
)
) V =
?9 /? � / =
?9/
? = ReL (2.15)
Untuk harga Re yang tinggi, gaya inersia akan lebih berpengaruh daripada
gaya kekentalan. Untuk harga Re yang rendah, gaya kekentalan akan lebih
berpengaruh dari gaya inersia.
b. Bilangan Prandtl (Prandtl number)
Bilangan Prandtl (Pr) didefinisikan sebagai perbandingan antara diffusivitas
momentum, ? (m2/s) , dengan diffusifitas termal, ? (m2/s). Bilangan Prandtl
menyediakan sebuah pengukuran kerelatifan efektivitas momentum dan
transfer energi dengan cara difusi di dalam lapis batas kecepatan dan termal.
Bilangan Prandtl untuk gas hampir serupa, dalam kasusnya transfer energi dan
momentum dengan difusi dapat dibandingkan (Incropera, 2007). Nilai Pr
sangat dipengaruhi oleh pertumbuhan relatif lapis batas kecepatan dan termal.
Pr = ?
I (2.16)
c. Bilangan Nusselt (Nusselt Number)
Bilangan Nusselt (Nu) adalah bilangan tanpa dimensi yang menyatakan
perbandingan antara koefisien perpindahan panas koveksi (h) terhadap
konduktivitas termal fluida (k). Bilangan ini menyediakan sebuah perhitungan
tentang perpindahan panas konveksi yang terjadi pada permukaan. Bilangan
Nusselt dirumuskan:
Nu = K�G
N (2.17)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
20
Bilangan Nu merupakan fungsi universal dari bilangan Re, dan bilangan Pr.
Apabila Re dan Pr diketahui, maka dapat digunakan untuk menghitung nilai
Nu untuk fluida, nilai kecepatan, dan skala panjang yang berbeda.
2.2.2.6 Teknik Peningkatan Perpindahan Panas pada Penukar Kalor
Penukar kalor (heat exchanger) mempunyai banyak aplikasi di industri
dan bidang rekayasa. Prosedur desain dari suatu penukar kalor sangat rumit,
diperlukan analisis yang tepat untuk memperkirakan laju perpindahan panas dan
penurunan tekanan (pressure drop) selain persoalan seperti unjuk kerja dan aspek
ekonomis dari peralatan. Tantangan utama dalam perancangan penukar kalor
adalah membuat penukar kalor kompak dan menghasilkan laju perpindahan panas
tinggi menggunakan daya pemompaan (pumping power) yang minimum. Teknik
untuk meningkatkan perpindahan panas berhubungan dengan beberapa aplikasi
keteknikan. Dalam tahun-tahun terakhir ini, karena biaya energi dan material yang
tinggi, maka diusahakan menghasilkan peralatan penukar kalor yang lebih efisien.
Jika sebuah penukar kalor sudah berumur, tahanan terhadap perpindahan
panas meningkat oleh karena pengotoran (fouling) atau terbentuknya kerak
(scaling). Masalah-masalah ini lebih umum untuk penukar kalor-penukar kalor
yang digunakan dalam aplikasi kelautan dan dalam industri- industri kimia. Dalam
beberapa aplikasi khusus, seperti penukar kalor yang berhubungan dengan fluida-
fluida yang mempunyai konduktivitas termal rendah (gas dan minyak) dan
instalasi desalinasi, perlu untuk meningkatkan laju perpindahan panas. Laju
perpindahan panas dapat diperbaiki dengan menggunakan sebuah gangguan dalam
aliran fluida (memecah viskos dan lapis batas termal), tetapi dalam proses tersebut
daya pemompaan dapat meningkat secara signifikan dan akhirnya biaya
pemompaan menjadi tinggi. Sehingga, untuk mencapai laju perpindahan panas
yang diinginkan dalam sebuah penukar kalor pada sebuah daya pemompaan yang
ekonomis, beberapa teknik telah ditawarkan dalam tahun-tahun terakhir ini.
Dalam dekade terakhir ini, teknologi peningkatan perpindahan panas telah
dipakai secara luas pada aplikasi-aplikasi penukar kalor; dalam bidang refrigerasi,
otomotif dan proses industri. Tujuan dari meningkatkan perpindahan panas adalah
mendorong atau mengakomodasi fluks-fluks kalor yang tinggi. Ini menghasilkan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
21
pengurangan ukuran penukar kalor, dimana secara umum menghasilkan biaya
yang lebih rendah. Peningkatan perpindahan panas memungkinkan penukar kalor
beroperasi pada kecepatan yang lebih rendah, tetapi masih menghasilkan koefisien
perpindahan panas yang nilainya sama atau lebih besar. Ini berarti bahwa
pengurangan penurunan tekanan berhubungan dengan biaya operasi yang lebih
kecil bisa dicapai. Semua keuntungan ini membuat teknologi peningkatan
perpindahan panas menarik dalam aplikasi penukar kalor.
Secara umum, teknik-teknik peningkatan perpindahan panas pada penukar
kalor dapat diklasifikasikan dalam 3 kategori :
a. Metode aktif (active method)
Metode ini melibatkan beberapa daya masukan dari luar (external power
input) untuk meningkatkan perpindahan panas, dan tidak menunjukkan banyak
potensi yang berhubungan dengan kerumitan dalam desain. Daya luar tidak
mudah untuk disediakan dalam beberapa aplikasi. Beberapa contoh metode aktif
adalah pulsasi yang ditimbulkan oleh cam dan reciprocating plungers,
penggunaan medan magnet untuk mengganggu partikel-partikel kecil ringan
dalam sebuah aliran yang sedang mengalir.
b. Metode pasif (passive method)
Metode ini tidak memerlukan daya masukan luar, dan tambahan daya yang
diperlukan untuk meningkatkan perpindahan panas diambil dari daya yang
tersedia dalam sistem, dimana akhirnya memicu ke arah penurunan tekanan
fluida. Industri penukar kalor telah bekerja keras untuk memperbaiki kontak
termal (meningkatkan koefisien perpindahan panas) dan mengurangi daya
pemompaan untuk memperbaiki efisiensi termohidrolik dari penukar kalor.
Desain sebuah penukar kalor yang baik seharusnya mempunyai unjuk kerja
termodinamika yang efisien, yaitu pembangkitan entropi yang minimum atau
destruksi kerja tersedia (exergy) yang minimum dalam sebuah sistem penukar
kalor. Hampir tak mungkin untuk menghentikan kehilangan exergy secara
sempurna, tetapi hal tersebut dapat diminimalisasi melalui sebuah desain yang
efisien.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
22
c. Metode gabungan (compound method)
Metode gabungan adalah sebuah metode hibrid dimana kedua metode baik
metode aktif dan pasif digunakan. Metode gabungan melibatkan desain yang
kompleks sehingga dibatasi aplikasinya.
Teknik peningkatan perpindahan panas (metode aktif, pasif dan kombinasi
metode aktif dan pasif) biasa digunakan dalam berbagai bidang seperti; industri-
industri proses, pemanasan dan pendinginan dalam evaporator, pembangkit daya
termal, peralatan pengkondisian udara, refrigerator, radiator untuk kendaraan
ruang angkasa, automobiles dan lain- lain. Metode pasif, dimana sisipan (insert)
digunakan dalam lintasan aliran untuk meningkatkan laju perpindahan panas,
menguntungkan dibandingkan dengan metode aktif, karena proses manufaktur
insert sederhana dan teknik ini dapat secara mudah diterapkan ke suatu penukar
kalor. Dalam desain alat penukar kalor kompak, teknik-teknik pasif dalam
meningkatkan perpindahan panas memainkan peranan yang penting jika
konfigurasi insert pasif yang sesuai dapat dipilih berdasarkan kondisi kerja
penukar kalor (kondisi aliran dan perpindahan panas).
Twisted tape, wire coils, ribs, fins, dimples, mesh insert adalah alat-alat
untuk meningkatkan perpindahan panas secara pasif yang paling sering
digunakan. Berdasar penelitian akhir-akhir ini, twisted tape dan wire coils dikenal
sebagai alat peningkatan perpindahan panas yang ekonomis. Twisted tape insert
sesuai untuk daerah aliran laminar dan wire coils insert sesuai untuk aliran
turbulen. Kelakuan termohidrolik dari sebuah insert pada dasarnya tergantung dari
kondisi aliran (laminar atau turbulen) selain daripada konfigurasi insert.
Untuk penukar kalor-penukar kalor cangkang dan pipa (shell and tube),
teknologi tube insert adalah salah teknologi peningkatan perpindahan panas yang
paling umum, terutama sekali pada kondisi retrofit. Dengan teknologi tube insert,
penambahan luasan perpindahan panas dapat diabaikan, sehingga penghematan
biaya secara signifikan menjadi mungkin. Peralatan tube insert meliputi twisted
tape insert, wire coil insert, extended surface insert, mesh insert dan lain- lain.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
23
Gambar 2.5 Jenis-jenis peralatan tube insert (Wang, L., 2002)
Twisted tape insert menyebabkan aliran menjadi spiral sepanjang panjang
pipa. Twisted tape insert secara umum tidak mempunyai kontak termal yang baik
dengan dinding pipa. Wire coil insert terdiri dari sebuah pegas spiral pilin (helical
coiled spring) yang berfungsi sebagai sebuah kekasaran yang tidak menyatu (non-
integral roughness). Extended surface insert adalah bentuk ekstrusi yang
dimasukkan ke dalam pipa. Pipa kemudian dikencangkan untuk memberikan
kontak termal yang baik antara dinding dan insert. Insert mengurangi diameter
hidrolik dan bertindak sebagai permukaan yang diperluas. Mesh insert dibuat dari
sebuah matrik dari filamen kawat yang tipis, dimana dapat mengganggu
keseluruhan medan temperatur dan kecepatan dalam pipa. Unjuk kerja dan biaya
adalah dua faktor utama yang memainkan peranan penting dalam pemilihan
teknik-teknik pasif peningkatan perpindahan panas. Secara umum, twisted tape
insert dan wire coil insert dipakai secara lebih luas dan lebih disukai dalam tahun-
tahun belakangan ini dibandingkan metode-metode yang lain, mungkin karena
teknik-teknik seperti extended surface insert relatif tinggi dan mesh insert karena
menghasilkan masalah penurunan tekanan yang tinggi dan masalah pengotoran.
Secara umum, beberapa jenis insert ditempatkan dalam saluran aliran
untuk menambah perpindahan panas, dan ini akan mengurangi diameter hidrolik
saluran aliran. Peningkatan perpindahan panas dalam aliran pada sebuah pipa oleh
insert seperti twisted tape, wire coils, ribs dan dimples utamanya karena halangan
aliran (flow blockage) membagi aliran utama dan aliran sekunder (secondary
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
24
flow). Halangan aliran menaikkan penurunan tekanan dan memicu efek-efek
viskos karena luas aliran bebas yang berkurang. Halangan juga menaikkan
kecepatan aliran dan dalam beberapa situasi memicu aliran sekunder secara
signifikan. Aliran sekunder selanjutnya memberikan kontak termal yang lebih
baik antara permukaan saluran dan fluida, karena aliran sekunder menciptakan
pusaran (swirl) dan menghasilkan percampuran fluida memperbaiki gradien
temperatur dimana pada akhirnya memicu koefisien perpindahan panas yang
tinggi.
Aliran laminar dan turbulen umum terjadi dalam aplikasi penukar kalor.
Dalam sebuah aliran turbulen, tahanan termal yang berpengaruh dibatasi oleh
lapisan bawah viskos yang tipis (thin viscous sublayer). Wire coil insert lebih
efektif dalam aliran turbulen dibandingkan dengan twisted tape, karena wire coil
mencampur aliran dalam lapisan bawah viskos di dekat dinding secara cukup
efektif, sedangkan twisted tape tidak dapat mencampur dengan baik aliran di
lapisan bawah viskos. Untuk aliran laminar, tahanan termal yang berpengaruh
dibatasi oleh sebuah daerah yang lebih tebal dibandingkan dengan aliran turbulen.
Sehingga, wire coil insert tidak efektif dalam aliran laminar karena tidak dapat
mencampur aliran limbak (bulk flow) secara baik, dan hal ini berkebalikan dengan
twisted tape insert. Oleh karena itu, twisted tape secara umum lebih disukai dalam
aliran laminar. Bagaimanapun, ini hanya analisa awal, dan faktor lain seperti jenis
fluida, mungkin juga mempengaruhi unjuk kerja. Fluida yang berbeda dengan
bilangan Prantl yang berbeda dapat mempunyai ketebalan lapis batas yang
berbeda. Sehingga, pemilihan yang tepat seharusnya berdasarkan pada unjuk kerja
termal dan hidrolik.
Peningkatan perpindahan panas yang dihasilkan oleh twisted tape insert
dan wire coil insert adalah fungsi dari bilangan Reynolds dan sudut pilin (helix
angle). Untuk twisted tape insert dan wire coil insert rasio peningkatan
perpindahan panas meningkat dengan kenaikan bilangan Reynolds dan sudut
pilin. Akan tetapi, untuk sudut pilin dan rasio ketebalan yang sama, twisted tape
insert menunjukkan peningkatan perpindahan panas yang lebih baik daripada wire
coil insert. Ini mungkin disebabkan fakta bahwa twisted tape insert mengganggu
keseluruhan medan aliran, sedangkan wire coil insert sebagian besar mengganggu
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
25
aliran di dekat dinding. Sebagai tambahan, sifat fluida juga mempunyai pengaruh
terhadap peningkatan unjuk kerja. Rasio peningkatan perpindahan panas lebih
tinggi untuk fluida dengan bilangan Prandtl yang lebih tinggi. Secara fisik,
mungkin karena fakta bahwa fluida-fluida dengan bilangan Prandtl tinggi
mempunyai tebal lapis batas yang lebih tipis dibandingkan dengan fluida-fluida
yang mempunyai bilangan Prandtl rendah. Sehingga, gangguan yang diakibatkan
oleh tube insert lebih efisien untuk meningkatkan perpindahan panas.
Bagaimanapun, kenaikan perpindahan panas sering dihubungkan dengan kerugian
penurunan tekanan. Dapat disimpulkan bahwa wire coil insert menghasilkan
penurunan tekanan yang lebih rendah dibandingkan twisted tape insert.
2.2.2.7 Sisipan Pita Terpilin (Twisted Tape Insert)
Twisted tape menimbulkan aliran spiral sepanjang panjang pipa. Gambar
2.6 menunjukkan 3 jenis konfigurasi twisted tape dengan 180o twisted pitch.
Geometri twisted tape insert mengalami perkembangan dengan berbagai
modifikasi untuk mengoptimalkan peningkatan perpindahan panas.
Gambar 2.6 Jenis-jenis twisted tape (a) full-length twisted tape, (b) regularly spaced twisted tape, dan (c) smoothly varying pitch full-length twisted tape (Dewan, A., 2004)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
26
Gambar 2.7 (a) Full length twisted tape insert, (b) Regularly spaced twistd tape element, (c) Full length twisted tape with oblique teeth, (d) Detail A dari gambar (Saha, S.K.,
2010)
Parameter-parameter pada twisted tape insert :
a. Twist pitch
Twist pitch didefinisikan sebagai jarak antara 2 titik pada bidang yang
sama, diukur sejajar terhadap sumbu twisted tape.
b. Twist ratio
Twist ratio didefinisikan sebagai perbandingan twist pitch terhadap
diameter dalam pipa.
y = (2.18)
dimana ; y adalah pitch ratio, H adalah panjang pitch twisted tape dan di adalah
diameter dalam pipa.
Atau parameter alternatif, menggunakan sudut heliks (helix angle), dinyatakan
sebagai :
tan a = (2.19)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
27
2.2.2.8 Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan
2.2.2.8.1. Korelasi Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan di Daerah
Aliran Laminar dan Turbulen Melalui Sebuah Pipa Bulat Halus
Untuk aliran laminar berkembang penuh (fully developed), dalam sebuah
pipa bulat halus tanpa insert, bilangan Nusselt (Nu) mempunyai nilai yang
konstan dibawah kondisi temperatur dinding yang konstan (constant wall
temperature) sebagai berikut :
Nu = 3,657 (2.20)
dan faktor gesekan Darcy (Darcy friction factor), f , untuk aliran ini diprediksikan
dengan persamaan :
f = 64/Re (2.21)
Dalam aliran laminar, faktor gesekan adalah hanya fungsi bilangan Reynolds
(Re), dimana tidak tergantung pada kekasaran.
Untuk pipa halus, faktor gesekan dalam aliran turbulen dapat ditentukan
dari persamaan Petukhov pertama (first Petukhov equation) :
f = (0,790 ln Re – 1,64)-2 (2.22)
Untuk aliran turbulen berkembang penuh dalam pipa bulat halus, bilangan Nusselt
dapat diprediksikan dengan korelasi Dittus-Boelter :
Nu = 0,023.Re0,8.Prn (2.23)
Persamaan Dittus-Boelter berlaku untuk nilai-nilai; 0,7 = Pr = 160, Re ? 10.000,
dan L/D ? 10. Untuk proses pemanasan, n = 0,4 sedangkan untuk proses
pendinginan, n = 0,3. Sifat-sifat fluida dievaluasi pada temperatur fluida rata-rata
bulk (bulk mean fluid temperature), Tb = (Ti + Te)/2. Ketika perbedaan temperatur
antara fluida dan dinding pipa sangat besar, perlu menggunakan sebuah faktor
koreksi untuk menghitung perbedaan viskositas di dekat dinding pipa dan di pusat
pipa.
Korelasi Dittus-Boelter sederhana, tetapi memberikan kesalahan hingga
25% (Incropera, 2006). Kesalahan ini dapat dikurangi hingga kurang dari 10%
dengan menggunakan korelasi yang lebih kompleks tetapi akurat seperti
menggunakan persamaan Petukhov kedua (second Petukhov equation), sebagai
berikut :
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
28
Nu �?I ?5H� 3U
I ?3U - ? (2.24)
Persamaan Petukhov kedua berlaku untuk nilai-nilai; 0,5 ? Pr ? 2.000, dan 104 <
Re < 5 x 106. Akurasi persamaan ini pada bilangan Reynolds yang rendah
diperbaiki dengan modifikasi oleh Gnielinski :
1 X��� ?I ??5H�-� ? 3U� ?I ? ?3U -�? (2.25)
Persamaan Gnielinski berlaku untuk nilai-nilai; 0,5 ? Pr ? 2.000, dan 3 x 103 < Re
< 5 x 106, dimana faktor gesekan, f , dapat ditentukan dari hubungan yang sesuai
seperti persamaan Petukhov pertama (persamaan 2.22). Persamaan Gnielinski
lebih disukai dalam perhitungan. Pada persamaan (2.24) dan (2.25) sifat-sifat
fluida dievaluasi pada temperatur fluida rata-rata bulk.
Tidak seperti aliran laminar, faktor gesekan dan koefisien konveksi dalam
aliran turbulen adalah fungsi dari kekasaran permukaan. Faktor gesekan dalam
aliran turbulen berkembang penuh tergantung pada bilangan Reynolds dan
kekasaran relatif, ?/D (relative roughness, ?/D). Colebrook mengkombinasikan
semua data faktor gesekan untuk aliran transisi dan turbulen dalam pipa-pipa
halus dan kasar ke dalam sebuah persamaan implisit yang dikenal sebagai
persamaan Colebrook, sebagai berikut :
? I = - 2,0 . log ? I ' ??
5H? I? (2.26)
Kesulitan dalam penggunaannya adalah bahwa rumus ini berbentuk implisit dalam
ketergantungannya terhadap f. Artinya, untuk suatu kondisi yang diberikan (Re
dan ?/D), tidaklah mungkin mencari penyelesaian untuk f tanpa melakukan suatu
metode iterasi. Dengan penggunaan Excel atau aplikasi komputer matematis,
perhitungan seperti itu tidaklah sulit. Miller (1996) menyarankan bahwa iterasi
tunggal akan memberikan hasil dalam 1% jika perkiraan awal dihitung dari:
I = 0,25 ??? ?��?I ' ? �?5H
?�?? ? (2.27)
Moody menggambarkan persamaan Colebrook dalam sebuah diagram yang
dikenal dengan Diagram Moody, dimana meskipun diagram ini dibentuk untuk
pipa bulat, tetapi dapat juga digunakan untuk pipa tidak bulat dengan mengganti
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
29
diameter pipa dengan diameter hidrolik. Untuk aliran turbulen dalam pipa-pipa
halus juga dapat dihitung dengan persamaan Blasius :
f = 0,3164.Re-0,25 (2.28)
Valid untuk aliran turbulen dengan Re = 105.
2.2.2.8.2 Korelasi Empiris Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan dengan
Twisted Tape Insert di Daerah Aliran Laminar
Korelasi berikut digunakan untuk memperkirakan koefisien perpindahan
panas dan faktor gesekan di daerah laminar untuk twisted tape insert. Manglik dan
Berges (1993) mengembangkan sebuah korelasi untuk kasus temperatur dinding
konstan untuk aliran berkembang penuh berdasarkan data sebelumnya dan data
penelitian mereka sendiri. Korelasi untuk perpindahan panas di daerah laminar
sebagai berikut :
Nu = 4,162 . ? [ � - VZ�3 U ?? ? ?? ? ?? ?? ? (2.29)
dimana :
Nu = bilangan Nusselt
Sw = swirl number, ini merupakan harga dari gerakan pusaran (swirl)
dalam pipa.
Sw = �? ? ??
y = twist ratio
Pr = bilangan Prandtl
? = viskositas dinamik (kg/m.s)
? w = viskositas dinamik pada temperatur dinding (kg/m.s)
Berdasar data yang sama, sebuah korelasi untuk faktor gesekan telah
dikembangkan :
( f . Red )SW = 15,767 ??���-�WGL
?�-�WGL? ? - 6Z ? ?
(2.30)
dimana :
f = faktor gesekan
Red = bilangan Reynolds berdasarkan diameter dalam pipa
t = tebal twisted tape insert (m)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
30
di = diameter dalam pipa (m)
Faktor gesekan dan bilangan Reynolds berdasarkan kecepatan pusaran (swirl
velocity)
usw = uc (1 + tan2a)1/2 (2.31)
dimana :
usw = kecepatan pusaran (swirl velocity) (m/s)
uc = kecepatan aksial rata-rata fluida (m/s)
a = sudut heliks (o)
Kondisi-kondisi eksperimental untuk mengembangkan korelasi-korelasi di
atas adalah sebagai berikut : air (3 = Pr = 6,5) dan ethylene glycol (68 = Pr = 100)
adalah digunakan sebagai fluida-fluida uji, tiga twist ratio berbeda ( y = 3,0, 4,5,
dan 6,0) yang diuji, bilangan Reynolds dari 300 sampai 30.000, dimana meliputi
daerah laminar, transisi dan turbulen. Rata-rata ketakpastian (uncertainties) Nu
dan f berturut-turut adalah ± 4,1% dan ± 4,5%. Korelasi ini aktualnya meliputi
data untuk ethylene glycol dan polybutene (1.000 = Pr = 7.000) dari Marner dan
Bergles.
2.2.2.8.3 Korelasi Empiris Perpindahan Panas dengan Twisted Tape Insert di
Daerah Turbulen
Berdasarkan eksperimen yang sama, Manglik dan Bergles (1993) juga
mengembangkan korelasi untuk twisted tape insert dalam daerah turbulen.
Cakupan eksperimen sama seperti keadaan di daerah laminar. Korelasi
berdasarkan metode asymtotic, dan valid untuk temperatur dinding konstan dan
fluks kalor konstan. Korelasi perpindahan panas sebagai berikut (Sarma, P.K.,
2002) :
Nu = 0,023. Re0,8 . Pr0,4[1+0,769 '
+ ] Ø2 (2.32)
dengan Ø2 = ? ?
?�- WGL? ? ?� - WGL
?�- WGL?
dimana :
Re = bilangan Reynolds
Pr = bilangan Prandtl
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
31
t = ketebalan twisted tape insert (m)
D = diameter dalam pipa dalam (m)
H = panjang pitch twisted tape insert (m)
2.2.2.8.4 Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada
Penukar Kalor Pipa Konsentrik Dengan Twisted Tape Insert
Untuk aliran-aliran fluida dalam sebuah penukar kalor pipa konsentrik,
laju perpindahan panas dari fluida panas di dalam pipa dalam dapat dinyatakan
sebagai :
Qh = ? ?? .Cp,h .(Th,in – Th,out) = hi. Ai. (Tb,i - ??? ??) (2.33)
dimana :
Qh = laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W)
? ?? = laju aliran massa fluida panas di dalam pipa dalam (kg/s)
Cp,h = panas jenis fluida panas di dalam pipa dalam (kJ/kg.oC)
Th,in = temperatur fluida panas masuk pipa dalam (oC)
Th,out = temperatur fluida panas keluar pipa dalam (oC)
hi = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam
(W/m2.oC)
Ai = luas permukaan dalam pipa dalam (m2)
Ai = 8.a. L
2a = panjang sisi dalam pipa dalam (m)
L = panjang pipa dalam (m)
Tb,i = temperatur fluida rata-rata bulk fluida di dalam pipa
dalam (oC)
??? ?? = temperatur rata-rata dinding dalam pipa dalam (oC)
Laju perpindahan panas dari fluida dingin di annulus :
Qc = ? ??.Cp,c .(Tc,out – Tc,in) = ho. Ao. (??? ?? – Tb,o) (2.34)
dimana :
Qc = laju perpindahan panas di annulus (W)
? ?? = laju aliran massa fluida dingin di annulus (kg/s)
Cp,c = panas jenis fluida dingin di annulus (kJ/kg.oC)
Tc,in = temperatur fluida dingin masuk annulus (oC)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
32
Tc,out = temperatur fluida dingin keluar annulus (oC)
ho = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus
(W/m2.oC)
Ao = luas permukaan luar pipa dalam (m2)
Ao = 8.b. L
2b = panjang sisi luar pipa dalam (m)
L = panjang pipa dalam (m)
??? ?? � = temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam (oC)
Tb,o = temperatur fluida rata-rata bulk fluida dingin di
annulus (oC)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
33
Gambar 2.8 Skema pengujian penukar kalor saluran persegi dengan twisted tape insert. ( Kuncoro, 2011 )
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
34
Nilai ??? ?? dan Tb,o dicari dari persamaan berikut :
�?? ?? = s 7Z R
Q (2.35)
Tb,o = (Tc,out + Tc,in)/2 (2.36)
dimana s ?? ?? adalah jumlah temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam, dan
n adalah jumlah titik pengukuran temperatur dinding luar pipa dalam.
Perbedaan antara laju aliran panas dari persamaan (2.33) dan (2.34)
menunjukkan ketidaksetimbangan energi (heat balance error) dari penukar kalor
heat balance error = ?4 K-�4 F? (2.37)
dimana dapat diabaikan jika penukar kalor diisolasi dengan baik. Persentase
kehilangan panas konveksi dari penukar kalor dinyatakan sebagai berikut :
% heat balance error = ?4 K-4 F4 F
? . 100% (2.38)
Koefisien perpindahan panas rata-rata di annulus (ho) dapat ditentukan dari
persamaan (2.34) :
ho = P?F &S 7FRXW– 7FLQ
$R 7?Z R – 7E R (2.39)
Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus, Nuo dapat dinyatakan dengan
persamaan :
Nuo = KR ' K??
NR (2.40)
dimana :
Nuo = bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus
ho = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di sisi annulus
(W/m2.oC)
Dh,o = diameter hidrolik annulus (m)
Dh,o = 2c – 2b
ko = konduktivitas termal rata-rata fluida dingin di annulus (W/m.oC).
Persamaan (2.33) dapat juga dinyatakan dengan parameter koefisien
perpindahan panas overall untuk sisi dalam pipa dalam :
Qh = Ui.Ai. ? TLMTD (2.41)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
35
dimana :
Qh = laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W)
Ui = koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dalam
pipa dalam (W/m2.oC)
Ai = luas permukaan dalam pipa dalam (m2)
Ai = 8. a. L
? TLMTD = beda temperatur rata-rata logaritmik (logaritmic mean
temperature different ) (oC)
Untuk penukar kalor pipa konsentrik dengan arah aliran kedua fluida berlawanan
arah (counter-flow), nilai beda temperatur rata-rata logaritmik dinyatakan sebagai
berikut :
? TLMTD = ?7KLQ�-�7FRXW?-?7KRXW�-�7FLQ?
OQ? ?7KLQ�-�7FRXW? ?7KRXW�-�7FLQ?? (2.42)
Koefisien perpindahan panas overall, Ui , sistem pada penukar kalor
konsentrik ini dinyatakan dengan :
8 L$ L�
KL $L
OQ?? ?? ?N/ KR $R
Ui = $L?
KL$ L
OQE D?N/ KR$ R
? Ui =
D/ ?KL D/
OQE D?N/ KR E/
? Ui = ?
KL
DOQE D?N
DE KR
? (2.43)
Dari persamaan (2.33), (2.41) dan (2.42), maka nilai Ui dapat dihitung :
Ui = P?K &S 7KLQ– 7KRXW
$L ¨ 7/ 0 7 ' (2.44)
Ui = P?K &S 7KLQ– 7KRXW? /?7KLQ–�7FRXW?-?7KRXW–�7FLQ?
OQ??7KLQ�–�7FRXW? ?7KRXW�–�7FLQ?? (2.45)
Dengan diperoleh nilai ho dari persamaan (2.39) dan Ui dari persamaan (2.45),
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
36
maka koefisien perpindahan panas rata-rata di sisi pipa dalam, hi dapat dihitung
dengan menggunakan persamaan (2.43).
Ui = ?KL
� �DOQE D?NL
�� DE KR
?
hi = ?8 L
– DOQ?E D? ?NL
– DE KR
? (2.46)
dimana ki adalah konduktivitas termal material pipa dalam.
Bilangan Nusselt rata-rata pada sisi pipa dalam, Nui dapat dihitung dengan
persamaan berikut :
Nui = KL �' KL
NL (2.47)
dimana, ki adalah konduktivitas termal rata-rata fluida di pipa dalam, dihitung dari
sifat fluida pada temperatur fluida rata-rata bulk.
Bilangan Reynolds (Re) aliran fluida di pipa dalam, dihitung dengan persamaan :
Re = 9 ' K�L
? (2.48)
Re = ? 9 ' K� L
? (2.49)
dimana :
Re = bilangan Reynolds
V = kecepatan rata-rata fluida di pipa dalam (m/s)
Dh,i = diameter hidrolik pipa dalam (m)
Dh,i = 2a
? = viskositas kinematis fluida di pipa dalam (m2/s)
? = densitas fluida di pipa dalam (kg/m3)
? = viskositas dinamik fluida di pipa dalam (kg/m.s)
Dalam analisis penukar kalor, sering menggabungkan perkalian laju aliran
massa dengan panas jenis fluida ke dalam besaran yang disebut laju kapasitas
panas (heat capacity rate), C, dan didefinisikan untuk aliran fluida panas dan
dingin berturut-turut sebagai berikut :
Ch = ? ?? G? ? ?? (2.50)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
37
Cc = P?F &S F (2.51)
Laju kapasitas panas dari sebuah aliran fluida menyatakan laju perpindahan panas
yang diperlukan untuk mengubah temperatur aliran fluida sebesar 1oC ketika
mengalir melalui penukar kalor. Dalam sebuah penukar kalor, fluida dengan laju
kapasitas panas besar akan mengalami perubahan temperatur yang kecil, dan
fluida dengan laju kapasitas panas yang kecil akan mengalami perubahan
temperatur yang besar. Dengan definisi laju kapasitas panas di atas, maka
persamaan (2.33) dan (2.34) berturut-turut dapat dinyatakan juga dengan :
Qh = Ch .(Th,in – Th,out) (2.52)
Qc = Cc .(Tc,out – Tc,in) (2.53)
Metode LMTD mudah digunakan dalam analisis penukar kalor jika
temperatur-temperatur masuk dan keluar dari fluida panas dan dingin diketahui
atau dapat ditentukan dari kesetimbangan energi. Jika ? TLMTD , laju aliran massa,
dan koefisien perpindahan panas overall tersedia, maka luas permukaan
perpindahan panas dari penukar kalor dapat ditentukan dari persamaan Q = U.As.
? TLMTD. Jenis masalah kedua yang dihadapi dalam analisis penukar kalor adalah
menentukan laju aliran panas dan temperatur keluaran dari fluida panas dan fluida
dingin untuk laju aliran massa dan temperatur-temperatur masukan telah
ditentukan ketika jenis dan ukuran dari penukar panas ditentukan. Metode LMTD
masih dapat digunakan untuk masalah ini, tetapi prosedur penyelesaian
memerlukan iterasi dan tidak praktis. Untuk menghindari iterasi penyelesaian
masalah ini dapat menggunakan metode ?-NTU (Effectiveness-NTU) dimana akan
menyederhanakan analisis penukar kalor.
Metode ini berdasarkan sebuah parameter tanpa dimensi yang disebut
efektivenes penukar kalor, ?, didefinisikan sebagai :
I� �4
4 PDN
ODMX�SHUSLQGDKDQ�SDQDV�DNWXDO
ODMX�SHUSLQGDKDQ�SDQDV�P DNVLP XP � \ DQJ � P XQJNLQ (2.54)
Laju perpindahan panas aktual dalam sebuah penukar kalor dapat ditentukan dari
kesetimbangan energi pada fluida panas dan fluida dingin dan dapat dinyatakan
sebagai berikut :
Q = Cc.(Tc,out – Tc,in) = Ch.(Th,in – Th,out) (2.55)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
38
Dimana Cc dan Ch berturut-turut adalah laju kapasitas panas fluida dingin dan
fluida panas. Untuk menentukan laju perpindahan panas yang mungkin dalam
sebuah penukar kalor, maka perbedaan temperatur harus maksimum antara
temperatur masuk fluida panas dan fluida dingin dalam penukar kalor. Sehingga :
? Tmak = Th,in – Tc,in (2.56)
Perpindahan panas dalam sebuah penukar kalor akan mencapai nilai maksimum
ketika (1) fluida dingin dipanaskan ke temperatur masukan fluida panas, atau (2)
fluida panas didinginkan ke temperatur masukan dari fluida dingin. Fluida dengan
laju kapasitas panas yang lebih kecil akan mengalami perubahan temperatur yang
besar. Sehingga, laju perpindahan panas maksimum dalam sebuah penukar kalor
adalah :
Qmak = Cmin.(Th,in – Tc,in) (2.57)
dimana Cmin adalah nilai laju kapasitas panas yang lebih kecil, jika :
Cc > Ch , maka Ch = Cmin (2.58)
Cc < Ch , maka Cc = Cmin (2.59)
Menentukan Qmak memerlukan ketersediaan data temperatur masuk fluida panas
dan dingin dan laju aliran kedua fluida tersebut, dimana biasanya sudah
ditentukan. Sehingga jika efektivenes dari penukar kalor telah diketahui, laju
perpindahan panas aktual Q dapat ditentukan dari persamaan :
Q = ?.Qmak = ?.Cmin .(Th,in – Tc,in) (2.60)
Sehingga efektivenes penukar kalo r dapat digunakan untuk menentukan
laju perpindahan panas tanpa mengetahui temperatur keluaran fluida-fluida.
Efektivenes dari sebuah penukar kalor tergantung pada geometri penukar kalor
dan juga susunan aliran. Untuk penukar kalor pipa konsentrik aliran berlawanan
arah (counter flow) korelasi untuk ? dinyatakan sebagai berikut :
I� –�H[S?–�8 $V
&PLQ? –�&PLQ
&PDN??
–�&PLQ&PDN
�H[S?–�8 $ V&PLQ
? –�&PLQ&PDN
?? (2.61)
Hubungan efektivenes penukar kalor biasanya melibatkan kelompok tanpa
dimensi UAs/Cmin. Besaran ini disebut number of transfer units (NTU) dan
dinyatakan sebagai berikut :
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
39
178 � � 8 $V
&PLQ
8 $V?P?&S?PLQ
(2.62)
Dimana U adalah koefisien perpindahan panas overall, dan As adalah luas
permukaan perpindahan panas dari penukar kalor. NTU sebanding dengan As.
Sehingga untuk nilai-nilai U dan Cmin tertentu, nilai NTU adalah ukuran dari luas
permukaan perpindahan panas, As. Sehingga, semakin besar NTU, semakin besar
penukar kalor.
Dalam analisis penukar kalor, juga didefinisikan besaran tanpa dimensi
lain yang disebut rasio kapasitas (capacity ratio), c , sebagai berikut :
c =&PLQ
&PDN (2.63)
Dapat dilihat bahwa efektivenes dari sebuah penukar kalor adalah fungsi dari
NTU dan rasio kapasitas, c. Untuk penukar kalor pipa konsentrik aliran
berlawanan arah (counter flow) korelasi untuk ? dapat ditulis ulang dengan
menggabungkan persamaan (2.61), (2.62) dan (2.63) sebagai berikut :
I� � -H[ S?-1 7 8 ? �-�F??-�F H[S?-1 7 8 ? -�F? ? (2.64)
Jika besaran c = Cmin/Cmak dan NTU = U.As/Cmin telah dievaluasi, efektivenes ?
dapat ditentukan dari grafik atau menggunakan korelasi untuk jenis penukar kalor
tertentu. Kemudian laju perpindahan panas Q dan temperatur keluaran Th,out dan
Tc,out dapat ditentukan, sehingga tidak memerlukan proses iterasi.
Gambar 2.9. Efektivenes penukar kalor pipa ganda aliran berlawanan arah
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
40
Alternatif lain, dapat juga ditentukan dari metode ?-NTU dengan pertama
kali mengevaluasi efektivenes ? dari persamaan (2.54), dan kemudian NTU dapat
ditentukan dari hubungan untuk jenis penukar kalor tertentu. Untuk penukar kalor
pipa konsentrik aliran berlawanan arah (counter flow) korelasi untuk NTU sebagai
berikut :
-
ln -
- (2.65)
Dalam prakteknya, untuk menyatakan penurunan tekanan untuk semua
jenis internal flow ( aliran laminar atau turbulen, pipa bulat atau tidak bulat,
permukaan halus atau kasar) dengan persamaan :
(2.66)
dimana besaran tanpa dimensi f adalah faktor gesekan Darcy (Darcy friction
factor). Penurunan tekanan (? P) yang terjadi pada aliran di pipa dalam ditentukan
dari perbedaan ketinggian fluida dalam manometer pipa U, dimana ? P dinyatakan
dengan persamaan :
? P = ?m.g. ? h (2.67)
dimana :
? P = penurunan tekanan (Pa)
? m = densitas fluida manometer (kg/m3)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
? h = beda ketinggian fluida manometer (m)
Gambar 2.10 Skema pengukuran penurunan tekanan pada penukar kalor
pipa konsentrik ( Kuncoro, 2011)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
41
Sehingga faktor gesekan (f) dihitung menggunakan persamaan (2.68) sebagai
berikut :
f = ? 3? / W
GL?? ?
9 � ? (2.68)
dimana :
f = faktor gesekan
? P = penurunan tekanan (Pa)
Lt = panjang jarak titik pengukuran penurunan tekanan di pipa dalam (m)
di = diameter dalam pipa dalam (m)
? = densitas fluida di pipa dalam (kg/m3)
V = kecepatan rata-rata fluida di pipa dalam (m/s)
Jika penurunan tekanan (? P) telah diketahui, maka daya pemompaan, ? ?? ? ? ? ,
dapat ditentukan dari :
: ?SXPS 9?̈ 3 (2.69)
dimana ?? adalah laju aliran volumetrik aliran fluida (m3/s).
Parameter paling penting untuk desain penukar kalor adalah efisiensi
peningkatan perpindahan panas (? ). Efisiensi peningkatan perpindahan panas (? )
dianalisa dibawah kondisi daya pemompaan (pumping power) yang konstan,
antara pipa tanpa twisted tape insert (plain tube) dengan pipa dengan twisted tape
insert (inserted tube). Untuk daya pemompaan yang konstan, berlaku :
?9??3 ?S �?9??3 ?
V (2.70)
dimana :
??���= laju aliran volumetrik fluida di pipa dalam (m3/s)
? P = penurunan tekanan di pipa dalam (Pa)
p = plain tube (pipa tanpa twisted tape insert)
s = swirl generator (pipa dengan twisted tape insert)
Dimana hubungan antara faktor gesekan (f) dengan bilangan Reynolds (Re) dapat
dinyatakan sebagai berikut :
?�I �5 H ?S ��?�I �5 H ?
V (2.71)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
42
Efisiensi peningkatan perpindahan panas (? ) didefinisikan sebagai
perbandingan antara koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dari pipa
dengan twisted tape insert dengan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata
dari pipa tanpa twisted tape insert pada daya pemompaan yang konstan.
? = ? KV
KS?
SS (2.72)
dimana :
? = unjuk kerja termal
hs = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dengan twisted tape
insert (W/m2.oC)
hp = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata tanpa twisted tape
insert (W/m2.oC)
pp = daya pemompaan konstan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
43
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat Penelitian
Tempat penelitian ini dilakukan di Laboratorium Termodinamika dan
Perpindahan Panas Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas
Maret Surakarta.
3.2 Bahan Penelitian
? Bahan penelitian adalah fluida berupa air.
3.3 Alat Penelitian
Spesifikasi alat penelitian :
a) Alat penukar kalor saluran persegi bercelah sempit
? Konstruksi : penukar kalor pipa konsentrik satu laluan (one pass concentric
tube heat exchanger)
? Bahan pipa :
- Pipa dalam dan pipa luar : Aluminium
? Dimensi
- pipa dalam : sisi luar = 15,90 mm
sisi dalam = 14,80 mm
- pipa luar : sisi luar = 22,70 mm
sisi dalam = 21,70 mm
- panjang seksi uji : 2.170 mm
- ukuran celah annulus : 5,8 mm
- diameter hidrolik annulus : 11,6 mm.
? Jarak pengukuran penurunan tekanan di pipa dalam : 2.255 mm.
? Arah aliran : counter flow
- Pipa dalam : air panas dengan arah aliran horisontal
- Pipa luar /annulus : air dingin aliran horisontal berlawanan arah dengan
aliran air panas.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
44
Gambar 3.1. Skema penukar kalor pipa konsentrik satu laluan dengan twisted tape insert.( Kuncoro, 2011 )
14,80
15,90
21,70
22,70
2255
2170
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
45
Gambar 3.2. Penukar kalor pipa konsentrik satu laluan.
b) Sisipan pita terpilin (Twisted tape insert)
Classic twisted tape insert terbuat dari bahan aluminium strip dengan tebal 0,7
mm dan lebar 12,6 mm yang dipuntir sedemikian rupa sehingga berbentuk sebuah
pilinan yang mempunyai panjang pitch 59,3 mm dan twist ratio-nya sebesar 4,0.
Sedangkan oblique teeth twisted tape insert terbuat dari bahan dan ukuran yang
sama dengan classic twisted tape insert, dengan panjang pitch 59,3 dan twist ratio
4,0. Pada setiap variasi oblique teeth twisted tape insert mempunyai ukuran tooth
horizontal length yang sama sebesar 8 mm dan oblique teeth twisted tape insert
divariasi nilai tooth angle sebesar 15°, 30°, dan 45°. Keempat jenis twisted tape
insert yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada gambar 3.3.
(a)
(b)
(c)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
46
(d)
Gambar 3.3. Variasi twisted tape insert a). Classic twisted tape insert; b). oblique teeth twisted tape insert (tooth angle 15°); c). oblique teeth twisted tape insert (tooth angle 30°); d.) oblique teeth twisted tape insert (tooth angle 45°)
c). Flange
Flange ini terbuat dari bahan nylon yang berfungsi untuk menyangga pipa
dalam dan pipa luar. Flange dibuat melalui proses pengeboran dan pembubutan
dari nylon yang berbentuk silinder. Nylon dibor dalam hingga mencapai diameter
yang diinginkan, seperti ditunjukan pada gambar 3.4 di bawah:
90°
60,00
17,2
0
23,0
5
21,7
5
9,33
9,33
6,00
30,0010,00
30,0
0
(a)
(b)
Gambar 3.4. (a) Gambar detail flange, (b) Flange setelah dilakukan proses pembubutan.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
47
Gambar 3.5. Instalasi alat penelitian tampak depan.
Keterangan gambar 3.5 :
1. Penukar kalor 2. Bak air panas 3. Bak air dingin atas 4. Rotameter 5. Manometer 6. Temperature controller 7. MCB pompa air dingin dan air panas 8. Penjebak air 9. Stop valve
d) Termokopel
Untuk mengukur temperatur, digunakan termokopel tipe-K. Tipe K
?Chromel (Ni-Cr alloy)/Alumel (Ni-Al alloy)? tersedia untuk rentang suhu -200 °C
hingga ± 1.200 °C. Termokopel ini dipasang pada sisi pipa dalam (untuk
mengukur temperatur air panas masuk dan keluar dari pipa dalam), pada dinding
5 1
8
3
4 7
2
6
9
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
48
luar pipa dalam berjumlah 10 buah (untuk mengukur temperatur rata-rata dinding
luar pipa dalam), dan pada sisi keluar dan masuk air dingin di annulus.
Pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air masuk dan keluar
penukar kalor baik itu untuk air dingin maupun air panas, dan mengukur
tamperatur dinding luar pipa dalam dapat dilihat pada gambar 3.6 dan gambar 3.7
berikut ini :
Gambar 3.6. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air masuk dan
keluar di pipa dalam dan di annulus.
Gambar 3.7. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur
dinding luar pipa dalam.
Gambar 3.8. Pemasangan termokopel pada penukar kalor sejumlah 14 titik pemasangan
e) Thermocouple reader
Alat ini digunakan untuk menunjukkan temperatur yang diukur oleh
termokopel.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
49
Gambar 3.9. Thermocouple reader.
f) Temperature controller dan contactor atau relay
Temperature controller digunakan untuk menjaga temperatur air panas
yang akan masuk ke pipa dalam agar konstan. Contactor atau relay dihubungkan
dengan temperature controller dan digunakan untuk memutus dan menyambung
arus listrik yang diatur oleh temperature controller.
Gambar 3.10. Temperature controller
g) Pemanas air elektrik (electric water heater)
Pemanas ini berfungsi untuk memanaskan air dalam tangki air panas.
Pemanas yang digunakan berjumlah 10 buah dengan total daya yang dipakai
adalah 5.000 Watt.
h) Tandon air
Tandon digunakan untuk menampung air panas dan air dingin sementara
sebelum masuk penukar kalor.
i) Pompa sentrifugal
Pompa sentrifugal digunakan untuk memompa air dari tangki air masuk ke
dalam alat penukar kalor melalui pipa – pipa. Pompa yang digunakan sebanyak
dua buah yaitu untuk memompa air panas dan air dingin.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
50
Tabel 3.1. Spesifikasi pompa
Model AQUA 125 A – pompa sumur dangkal ( non otomatis )
Kapasitas Max : 37 ltr/min Size : 1”x1”
Daya hisap : 9 meter OUTPUT : 125 Watt
Daya dorong : 15 meter V/HZ/PH : 220/50/1
Total Head : 24 meter RPM : 2850
j) Flowmeter
Flowmeter digunakan untuk mengukur debit aliran air panas sebelum masuk
ke pipa dalam dari penukar kalor. Flowmeter diletakkan di antara saluran
bypass dengan pipa sebelum masuk pipa dalam dari penukar kalor.
Spesifikasi flowmeter :
? Acrylic cover with linear scale
? Glass : - Borosilite
? Measuring span : - 1:10
? Suitable for on line instalation
? Centre to Centre Distance : - 100 mm to 300 mm
? Range between – 26 – 260 to 185 – 1850 NLPH of Water
? Various Materials of Constructions :- MS / SS304 / SS316 / Brass.
? Connections :- 1/4 BSP / NPT (F) Back - Back / Bottom – Top
? Accuracy :- +/- 2% of full scale.
? Powder coated finis
Gambar 3.11. Flowmeter
k) Penjebak Air
Penjebak air digunakan agar air dari pipa dalam tidak masuk ke manometer.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
51
l) Manometer
Manometer pipa U ini terbuat dari selang plastik yang berfungsi untuk
mengukur perbedaan tekanan aliran air pada sisi pipa dalam. Fluida manometer
yang digunakan adalah air.
m) Stopwatch
Stopwatch digunakan untuk mengukur selang waktu yang diperlukan
untuk menampung air yang keluar dari annulus dalam jumlah tertentu dengan
menggunakan ember.
n) Timbangan digital (digital scale)
Digunakan untuk menimbang massa air yang tertampung sementara dalam
ember selama selang waktu tertentu untuk mengetahui laju aliran massa air di
annulus.
Gambar 3.12. Timbangan digital
o) Stop kran
Stop kran ini dari bahan tembaga yang digunakan untuk mengatur debit
aliran air. Sedangkan cara penggunaannya dengan cara diputar untuk mengatur
debit yang akan diinginkan..
p) Ball valve
Ball valve ini digunakan ketika akan mengukur laju aliran massa air dingin
yang keluar dari annulus sebelum dibuang.
q) Rangka dan pipa – pipa saluran air
Rangka dari plat besi yang disusun sedemikian rupa menggunakan mur
dan baut ukuran M12 dan rangkaian ini digunakan sebagai penopang dan untuk
meletakkan penukar kalor. Sedangkan pipa – pipa saluran air ini berasal dari
bahan PVC berdiameter ¾ inchi dan digunakan untuk mempermudah aliran air
masuk ke dalam alat penukar kalor.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
52
3.4. Prosedur Penelitian
Peralatan penelitian terdiri dari 3 sistem, yakni sistem pengukuran, sistem
lintasan pipa dalam, dan sistem lintasan aliran annulus. Lintasan pipa dalam
adalah sebuah lintasan tertutup. Air panas yang berada dalam tangki air panas
digerakkan oleh pompa air, panas, mengalir melewati seksi uji (pipa dalam) dan
kembali ke tangki air panas. Pemanas air elektrik dikontrol dengan
thermocontroller untuk mempertahankan temperatur konstan dalam tangki air
panas. Lintasan aliran pada annulus adalah lintasan terbuka. Aliran air dingin di
annulus menggunakan metode gravitasi, di mana aliran air dingin berasal dari
tandon air dingin yang dipasang di atas. Air dingin yang keluar dari seksi uji
langsung dibuang.
3.4.1 Tahap Persiapan
1 Mempersiapkan dan memasang seluruh alat yang digunakan dalam
pengujian, seperti: pompa sentrifugal, penukar kalor, thermocontroller,
pemanas air elektrik, manometer, tangki air dingin, tangki air panas dan
alat pendukung lainnya.
2 Memastikan bahwa tidak ada kebocoran pada alat penelitian baik itu
pada pipa–pipa saluran, sambungan, selang, seksi uji, atau pada bagian
yang lain.
3 Memastikan bahwa semua termokopel telah dipasang sebelumnya dan
semua termokopel telah dihubungkan dengan thermocouple reader.
4 Memastikan bahwa ketinggian permukaan air pada manometer adalah
sama.
3.4.2 Tahap Pengujian
Pada penelitian ini, sebagai perbandingan diuji penukar kalor tanpa
penambahan twisted tape insert di pipa dalam (plain tube), dan dengan
penambahan classic twisted tape insert.
Prosedur yang dilakukan dalam pengambilan data penelitian berdasarkan variasi
bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam (inner tube) adalah sebagai berikut :
3.4.2.1. Pada penukar kalor tanpa twisted tape insert (plain tube).
1. Menyalakan pemanas air elektrik yang berada di tangki air panas dan
menyetel thermocontroller pada temperatur 60oC
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
53
2. Menyalakan pompa air panas
3. Mengatur debit aliran air panas di pipa dalam, debit aliran air panas di pipa
dalam terbaca pada flowmeter
4. Menyalakan pompa air dingin untuk mengalirkan air dingin ke tandon atas
5. Membuka penuh katup yang mengatur aliran air dingin yang berasal dari
tandon atas ke annulus, sehingga diperoleh satu laju aliran massa air
konstan di annulus. Laju aliran massa air di annulus diperoleh dengan cara
menimbang air yang keluar annulus dalam selang waktu tertentu
6. Setelah temperatur air yang masuk ke pipa dalam telah mencapai 60oC
maka dilakukan pengambilan data berupa temperatur air panas masuk dan
keluar pipa dalam, temperatur air dingin masuk dan keluar annulus,
temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam, dan beda ketinggian air di
manometer hingga diperoleh kondisi tunak (steady state). Sementara itu,
temperatur air yang masuk ke pipa dalam dijaga konstan 60oC
7. Mematikan pompa air panas sementara itu pompa air dingin tetap menyala
untuk menetralkan penukar kalor ke kondisi semula
8. Menetralkan penukar kalor dengan cara mengalirkan air dingin pada sisi
pipa dalam dan saluran annulus hingga diperoleh kondisi netral, ditandai
dengan temperatur masuk dan keluar pipa dalam dan annulus berupa
temperatur air kondisi temperatur lingkungan
9. Memastikan ketinggian permukaan air pada manometer adalah sama untuk
pengambilan data variasi debit aliran air panas di pipa dalam berikutnya
10.Mengulangi langkah 1 sampai 9 untuk variasi debit aliran air panas di pipa
dalam berikutnya hingga diperoleh ±15 variasi debit aliran air panas di
pipa dalam.
11.Setelah percobaan selesai, mematikan pompa dan seluruh unit kelistrikan.
3.4.2.2 Pada penukar kalor dengan twisted tape insert.
1. Menyisipkan classic twisted tape insert (twisted tape insert without
oblique teeth) ke dalam pipa dalam.
2. Menyalakan pemanas air elektrik yang berada di tangki air panas dan
menyetel thermocontroller pada temperatur 60oC
3. Menyalakan pompa air bagian pipa dalam
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
54
4. Mengatur debit aliran air panas di pipa dalam sama seperti pengujian
penukar kalor tanpa twisted tape insert. Debit aliran air panas di pipa
dalam terbaca pada flowmeter
5. Menyalakan pompa air dingin untuk mengalirkan air dingin ke tandon atas
6. Membuka penuh katup yang mengatur aliran air dingin ke annulus,
sehingga diperoleh satu laju aliran massa air konstan di annulus. Laju
aliran massa air di annulus diperoleh dengan cara menimbang air yang
keluar annulus dalam selang waktu tertentu
7. Setelah temperatur air yang masuk ke pipa dalam telah mencapai 60oC,
maka dilakukan pengambilan data berupa temperatur air panas masuk dan
keluar pipa dalam, temperatur air dingin masuk dan keluar annulus,
temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam, dan beda ketinggian air di
manometer hingga diperoleh kondisi tunak (steady state). Sementara itu,
temperatur air yang masuk ke pipa dalam dijaga konstan 60oC
8. Mematikan pompa air panas sementara itu pompa air dingin tetap menyala
untuk menetralkan penukar kalor ke kondisi semula
9. Menetralkan penukar kalor dengan cara mengalirkan air dingin pada sisi
pipa dalam dan saluran annulus hingga diperoleh kondisi netral, ditandai
dengan temperatur masuk dan keluar pipa dalam dan annulus berupa
temperatur air kondisi temperature lingkungan
10.Memastikan ketinggian permukaan air pada manometer adalah sama untuk
pengambilan data variasi debit aliran air panas di pipa dalam berikutnya
11.Mengulangi langkah 2 sampai 10 untuk variasi debit aliran air panas di
pipa dalam berikutnya hingga diperoleh ± 15 variasi debit aliran air panas
di pipa dalam. Debit aliran air panas yang divariasi sama dengan debit
aliran air panas saat pengujian dengan penukar kalor tanpa twisted tape
insert
12. Mengulangi langkah 1 sampai 11 untuk oblique teeth twisted tape insert
(tooth angle 15°).
13. Mengulangi langkah 1 sampai 11 untuk oblique teeth twisted tape insert
(tooth angle 30°).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
55
14. Mengulangi langkah 1 sampai 11 untuk oblique teeth twisted tape insert
(tooth angle 45°).
13. Setelah percobaan selesai, mematikan pompa dan seluruh unit kelistrikan.
3.5. Metode Analisis Data
Dari data yang telah diperoleh, yaitu berupa temperatur air masuk dan
keluar pipa dalam dan annulus, temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam,
beda ketinggian air di manometer dan laju aliran massa air di annulus (konstan)
dan debit aliran air di pipa dalam, selanjutnya dapat dilakukan analisis data yaitu
dengan:
a. Menentukan sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus
b. Menghitung laju aliran massa air di pipa dalam dan di annulus (? ?) c. Menghitung laju perpindahan panas (�? ) dan (�?)
d. Menghitung persentase kesalahan kesetimbangan energi.
e. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus
(? ? )
f. Menghitung angka Nusselt rata-rata di sisi annulus (�? ? )
g. Menghitung koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan
dalam pipa dalam (�?) h. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam
(? ?) i. Menghitung angka Nusselt rata-rata di pipa dalam (�? ?) j. Menghitung bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam (Re)
k. Menghitung efektivitas penukar kalor (e)
l. Menghitung Number of Transfer Units (NTU)
m. Menghitung penurunan tekanan (?P)
n. Menghitung faktor gesekan ( f )
o. Menghitung unjuk kerja termal (? ).
Dari perhitungan tersebut dapat dibuat grafik–grafik hubungan Nu,i - Re,
Nu/Nup - Re, ? P - Re, f vs Re, f/fp – Re, e – NTU dan ? - Re. Dari hasil
penelitian ini nanti juga dibandingkan dengan korelasi empirik yang telah ada.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
56
3.6. Diagram Alir Penelitian
Mulai
Alatpenukarkalorpipakonsentriksaluran annular
Pengambilan data: ? Debit air panas dan laju aliran
massa air dingin di annulus. Indikator: Konstan
? Temperatur air dan temperatur dinding luar pipa dalam. Indikator : 1. Th in > Th out 2. Tc in < Tc out
? Beda ketinggian air manometer Indikator : Tekanan pada sisi inlet > Tekanan pada sisi outlet
Analisis data: a. Menentukan sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus b.Menghitung laju aliran massa air di pipa dalam ( ? ?? c. Menghitung laju perpindahan panas (�? ) dan (�?) d.Menghitung persentase kesalahan keseimbangan energi e. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus (? ? ) f. Menghitung bilangan nusselt rata-rata di sisi annulus (�? ? ) g.Menghitung koefisien perpindahan panas overall (�?) h.Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (? ?) i. Menghitung angka Nusselt rata-rata di pipa dalam (�? ?) j. Menghitung bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam (Re) k.Menghitung efektivitas penukar kalor (e) l. Menghitung number of transfer units (NTU) m.Menghitung penurunan tekanan (?P) n. Menghitung fator gesekan ( f ) m. Menghitung unjuk kerja termal (? )
Variasi: Bilangan Reynolds di pipa dalam tanpa twisted tape insert
Variasi: Bilangan Reynolds di pipa dalam dengan classic twisted tape insert
Variasi: Bilangan Reynolds di pipa dalam dengan oblique teeth twisted tape insert (tooth angle 15o), (tooth angle 30o), dan (tooth angle 45o)
Kesimpulan
Selesai
Mulai
Alat penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi satu laluan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
57
BAB IV
DATA DAN ANALISIS
Di dalam bab ini akan dibahas dan dianalisis mengenai pengaruh variasi
bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan pengaruh penambahan oblique
teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°,30° dan 45° di pipa dalam dari
penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi terhadap karakteristik perpindahan
panas dan faktor gesekannya.
Penelitian ini dilakukan dengan membuat variasi bilangan Reynolds aliran
air di pipa dalam dengan variasi debit 2 - 10 LPM untuk pipa tanpa twisted tape
insert, sedangkan untuk pipa dalam dengan oblique teeth twisted tape insert
variasi bilangan Reynolds pada debit 2 - 8,5 LPM. Pengujian dilakukan dengan
menjaga temperatur air panas masukan pada pipa dalam adalah konstan 60oC,
sedangkan air dingin masuk ke annulus dengan temperatur ± 28oC. Data yang
diperoleh dalam pengujian ini, yaitu temperatur air masuk dan keluar pipa dalam,
temperatur air masuk dan keluar annulus, temperatur dinding luar pipa dalam,
laju aliran massa air di pipa dalam dan annulus, dan penurunan tekanan pada sisi
pipa dalam. Tiap variasi pengujian, data diambil setiap 10 menit hingga diperoleh
kondisi tunak (steady state). Data-data pada kondisi tunak ini yang akan
digunakan dalam perhitungan dan analisa data penelitian.
4.1 Data Hasil Pengujian
Dari hasil pengamatan laju aliran massa air di annulus (? ??) dan penurunan
tekanan di sisi pipa dalam (? P), temperatur air panas masuk (Thi) dan keluar (Tho)
pipa dalam, dan temperatur air dingin masuk (Tci) dan temperatur air keluar (Tco)
annulus, serta temperatur dinding luar pipa dalam (Tw) saat pengujian pada
kondisi tunak, diperoleh data seperti pada Tabel 4.1, 4.2, 4.3 dan 4.4 dan 4.5
sebagai berikut :
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
58
Tabel 4.1.Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam pada variasi tanpa twisted tape insert (plain tube).
?? Th,i Th,o Tc,i Tc,o T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 ? h (LPM) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (m)
2,0 60,3 42,3 28,0 31,7 44,9 40,4 37,8 36,5 36,4 35,4 35,0 33,1 32,4 32,0 0,0070 2,5 60,0 42,7 27,1 31,6 46,8 41,8 39,7 38,5 38,3 37,4 36,6 34,4 32,7 31,6 0,0100 3,0 60,2 43,5 27,5 32,7 46,4 42,3 40,0 39,0 38,6 38,3 35,8 35,7 34,0 32,7 0,0150 3,5 60,3 44,6 27,3 33,0 48,0 43,9 41,9 40,4 39,5 39,4 37,4 36,8 35,5 32,9 0,0200 4,0 60,0 45,0 27,0 33,2 46,8 43,4 42,6 40,9 40,1 40,1 37,5 37,5 35,9 33,4 0,0240 4,5 60,3 46,4 27,3 33,8 50,3 45,3 44,6 43,8 43,4 42,6 39,1 38,6 37,1 34,0 0,0280 5,0 60,4 46,9 28,2 35,2 50,2 45,5 45,1 44,4 43,6 43,1 39,8 39,0 37,5 34,2 0,0360 5,5 60,2 47,3 27,9 35,3 50,9 47,0 46,1 44,0 43,5 42,4 40,7 39,2 38,8 35,0 0,0400 6,0 60,2 47,6 27,6 35,4 47,1 46,7 45,8 44,8 44,1 43,4 41,5 40,5 39,8 36,1 0,0460 6,5 60,4 48,0 27,2 35,6 51,5 46,8 46,8 45,1 44,9 44,1 41,7 39,6 39,0 35,6 0,0550 7,0 60,0 48,1 27,0 35,5 48,0 47,6 46,8 45,5 45,1 43,7 41,7 40,3 39,9 36,2 0,0630 7,5 60,5 48,5 26,9 36,3 51,8 48,0 47,3 46,1 46,0 43,2 42,1 40,0 39,7 35,6 0,0720 8,0 60,0 49,1 27,3 36,4 49,4 49,1 48,6 46,8 46,2 44,9 43,8 41,7 41,4 36,9 0,0800 8,5 60,0 49,9 28,3 37,2 52,4 49,4 49,0 47,4 47,0 45,7 44,8 42,8 42,7 37,9 0,0880 9,0 60,0 50,0 27,8 37,1 52,0 50,3 49,3 47,8 47,6 45,9 44,8 43,0 42,6 37,5 0,0930 9,5 60,3 51,0 28,5 37,6 55,0 50,4 50,0 48,9 48,6 46,9 46,5 43,9 43,5 39,3 0,1000 10,0 60,5 51,2 29,0 38,6 55,2 50,7 50,4 49,3 48,8 47,6 47,0 44,2 43,3 39,1 0,1150
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
59
Tabel 4.2. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam pada variasi dengan classic twisted tape insert.
?? Thi Tho Tci Tco T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 ? h
(LPM) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (m) 2,0 60,5 40,3 28,5 32,0 40,1 39,8 38,6 37,4 37,2 36,4 34,6 32,9 32,6 30,5 0,020 2,5 60,1 41,5 28,7 32,9 41,5 41,1 39,7 39,2 38,8 38,2 36,8 33,8 33,7 31,8 0,030 3,0 60,2 42,4 28,8 33,4 42,3 41,7 41,3 40,0 39,7 38,7 38,6 34,9 34,7 32,6 0,040 3,5 60,1 43,0 28,0 33,2 43,3 42,7 42,4 40,6 39,3 39,0 37,9 35,1 35,1 32,7 0,050 4,0 60,3 43,8 28,0 33,7 44,3 43,5 42,8 41,6 40,3 39,9 38,8 36,0 35,7 33,1 0,060 4,5 60,1 44,9 28,4 34,3 45,4 44,4 44,2 42,7 41,4 41,1 39,7 36,8 36,8 33,7 0,075 5,0 60,1 44,6 27,0 33,8 44,8 43,9 43,3 42,0 40,9 40,6 39,0 36,2 36,0 33,0 0,085 5,5 60,0 45,9 28,2 34,9 46,2 45,5 45,2 43,5 42,3 42,2 41,9 37,8 37,4 34,2 0,101 6,0 60,0 46,4 28,4 35,4 46,8 45,8 45,5 44,0 42,9 42,5 41,7 38,1 37,8 35,0 0,121 6,5 60,0 46,8 28,0 35,7 47,9 47,2 45,9 44,7 43,4 43,2 42,5 38,8 38,4 34,9 0,133 7,0 60,0 47,5 27,8 35,5 48,4 47,5 46,8 45,6 44,1 43,8 43,1 39,7 38,8 35,7 0,154 7,5 60,1 47,8 28,0 36,3 48,3 48,0 47,1 46,0 44,6 44,3 42,4 40,7 39,3 36,2 0,170 8,0 60,2 49,0 28,8 36,8 49,3 49,2 47,9 46,8 45,3 45,2 43,5 41,2 40,0 36,8 0,180 8,5 60,3 49,4 29,0 37,4 49,8 49,6 47,7 47,4 46,1 45,7 44,2 42,0 41,5 37,8 0,200
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
60
Tabel 4.3. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam pada variasi dengan oblique teeth twisted tape insert (tooth angle 15°).
?? Thi Tho Tci Tco T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 ?h
(LPM) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (m) 2,0 60,1 40,4 29,0 32,6 42,2 41,4 40,0 39,6 37,2 36,6 34,8 33,6 33,4 32,3 0,021 2,5 60,1 41,2 28,4 32,7 42,5 41,8 40,4 40,3 37,1 36,8 35,9 33,9 33,6 32,4 0,031 3,0 60,1 42,2 28,5 33,5 43,6 42,7 42,6 41,1 38,5 38,4 37,2 34,8 34,7 32,7 0,042 3,5 60,1 43,0 28,2 33,6 43,8 43,5 43,4 41,7 39,9 39,3 37,9 35,2 34,7 32,7 0,054 4,0 60,1 43,9 28,3 34,3 44,8 44,7 44,1 43,3 42,5 40,4 40,0 36,0 35,7 33,4 0,068 4,5 60,1 44,7 28,6 34,9 45,6 45,5 45,2 43,3 42,2 40,7 40,3 36,8 36,6 33,8 0,076 5,0 60,1 45,2 28,3 34,9 46,2 46,0 45,2 43,9 41,7 41,3 39,6 37,5 37,4 34,4 0,089 5,5 60,2 45,7 28,2 35,3 46,9 46,7 46,4 44,2 42,1 41,5 40,4 38,1 37,3 34,5 0,105 6,0 60,2 45,8 27,2 34,9 46,7 46,3 46,2 44,3 42,7 42,2 40,2 37,9 37,0 34,4 0,123 6,5 60,1 46,8 28,1 35,6 47,7 47,1 46,5 45,3 43,4 42,2 41,5 38,8 38,3 35,6 0,136 7,0 60,2 47,4 28,5 36,3 48,3 47,8 47,0 45,8 43,9 43,9 42,1 39,6 38,9 35,7 0,158 7,5 60,3 47,8 28,1 36,2 48,4 48,1 47,0 46,0 44,3 43,8 42,4 39,9 39,2 35,8 0,175 8,0 60,2 48,1 27,6 36,1 48,9 48,4 48,2 46,5 44,6 43,0 42,9 40,3 39,7 35,6 0,190 8,5 60,2 48,8 28,6 37,1 49,4 49,1 47,3 46,8 45,8 44,7 43,8 40,5 40,5 37,1 0,215
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
61
Tabel 4.4. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam pada variasi dengan oblique teeth twisted tape insert (tooth angle 30°).
?? Thi Tho Tci Tco T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 ? h
(LPM) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (m) 2,0 60,1 39,0 28,4 32,8 49,2 41,3 39,6 38,2 35,7 35,1 34,6 34,4 31,9 31,0 0,0220 2,5 60,1 40,9 28,6 32,9 42,2 41,4 40,8 38,3 37,5 36,8 35,8 35,3 32,7 31,8 0,0320 3,0 60,1 42,4 28,6 33,2 42,9 42,8 42,7 39,6 39,0 37,8 37,0 36,1 33,9 32,3 0,0430 3,5 60,3 43,2 28,4 33,7 43,9 43,8 43,7 40,4 40,2 39,7 38,1 36,2 34,8 32,9 0,0580 4,0 60,1 44,2 28,8 34,3 44,9 44,8 44,5 41,0 40,8 40,6 39,5 37,4 35,6 33,4 0,0700 4,5 60,3 44,3 28,1 34,6 46,0 45,4 44,8 41,6 41,4 41,0 39,9 37,3 36,2 33,5 0,0780 5,0 60,3 45,6 28,5 35,0 46,7 46,7 45,8 42,8 42,8 42,6 40,9 38,4 37,6 34,5 0,0910 5,5 60,3 46,0 28,6 35,6 47,4 47,1 46,1 43,5 43,5 43,3 41,4 38,8 37,8 34,9 0,1100 6,0 60,3 46,5 28,6 36,0 47,9 47,8 47,0 44,1 43,9 43,9 42,0 39,1 38,5 35,6 0,1300 6,5 60,2 47,0 28,5 36,1 48,3 48,0 46,9 44,7 44,6 42,7 41,8 39,7 39,4 35,9 0,1420 7,0 60,1 47,4 28,8 36,8 49,1 48,7 47,6 45,6 45,2 43,2 42,9 40,0 39,8 36,6 0,1640 7,5 60,1 47,9 28,2 36,4 49,2 48,9 47,5 45,7 45,6 43,3 43,0 41,1 40,8 36,2 0,1830 8,0 60,1 48,3 28,6 37,1 49,7 48,5 48,3 46,5 46,3 44,6 43,9 41,0 40,8 37,1 0,2010 8,5 60,4 48,9 28,6 37,5 50,0 49,9 48,7 46,8 46,8 45,3 44,8 41,3 40,8 37,0 0,2210
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
62
Tabel 4.5. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam pada variasi dengan oblique teeth twisted tape insert (tooth angle 45°).
?? Thi Tho Tci Tco T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 ? h (LPM) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (m)
2,0 60,3 39,0 29,0 33,0 40,7 40,6 39,4 38,4 38,1 37,3 35,4 34,6 32,9 31,5 0,0240 2,5 60,3 40,1 28,0 32,6 41,3 41,1 40,5 38,7 37,7 36,9 35,7 35,4 33,0 31,7 0,0330 3,0 60,1 41,7 28,6 33,7 43,5 42,6 41,8 40,8 39,3 38,4 37,8 37,0 34,6 32,8 0,0450 3,5 60,3 42,8 28,8 34,6 44,6 43,3 43,2 41,6 40,0 39,2 38,8 38,8 35,6 33,0 0,0600 4,0 60,1 43,3 28,3 34,8 44,9 44,8 44,6 42,3 41,3 39,7 39,5 39,1 35,6 33,1 0,0750 4,5 60,1 43,8 27,2 33,8 45,4 44,6 44,0 43,0 41,0 39,7 39,7 38,9 35,4 32,7 0,0910 5,0 60,3 45,0 28,1 35,2 47,0 46,0 45,8 44,7 42,9 41,7 41,4 40,2 36,8 34,1 0,1090 5,5 60,1 45,6 28,4 35,8 47,6 46,6 46,5 45,3 43,8 42,0 41,3 40,7 37,9 34,7 0,1250 6,0 60,1 46,1 28,3 36,0 47,8 47,0 47,0 45,5 44,2 42,8 42,5 42,3 38,3 34,8 0,1400 6,5 60,1 47,1 28,8 36,2 48,8 47,8 47,2 45,3 45,3 43,1 43,0 41,2 38,8 35,8 0,1600 7,0 60,1 47,2 28,6 36,8 49,2 48,0 47,6 45,8 45,5 43,9 43,3 41,4 39,3 35,9 0,1850 7,5 60,1 47,8 28,6 36,8 48,4 48,4 48,0 46,5 45,6 43,7 43,6 41,7 39,5 36,1 0,2100 8,0 60,1 48,0 28,5 37,0 49,5 49,0 48,2 46,9 46,1 43,8 44,3 42,3 39,9 36,1 0,2300 8,5 60,1 48,7 29,6 38,4 50,1 49,8 49,6 48,2 48,2 45,8 45,3 42,3 41,3 37,6 0,2420
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
63
4.2 Perhitungan Data
Data seksi uji penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi :
? Massa jenis fluida manometer (?m) : 995,75 kg/m3
? Panjang pipa dalam antar flange : 2,170 m
? Panjang antar pressure tap (Lt) : 2,255 m
? Panjang sisi dalam pipa dalam (2a) : 1,48.10-2 m
? Panjang sisi luar pipa dalam (2b) : 1,59.10-2 m
? Panjang sisi dalam pipa luar (2c) : 2,17.10-2 m
? Panjang sisi luar pipa luar (2d) : 2,27.10-2 m
Gambar 4.1. Dimensi pipa dalam dan pipa luar penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi
? Luas permukaan dalam pipa dalam (Ai) :
Ai = 4.2a. L = 4 . 1,48.10-2 m . 2,170 m = 1,28.10-1 m2
? Luas permukaan luar pipa dalam (Ao)
Ao = 4.2b.L = 4 . 1,59.10-2 m . 2,170 m = 1,38.10-1 m2
? Luas penampang pipa dalam (At,i)
At,i = 2a. 2a = 1,48.10-2 m . 1,48.10-2 m = 2,19.10-4 m2
? Luas penampang pipa dalam dengan sisipan (At,s)
At,s = At,i – luas penampang twisted tape insert
At,s = 2,19.10-4 m2 – (0,0007 m x 0,0126 m)
At,s = 2,102.10-4 m2
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
64
4.2.1 Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju aliran
volumetrik 7 LPM pada variasi tanpa twisted tape insert (plain tube)
Data hasil pengujian :
- Temperatur air masuk pipa dalam (Th,i ) : 60,0oC
- Temperatur air keluar pipa dalam (Th,o) : 48,1oC
- Temperatur air masuk annulus (Tc,i) : 27,0oC
- Temperatur air keluar annulus (Tc,o) : 35,5oC
- Beda ketinggian air pada manometer (?h) : 63,0.10-3 m
- Laju aliran massa air masuk annulus (? ??) : 17,3 .10-2 kg/s
a. Sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus
? Temperatur bulk rata-rata air di pipa dalam :
Tb,i = 7KL 7KR =
?& = 54,1oC = 327,1 K
? Sifat-sifat air di pipa dalam pada Tb,i (Tabel A.6, Incropera,2006) :
? h = 986,19 kg/m3
Cp,h = 4.182,8 J/kg oC
ki = 0,647 W/m oC
? i = 5,12.10-4 kg/m s
Pr = 3,31
? Temperatur bulk rata-rata air di annulus :
Tb,o = 7FL 7FR =
?& = 31,3oC = 304,3 K
? Sifat-sifat air di annulus pada Tb,o (Tabel A.6, Incropera,2006) :
? c = 995,32 kg/m3
Cp,c = 4.178 J/kg oC
ko = 0,618 W/m oC
? = 7,8.10-4 kg/m s
b. Laju aliran massa air di pipa dalam,? ?? : ? ??= ?h . ??= 986,19 kg/m3 . ? / 3 0
V P? = 11,50.10-2 kg/s
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
65
c. Laju perpindahan panas :
Qh =�??? . Cp,h .(Th,i – Th,o)
= 11,5.10-2 kg/s . 4.182,8 J/kg oC . (60,0 – 48,1) oC
= 5.725,67 W
Qc = ? ?? . Cp ,c. (Tc,out – Tc,in)
= 17,3. 10-2 kg/s . 4.178 J/kg oC . (35,5 – 27,0) oC
= 6.143,97 W
d. Persentase kesalahan keseimbangan energi (heat balance error)
heat balance error = ?4 K- 4 F? = ? : �– : ? = 418,3 W
% heat balance error = ?4 K- 4 F4 K
?.100%
= ? ?.100% = 7,3 %
e. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus, ho :
7 wall = � � � � � � � � � � � � � � � � � �
= 43,5oC
ho = 4 F
$ R� 7? Z R- 7E R =
:- P �– ?&�
= 3649,3 W/m2 oC
f. Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus, Nuo :
Nuo = KR ' KD
NR =
�: P R&� -
: P R& = 34,25
g. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan
dalam pipa dalam, Ui :
Qh = ? ?? .Cp,h .(Th,i – Th,o) = Ui.Ai. ? TLMTD
Ui = P?K�&S K� ?7KL- 7KR?
$L ?7/ 0 7 ' =
4 K$ L ? 7 / 0 7 '
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
66
Ui = 4 K
$ L ? ?7 KL- 7F R?-?7KR- 7F L?OQ�??7 KL- 7 FR? ?7KR- 7 F L???
Ui = :
- P ? ? - ??&�– ? - ??&
OQ�?? - ??& ? - ??&??
= 1958,47 W/m2 oC
h. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam, hi :
hi = ?8 L
- DOQ E D?? ? - DE KR
? hi =
: P R&–
- P OQ�? - P- P
?: P R&
- PP �: P R&
hi = 3958,09 W/m2 oC
i. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan
luar pipa dalam, Uo :
8 R $ R
KL$ L
OQ?? ?? ?N/ KR $ R
Uo = E
D�KL
E OQ? ED?
NP KR
Uo = -
-
-
OQ ? -
- ? �
Uo = 1822,98 W/m2 oC
j. Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam, Nu,i :
Nui = KL ? KL
NL =
: P R&� - P
: P R& = 90,5
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
67
k. Bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam, Re :
Kecepatan rata-rata aliran air di pipa dalam, ? :
? = ??
$ WL =
/ 3 0 �P HQLW
V� P
/- P
= 0,533 m/s
Re = ?K ? ? KL
?
= NJ P P V - P �
- NJ P V
= 15.194,26
l. Validasi bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam untuk plain tube (Nu,i) :
? Menggunakan persamaan Gnielinski (1976):
Faktor gesekan menurut Petukhov :
ƒ = (0,79.ln Re – 1,64)-2
= (0,79. ln 15.194,26 - 1,64)-2
= 2,81.10-2
Nui,Gnelienski = ? ¦ ? ?5 H- ? 3U?¦ ? 3U -
=
? - ? ? - ?? - ? -
= 85,995
% error =?1 XL�3ODLQ�WXEH- 1 X�•????•?•?1 X•????•?•? ?.100%
% error = ? - ? .100%
= 5,23 %
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
68
? Menggunakan persamaan Petukhov
Nui,Petukhov = ?¦ ? 5 H� 3U?¦ ? 3U -
=
? - ?? - ? -
= 88,82
% error =?1 XL�3ODLQ�WXEH - 1 X3HWXNKRY
1 X3HWXNKRY?.100%
= ? – ?.100%
= 1,89 %
m. Penurunan tekanan dalam pipa, (?P):
? P = ? m.g. ? h
= 995,75 (kg/m3) .9,81 (m/s2).63,0.10-3 m.? 1
NJ P V? ? 3D
1 P?
= 615,40 Pa
n. Faktor gesekan, ƒ:
ƒ = ? 3
/ WGKL
?K YB
= 3D
PG -NJ P ? P V?
= -
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
69
o. Validasi faktor gesekan menggunakan persamaan Petukhov, Blassius dan
Colebrook
? Menggunakan persamaan Petukhov:
Diketahui faktor gesekan menurut Petukhov = 2,81.10-2
%error = ?¦ 3ODLQ�WXEH- ¦ 3HWXNKRY¦ 3HWXNKRY
? .100%
= ? - – -
-?.100%
= 2,49 %
? Persamaan Blasius:
ƒ = 0,3164. Re-0,25 = 0,3164. (15.194,26)-0,25 = 2,85.10-2
%error = ?¦ 3ODLQ�WXEH- ¦ %ODVLXV¦ %ODVLXV
?.100%
= ? - – -
-? .100%
= 1,05 %
? Persamaan Colebrook:
Faktor gesekan dengan persamaan Colebrook:
?? = 0,25 ?ORJ ?I '?5 H
? ?-
Kekasaran relatif pipa dalam, e/Dh = 0, dengan metode iterasi didapat data :
fColebrook = 2,87 . 10-2
%error = ?¦ 3ODLQ�WXEH- ¦ &ROHEURRN¦ &ROHEURRN
?.100%
= ? - – -
-? .100%
= 0,34 %
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
70
p. Efektifitas penukar kalor
Ch = ? ?? . Cp,h = 11,50. 10-2 kg/s . 4.182,8 J/kgoC = 481,022 J/s oC
Cc = ? ?? . Cp,c = 17,3 10-2 kg/s . 4.178 J/kgoC = 722,79 J/s oC
Ch< Cc , Cmin = Ch = 481,022 J/s oC ; Cmaks= Cc= 722,79 J/s oC
F = &P LQ
&P DNV = = 0,67
? = 4 K
4 P DNV =
4 K&P LQ 7KL- 7F L
= :
- V?&� – ?& = 0,36
NTU = 8 R $ R
&P LQ =
: P & - P
- V&� = 0,52
NTU = F-
ln ? Η-
ΗF-? = � -
ln ? -G -? = 0,52
Untuk perhitungan selanjutnya dengan menggunakan Classic Twisted
Tape Insert, dan Oblique Teeth Twisted Tape Insert 150, 300, dan 450
dipengaruhi oleh perbedaan perhitungan validasi bilangan Nusselt dan faktor
gesekan sebagai berikut :
Tabel 4.6. Perbedaan perhitungan validasi antara Plain Tube, Classic Twisted Tape Insert, dan Oblique Teeth Twisted Tape Insert 150, 300, dan 450 pada laju aliran
volumetrik 7 LPM
Variasi Validasi bilangan Nusselt pada pipa
dalam (Nu,i)
Validasi faktor gesekan
(f)
Plain
Tube
? Menggunakan Persamaan Pethukov :
Faktor gesekan menurut Petukhov :
ƒ = (0,79.ln Re – 1,64)-2
= (0,79. ln 15.194,26 - 1,64)-2
= 2,81.10-2
? Menggunakan Persamaan
Blasius :
? ƒ = 0,3164. Re-0,25
= 0,3164. (15.194,26)-0,2
= 2,85.10-2
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
71
? Nui, Petukhov = ?¦ ?5 H� 3U?¦ ? 3U -
= ? - ?
? - ? -
= 88,82
? % error
%error =?1 XL�3 ODLQ�WXEH- 1 X3HWXNKRY
1 X3HWXNKRY?.100%
= ? – ?.100%
= 1,89 %
%error = ?¦ 3ODLQ�WXEH- ¦ %ODVLXV
¦ %ODVLXV?.100%
=? - – -
- ? .100%
= 1,05 %
? Menggunakan Persamaan Gnielinski
(1976) :
? Nui,Gnelienski = ?¦ ??5 H- ? 3U?¦ ? 3U -
= ? - ? ? - ?
? - ? -
= 85,995
? % error
% error =�?1 XL�3ODLQ�WXEH- 1 X�*QLHOLQVNL
1 X* QLHOLQVNL?.100%
=�? - ? .100%
= 5,23 %
? Menggunakan Persamaan
Pethukov :
? Diketahui faktor gesekan
menurut Petukhov = 2,81.10-2
%error =�?¦ 3ODLQ�WXEH- ¦ 3HWXNKRY
¦ 3HWXNKRY? .100%
= ? - – -
- ?.100%
= 2,49 %
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
72
? Menggunakan Persamaan
Colebrook :
? Faktor gesekan dengan
persamaan Colebrook : ?? =0,25?ORJ ?I '?5H
??-
Kekasaran relatif pipa
dalam, e/Dh = 0, dengan
metode iterasi didapat data :
fColebrook = 2,87 . 10-2
%error = ?¦ 3ODLQ�WXEH- ¦ &ROHEURRN
¦ &ROHEURRN?.100%
= ? - – -
- ? .100%
= 0,34 %
Classic
Twisted
Tape
Insert
? Validasi bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam penukar kalor saluran persegi
dengan korelasi Manglik –Berges.� Ø2 = ? ?
?�- WGL? ??� - WGL
?�- WGL?
= ? ?
?--
-
? ?? --
-
?�--
-
?
= 1,16
Nu = 0,023. Re0,8 . Pr0,4[1+0,769 '
+ ] Ø2
= 0,023. 15.882,820,8. 3,330,4 [1+0,769.-
-]. 1,16
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
73
= 138,27
% error = ?1 XL�FODVVLF- 1 XL�0 DQJOLN-%HUJ HV
1 XL�0 DQJ OLN-%HUJ HV? .100%
= ? – ?100%
= 16,33 %
Oblique
Teeth
150
? Validasi bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam penukar kalor saluran
persegi dengan korelasi Manglik –Berges.
�Ø2 = ? ?
?�- WGL? ??� - WGL
?�- WGL?
= ? ?
?--
-
? ?? --
-
?�--
-
?
= 1,16
Nu = 0,023. Re0,8 . Pr0,4[1+0,769 '
+ ] Ø2
= 0,023. 15.882,330,8. 3,320,4 [1+0,769.-
-]. 1,16
= 138,1
% error = ?1 XL�2 WHHWK - 1 XL�0 DQJ OLN-%HUJ HV
1 XL�0 DQJOLN-%HUJ HV? .100%
= ? – ?100%
= 14,4 %
Oblique
Teeth
? Validasi bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam penukar kalor saluran persegi
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
74
300 dengan korelasi Manglik –Berges
Ø2 = ? ?
?�- WGL? ??� - WGL
?�- WGL?
= ? ?
?--
-
? ?? --
-
?�--
-
?
= 1,16
Nu = 0,023. Re0,8 . Pr0,4[1+0,769 '
+ ] Ø2
= 0,023. 15.882,810,8. 3,330,4 [1+0,769.-
-]. 1,16
= 124,26
% error = ?1 XL�2 WHHWK - 1 XL�0 DQJ OLN-%HUJ HV
1 XL�0 DQJOLN-%HUJ HV? .100%
= ? – ?100%
= 7,1 %
Oblique
Teeth
450
? Validasi bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam penukar kalor saluran
persegi dengan korelasi Manglik –Berges.� Ø2 = ? ?
?�- WGL? ??� - WGL
?�- WGL?
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
75
= ? ?
?--
-
? ?? --
-
?�--
-
?
= 1,16
Nu = 0,023. Re0,8 . Pr0,4[1+0,769 GL+
] Ø2
= 0,023. (13.569,19)0,8. (3,36)0,4[1+0,769.P
- � ?]. 1,16
= 124,51
% error = ?1 XL�2 WHHWK - 1 XL�0 DQJ OLN-%HUJ HV
1 XL�0 DQJOLN-%HUJ HV? .100%
=
87
Tabel 4.8. Data pengujian penukar kalor saluran persegi dengan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert pada daya pemompaan yang sama
Daya pemompaan
(W) Re Nu,i
Plain Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°) Plain Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°)
0,00650 6164,19 4075,95 3928,24 3873,90 3784,17 33,94 40,73 40,27 41,24 42,66 0,01220 7835,37 5249,95 5078,84 5005,42 4864,92 42,44 49,57 49,32 50,29 51,82 0,01950 9368,27 6339,16 6149,84 6058,10 5866,00 50,12 57,38 57,36 58,30 59,90 0,02850 10825,60 7383,90 7179,70 7069,91 6824,98 57,35 64,59 64,81 65,70 67,35 0,03900 12199,78 8376,18 8159,88 8032,59 7734,88 64,11 71,23 71,70 72,52 74,20 0,05490 13897,39 9610,51 9381,56 9232,05 8865,60 72,38 79,25 80,05 80,77 82,47 0,06910 15170,41 10541,64 10304,73 10138,18 9717,85 78,54 85,15 86,20 86,84 88,55 0,09030 16798,61 11738,82 11493,45 11304,65 10812,80 86,36 92,56 93,96 94,47 96,18 0,11810 18607,30 13076,23 12823,53 12609,50 12035,00 95,00 100,65 102,44 102,81 104,50 0,14060 19885,60 14025,82 13769,17 13537,00 12902,23 101,07 106,27 108,36 108,62 110,28 0,17530 21629,03 15326,34 15065,82 14808,51 14089,24 109,30 113,85 116,33 116,43 118,06
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
88
Lanjutan tabel 4.8.
Daya pemompaan
(W)
? P (Pa) f
Plain Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°) Plain Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°)
0,00650 133,87 197,29 202,01 204,43 208,47 0,035 0,114 0,119 0,141 0,146
0,01220 199,67 290,22 296,78 300,53 308,03 0,033 0,103 0,107 0,128 0,135
0,01950 268,94 386,88 395,26 400,45 411,97 0,031 0,096 0,100 0,118 0,127
0,02850 342,22 488,21 498,41 505,14 521,25 0,030 0,090 0,094 0,111 0,121
0,03900 417,64 591,71 603,69 612,03 633,15 0,029 0,086 0,089 0,106 0,116
0,05490 518,93 729,70 743,96 754,50 782,67 0,029 0,081 0,084 0,100 0,111
0,06910 600,54 840,21 856,24 868,57 902,65 0,028 0,078 0,081 0,097 0,108
0,09030 711,77 989,97 1008,32 1023,11 1065,54 0,027 0,075 0,078 0,093 0,104
0,11810 844,02 1167,01 1188,00 1205,76 1258,46 0,027 0,072 0,075 0,089 0,100
0,14060 942,86 1298,67 1321,57 1341,56 1402,15 0,026 0,070 0,073 0,086 0,098
0,17530 1084,62 1486,70 1512,25 1535,46 1607,64 0,026 0,067 0,070 0,083 0,095
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
89
Lanjutan tabel 4.8.
Daya
pemompaan
(W)
hi (W/m2 °C) Nu,i/Nu,p f/fp
Plain Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°) Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°) Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°)
0,00650 1478,23 1767,87 1748,53 1791,21 1850,54 1,20 1,19 1,22 1,26 3,30 3,43 4,07 4,23
0,01220 1848,48 2154,33 2144,22 2186,90 2250,82 1,17 1,16 1,19 1,22 3,16 3,28 3,90 4,12
0,01950 2183,33 2496,12 2496,09 2537,43 2604,25 1,14 1,14 1,16 1,20 3,05 3,17 3,77 4,04
0,02850 2498,20 2812,01 2822,66 2861,79 2930,48 1,13 1,13 1,15 1,17 2,97 3,09 3,67 3,98
0,03900 2792,45 3103,06 3124,60 3160,97 3230,75 1,11 1,12 1,13 1,16 2,91 3,02 3,59 3,93
0,05490 3152,87 3454,79 3490,68 3522,87 3593,27 1,09 1,11 1,12 1,14 2,84 2,95 3,51 3,88
0,06910 3421,15 3713,57 3760,80 3789,37 3859,76 1,08 1,10 1,11 1,13 2,80 2,90 3,45 3,84
0,09030 3762,07 4039,07 4101,40 4124,82 4194,71 1,07 1,09 1,09 1,11 2,74 2,85 3,39 3,80
0,11810 4138,15 4394,22 4474,02 4491,13 4559,87 1,06 1,08 1,08 1,10 2,69 2,80 3,33 3,76
0,14060 4402,43 4641,55 4734,09 4746,39 4814,00 1,05 1,07 1,07 1,09 2,66 2,76 3,29 3,74
0,17530 4761,02 4974,42 5084,80 5090,16 5155,83 1,04 1,06 1,07 1,08 2,58 2,69 3,19 3,65
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
90
Lanjutan tabel 4.8. Daya
pemompaan
(W)
NTU e ?
Plain Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°) Plain Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°) Classic OT (15°) OT (30°) OT (45°)
0,00650 0,82 1,19 1,20 1,24 1,36 0,50 0,66 0,66 0,68 0,71 1,20 1,18 1,21 1,25
0,01220 0,74 1,05 1,06 1,09 1,19 0,46 0,60 0,60 0,62 0,64 1,17 1,16 1,18 1,22
0,01950 0,69 0,96 0,97 0,99 1,08 0,43 0,56 0,56 0,57 0,60 1,14 1,14 1,16 1,19
0,02850 0,65 0,89 0,90 0,92 1,00 0,40 0,52 0,53 0,54 0,56 1,13 1,13 1,15 1,17
0,03900 0,62 0,83 0,85 0,86 0,93 0,38 0,50 0,50 0,51 0,53 1,11 1,12 1,13 1,16
0,05490 0,59 0,78 0,80 0,81 0,87 0,36 0,47 0,48 0,49 0,51 1,10 1,11 1,12 1,14
0,06910 0,56 0,74 0,76 0,77 0,83 0,35 0,45 0,46 0,47 0,49 1,09 1,10 1,11 1,13
0,09030 0,54 0,70 0,73 0,73 0,78 0,34 0,43 0,44 0,45 0,47 1,07 1,09 1,10 1,12
0,11810 0,52 0,67 0,69 0,69 0,74 0,33 0,42 0,43 0,43 0,45 1,06 1,08 1,09 1,10
0,14060 0,50 0,64 0,67 0,67 0,71 0,32 0,41 0,42 0,42 0,44 1,05 1,08 1,08 1,09
0,17530 0,49 0,62 0,64 0,64 0,68 0,31 0,39 0,40 0,40 0,42 1,04 1,07 1,07 1,08
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
73
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
91
4.3. Analisis Data
4.3.1 Uji Validitas Penukar Kalor Tanpa Twisted Tape Insert (Plain Tube).
Sebelum melakukan pengujian karakteristik perpindahan panas dan faktor
gesekan pada penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi dengan menggunakan
twisted tape insert, harus dilakukan uji validitas nilai perpindahan panas (Nu) dan
faktor gesekan (f) dari pipa dalam tanpa twisted tape insert (plain tube) dengan
korelasi-korelasi empirik untuk perpindahan panas dan faktor gesekan. Dari uji
validitas dapat diketahui berapa persen penyimpangan nilai perpindahan panas
dan faktor gesekan aktual dari plain tube dibandingkan dengan korelasi-korelasi
empirik yang ada. Hasil perpindahan panas dari plain tube dibandingkan dengan
persamaan Gnielinski, Petukhov, sedangkan untuk nilai faktor gesekan
dibandingkan dengan persamaan Blasius, Petukhov dan Colebrook.
Perbandingan antara data penelitian dari plain tube dengan korelasi-korelasi
empirik dapat dilihat pada gambar 4.9. dan 4.10. Pada gambar 4.9,
membandingkan nilai Nu untuk plain tube dengan persamaan Gnielinski dan
Petukhov. Sedangkan pada gambar 4.10, membandingkan nilai faktor gesekan
dari plain tube dengan persamaan Blasius, Petukhov dan Colebrook.
Gambar 4.9. Grafik hubungan Nu dengan Re untuk plain tube.
0
20
40
60
80
100
120
140
0 5000 10000 15000 20000 25000Re
Plain Tube
Gnelienski
Petukhov
Nui
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
92
Persamaan Petukhov berlaku untuk nilai-nilai; 0,5 ? Pr ? 2.000, dan 104 <
Re < 5 x 106 sedangkan persamaan Gnielinski mempunyai batasan 0,5 < Pr <
2.000 dan 3 x 103 < Re < 5.106. Dari gambar 4.9, penyimpangan rata-rata nilai
aktual Nu dari plain tube dengan korelasi Gnielinski sebesar 7,96%, sedangkan
dengan korelasi Petukhov sebesar 1,56%. Penyimpangan rata-rata nilai Nu
dibandingkan dengan korelasi Gnielinski dan Petukhov cukup kecil sehingga data
nilai Nu di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik tanpa twisted tape insert
(plain tube) adalah valid.
Gambar 4.10. Grafik hubungan faktor gesekan (f) dengan Re untuk plain tube.
Sedangkan untuk faktor gesekan, persamaan Blasius berlaku untuk pipa-
pipa halus di daerah turbulen (Re ? 105). Dari gambar 4.10, nilai faktor gesekan
dari plain tube menyimpang rata-rata sebesar 2,77% dari persamaan Blasius,
3,21% dari persamaan Petukhov dan 2,34% dari persamaan Colebrook. Nilai
penyimpangan faktor gesekan pada bilangan Reynolds < 10.000 cukup besar
(4,88%), hal ini terjadi karena pada kisaran bilangan Reynolds tersebut aliran
dalam daerah transisi, dan tidak ada persamaan yang berlaku secara umum pada
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0 5000 10000 15000 20000 25000
Plain Tube
Blasius
Petukhov
Colebrook
transisi
Re
f
Transisi Zone
TurbulentZone
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
93
daerah transisi. Sedangkan pada daerah Re > 10.000 terjadi penyimpangan rata-
rata cukup kecil (2,7%), sehingga data faktor gesekan di pipa dalam dari penukar
kalor pipa konsentrik tanpa twisted tape insert (plain tube) adalah valid.
4.3.2. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Penambahan Twisted Tape Insert
Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas.
Pada pengujian karakteristik perpindahan panas dari penukar kalor pipa
konsentrik saluran persegi ini dilakukan dengan memvariasikan bilangan
Reynolds aliran air di pipa dalam, dan dengan memvariasikan penambahan classic
twisted tape insert dan oblique teeth twisted tape insert.
Gambar 4.11. Grafik hubungan antara Nui dengan Re
Pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan pengaruh
penambahan classic twisted tape insert dan oblique teeth twisted tape insert
dengan variasi tooth angle sebesar 15o (oblique teeth I), 30o (oblique teeth II) dan
45o (oblique teeth III) di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran
persegi dapat dilihat pada gambar 4.11. Karakteristik perpindahan panas dari
penukar kalor pipa konsentrik ini dapat dilihat dari hubungan antara bilangan
Nusselt (Nu) dengan bilangan Reynolds (Re).
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 5000 10000 15000 20000 25000
Re
Plain Tube
Classic
O.TEETH I
O.TEETH II
O.TEETH III
Nui
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
94
Gambar 4.12. Grafik hubungan antara Nui aktual dan korelasi Nui Manglik-Berges dengan Re
Manglik dan Bergles mengembangkan korelasi untuk classic twisted tape
insert berlaku untuk pipa bulat, dalam daerah turbulen dan valid untuk temperatur
dinding konstan dan fluks kalor konstan. Dari hasil pengujian, perbedaan nilai
rata-rata Nui di pipa dalam dengan persamaan Manglik-Bergles adalah sebesar
14,98% untuk classic twisted tape insert, dan oblique teeth twisted tape insert
dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° berturut-turut sebesar 12,44%, 10,50% dan
6,03%. Oblique teeth twisted tape insert menghasilkan penyimpangan yang
semakin kecil seiring dengan meningkatnya tooth angle. Nilai penyimpangan
terbesar pada oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, hal ini
dapat terjadi karena adanya potongan di tepi twisted tape insert yang
mengakibatkan gangguan aliran di sekitar dinding pipa dan vortisitas di belakang
potongan dan semakin besar tooth angle maka semakin kecil penyimpangan Nui
Manglik-Berges. Penyimpangan nilai Nu,i untuk classic twisted tape insert cukup
kecil dibandingkan korelasi Manglik-Berges (14,98%), sehingga data nilai Nu,i di
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 5000 10000 15000 20000Re
Classic
O.TEETH I
O.TEETH II
O.TEETH III
Manglik Classic
Manglik O.TEETH I
Manglik O.TEETH II
Manglik O.TEETH III
Nui
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
95
pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik dengan twisted tape insert adalah
valid. Fenomena ini serupa dengan penelitian Marugesan dkk (2011) yang
membandingkan data penelitiannya dengan korelasi empirik Manglik-Berges, dan
diperoleh penyimpangan sebesar ±10%. Dari gambar 4.11 dapat dilihat bahwa
dengan semakin besar bilangan Reynolds (Re), maka bilangan Nusselt rata-rata di
pipa dalam (Nu,i) akan semakin naik, ini serupa dengan penelitian Naphon
(2006). Kenaikan bilangan Nusselt berarti juga terjadi kenaikan perpindahan
panas yang terjadi di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik. Kenaikan
bilangan Nusselt rata-rata menunjukkan kenaikan koefisien perpindahan panas
konveksi rata-rata (h). Hal ini terjadi untuk ke semua kasus, yaitu untuk plain tube
maupun untuk pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert. Dengan
kenaikan bilangan Reynolds, maka semakin tinggi laju aliran massa air dan
semakin tinggi tingkat turbulensi aliran air di pipa dalam, sehingga kalor yang
berpindah dari air panas di pipa dalam ke air dingin di annulus dari penukar kalor
pipa konsentrik semakin besar pula.
Dengan penambahan twisted tape insert di pipa dalam maka dapat
digunakan untuk memutar aliran secara kontinyu dari sisi masuk sampai sisi
keluar penukar kalor. Hal ini juga berfungsi untuk menambah waktu tinggal aliran
dalam penukar kalor, mengurangi lapis batas termal, mencampur aliran antara
aliran inti dengan aliran dekat dinding pipa. Peningkatan laju perpindahan panas
dibandingkan tanpa sisipan twisted tape insert diakibatkan karena adanya
fenomena penurunan tebal lapis batas termal. Pipa dalam dari penukar kalor pipa
konsentrik tanpa twisted tape insert mempunyai aliran streamline, karena kondisi
tanpa slip, air yang kontak langsung dengan permukaan dalam pipa dalam
mempunyai kecepatan yang sangat rendah daripada aliran inti. Hal ini
menyebabkan lapis batas termal yang terbentuk sangat tinggi sehingga
perpindahan panasnya menjadi lambat. Penambahan twisted tape insert di pipa
dalam akan mengurangi tebal lapis batas termal sebagai sebuah turbulator untuk
sepanjang daerah perpindahan panas.
Dari gambar 4.11 dapat dilihat bahwa bilangan Nusselt dengan
penambahan twisted tape insert lebih tinggi dibandingkan plain tube. Ini dapat
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
96
disebabkan karena twisted tape insert menghasilkan aliran berputar (swirl flow)
menginduksi turbulensi, dan mencampur aliran antara aliran inti dengan aliran
dekat dinding pipa sehingga mengurangi lapis batas batas termal yang akibatnya
menghasilkan peningkatan perpindahan panas (Murugesan, 2010). Pada bilangan
Reynolds yang sama, pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert,
bilangan Nusselt rata-rata meningkat 12,6% dibandingkan dengan plain tube.
Sedangkan untuk penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth
angle 15°, 30°, dan 45°, kenaikan bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam
berturut-turut sebesar 16,24%, 18,42% dan 24,4% jika dibandingkan dengan plain
tube. Sedangkan jika dibandingkan dengan penambahan classic twisted tape
insert, pipa dalam dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan
tooth angle 15°, 30°, dan 45° mengalami kenaikan bilangan Nusselt, berturut-turut
rata-rata sebesar 3,2%, 5,2% dan 10,5%.
Penambahan oblique teeth twisted tape insert di pipa dalam menghasilkan
bilangan Nusselt lebih besar dibandingkan dengan penambahan classic twisted
tape insert. Hal ini disebabkan karena potongan-potongan berupa gigi-gigi miring
(oblique teeth) pada twisted tape insert dapat memberikan turbulensi tambahan
untuk fluida di sekitar dinding pipa dan vortisitas di balik potongan-potongan
tersebut, sehingga meningkatkan perpindahan panas yang lebih tinggi. Fenomena
serupa juga terjadi pada penelitian Murugesan (2009, 2010, 2011), dimana twisted
tape insert dengan potongan-potongan kecil berbentuk trapesium, persegi dan
huruf V dapat memberikan turbulensi tambahan untuk fluida di sekitar dinding
pipa dan vortisitas di balik potongan-potongan tersebut, sehingga meningkatkan
perpindahan panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan classic twisted tape
insert. Dari gambar 4.11 dapat dilihat bahwa bilangan Nusselt rata-rata dengan
penambahan oblique teeth twisted tape insert semakin besar dengan kenaikan nilai
tooth angle. Hal ini sama dengan penelitian Saha (2010). Pada penelitian ini,
bilangan Nusselts rata-rata tertinggi diperoleh dengan penambahan oblique teeth
twisted tape insert dengan tooth angle 45o.
Penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa
konsentrik memerlukan daya pemompaan yang lebih besar karena adanya
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
97
penurunan tekanan yang besar pula. Oleh karena itu, analisis pengaruh
penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik
juga dilakukan pada daya pemompaan yang sama. Pengaruh penambahan twisted
tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik terhadap karakteristik
perpindahan panasnya pada daya pemompaan yang sama dapat dilihat pada
gambar 4.13
Gambar 4.13. Grafik hubungan antara Nui dengan Re pada daya pemompaan yang sama.
Dari gambar 4.13, dapat dilihat bahwa pada daya pemompaan yang sama,
menyebabkan bilangan Reynolds akan berbeda untuk plain tube dengan pipa
dalam yang diberi twisted tape insert. Pada daya pemompaan yang sama, bilangan
Nusselt untuk pipa dalam dengan classic twisted tape insert naik rata-rata 8,93%
dibandingkan plain tube, sedangkan dengan penambahan oblique teeth twisted
tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45°, bilangan Nusselt naik rata-rata
berturut-turut sebesar 10,14%; 11,05%; dan 13,33% dibandingkan plain tube.
Pada daya pemompaan yang sama, bilangan Nusselt rata-rata pipa dalam dengan
penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan
45° dibandingkan dengan penambahan classic twisted tape naik rata-rata sebesar
0
30
60
90
120
150
0 5000 10000 15000 20000 25000
Re
Plain Tube
O.TEETH I
O.TEETH II
O.TEETH III
Classic
Nui
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
98
1,1%, 1,2%, dan 4,1%. Ini menunjukkan bahwa penambahan oblique teeth twisted
tape insert di pipa dalam merupakan sebuah keuntungan dibandingkan dengan
penambahan classic twisted tape insert, karena dapat meningkatkan perpindahan
panas lebih besar pada daya pemompaan yang sama.
4.3.3. Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Unjuk Kerja
Termal
Unjuk kerja termal (? ) didefinisikan sebagai perbandingan antara koefisien
perpindahan panas konveksi rata-rata dari pipa dalam dengan penambahan twisted
tape insert dengan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dari pipa dalam
tanpa twisted tape insert pada daya pemompaan yang sama. Pada penelitian ini
dianalisis nilai ? dari pipa dalam dengan penambahan classic twisted insert,
oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45°.
Karakteristik unjuk kerja termal (? ) untuk pipa dalam dengan penambahan twisted
tape insert dapat dilihat pada gambar 4.14.
Gambar 4.14. Grafik hubungan antara ? dengan Re
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
0 5000 10000 15000 20000
Re
Classic
O.TEETH I
O.TEETH II
O.TEETH III
?
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
99
Dari gambar 4.14. dapat dilihat bahwa penambahan oblique teeth twisted
tape insert pada pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik menghasilkan
unjuk kerja termal yang lebih baik dibandingkan dengan penambahan classic
twisted tape insert. Nilai ? rata-rata pipa dalam dengan penambahan classic
twisted tape insert adalah 1,105. Sedangkan penambahan oblique teeth twisted
tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° di pipa dalam menghasilkan ?
rata-rata berturut-turut sebesar 1,114; 1,126; dan 1,150. Jika dibandingkan
dengan penambahan classic twisted tape insert, unjuk kerja termal dengan
penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan
45° naik berturut-turut rata-rata sebesar 0,81%, 1,90%, dan 4,08%. Dari gambar
4.14 terlihat bahwa pada penambahan oblique teeth twisted tape insert, unjuk
kerja termal semakin naik dengan kenaikan tooth angle. Unjuk kerja termal
tertinggi diperoleh pada penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan
tooth angle 45o, hal ini serupa dengan penelitian Saha (2010).
4.3.4. Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Rasio Bilangan
Nusselt.
Rasio bilangan Nusselt adalah rasio bilangan Nusselt rata-rata di pipa
dalam dengan twisted tape insert dengan pipa dalam tanpa twisted tape insert
(plain tube). Hubungan rasio bilangan Nusselt (Nu/Nu,p) dengan Re pada daya
pemompaan yang sama untuk pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert
dapat dilihat pada gambar 4.15.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
100
Gambar 4.15. Hubungan Nu/Nu,p dengan Re pada daya pemompaan yang sama
Hubungan rasio bilangan Nusselt (Nu/Nu,p) dengan Re pada daya
pemompaan yang sama untuk pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert
dapat dilihat pada gambar 4.15. Dari gambar 4.15, dapat dilihat bahwa pipa dalam
dari penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan classic twisted tape insert,
oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45°, mempunyai
nilai rasio bilangan Nusselt rata-rata berturut-turut 1,105; 1,113; 1,125; dan 1,151.
Ini menunjukkan bahwa pada daya pemompaan yang sama, pipa dalam dengan
penambahan oblique teeth twisted tape insert menghasilkan peningkatan
perpindahan panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan pipa dalam dengan
penambahan classic twisted tape insert. Pada daya pemompaan yang sama
peningkatan perpindahan panas tertinggi diperoleh dengan penambahan oblique
teeth twisted tape insert dengan tooth angle 45o.
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
0 5000 10000 15000 20000
Re
Classic
O.TEETH I
O.TEETH II
O.TEETH III
Nu/
Nup
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
101
4.3.5. Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Efektivenes
Penukar Kalor (? ).
Efektivenes sebuah penukar kalor adalah perbandingan laju perpindahan
panas aktual yang terjadi dengan laju perpindahan panas maksimum yang
mungkin. Nilai efektivenes penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan
classic twisted tape insert, oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle
15°, 30°, dan 45°, di pipa dalam dapat dilihat pada gambar 4.16.
Gambar 4.16. merupakan grafik hubungan pengaruh twisted tape insert
terhadap efektivenes penukar kalor. Terlihat bahwa semakin besar NTU maka
akan semakin besar pula efektivenes penukar kalor tersebut. Dari gambar 4.16
terlihat bahwa dengan penambahan twisted tape insert, penukar kalor pipa
konsentrik mempunyai efektivenes rata-rata yang lebih tinggi dibandingkan tanpa
penambahan twisted tape insert. Efektivenes rata-rata penukar kalor tanpa
penambahan twisted tape insert (plain tube), dengan penambahan classic twisted
tape insert dan dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth
angle 15°, 30°, dan 45°, berturut-turut sebesar 0,380; 0,492; 0,499; 0,508; dan
0,528. Penambahan oblique teeth twisted tape insert menghasilkan efektivenes
rata-rata yang lebih besar dari plain tube dan penambahan classic twisted tape
insert. Pada penambahan oblique teeth twisted tape insert, efektivenes penukar
kalor semakin tinggi dengan kenaikan tooth angle. Efektivenes rata-rata tertinggi
diperoleh untuk pipa dalam dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert
dengan tooth angle 45°. Kenaikan NTU penukar kalor dengan penambahan
classic twisted tape insert, oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle
15°, 30°, dan 45°, berturut-turut sebesar 1,34; 1,37; 1,41; dan 1,53 kali
dibandingkan dengan penukar kalor tanpa twisted tape insert. Nilai NTU
meningkat seiring bertambahnya tooth angle dari oblique teeth twisted tape insert.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
102
Gambar 4.16. Grafik hubungan ? penukar kalor dengan NTU.
4.3.6. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Penambahan Twisted Tape Insert
Terhadap Penurunan Tekanan (?P).
Penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa
konsentrik memberikan tambahan tahanan aliran dari air yang mengalir. Hal ini
akan menimbulkan penurunan tekanan yang lebih besar jika dibandingkan dengan
pipa dalam tanpa penambahan twisted tape insert (plain tube). Grafik pengaruh
bilangan Reynolds dan penambahan twisted tape insert terhadap nilai penurunan
tekanan dari penukar kalor pipa konsentrik dapat dilihat pada gambar 4.17.
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5
e
NTU
Plain Tube
Classic
O.TEETH I
O.TEETH II
O.TEETH III
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
103
Gambar 4.17. Grafik hubungan ? P dengan Re pada daya pemompaan yang sama
Dari gambar 4.17 dapat dilihat bahwa dengan semakin besar bilangan
Reynolds, maka semakin besar pula penurunan tekanan yang terjadi pada penukar
kalor. Kenaikan penurunan tekanan di pipa dalam dari penukar kalor pipa
konsentrik dengan twisted tape insert merupakan hal yang merugikan, karena
akan meningkatkan daya pemompaan untuk mempertahankan aliran dengan laju
aliran volumetrik yang sama. Pada daya pemompaan yang sama, nilai penurunan
tekanan rata-rata di pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert
adalah 1,39 kali lebih tinggi daripada plain tube, sedangkan dengan penambahan
oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° nilai
penurunan tekanan rata-rata berturut-turut adalah 1,42; 1,44; dan 1,50 kali lebih
tinggi daripada plain tube. Dari gambar 4.17, penambahan oblique teeth twisted
tape insert di pipa dalam menghasilkan penurunan tekanan yang lebih besar
dibandingkan dengan penambahan classic twisted tape insert. Nilai penurunan
tekanan dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert semakin besar
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 5000 10000 15000 20000 25000
Re
Plain Tube
O.TEETH I
O.TEETH II
O.TEETH III
Classic
?P (P
a)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
104
dengan kenaikan tooth angle. Hal ini sesuai dengan penelitian Saha (2010). Pada
daya pemompaan yang sama, nilai penurunan tekanan pipa dalam dengan
penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan
45° adalah 1,01; 1,03; dan 1,07 kali lebih tinggi dari classic twisted tape insert.
Hal ini disebabkan karena potongan-potongan gigi miring (oblique teeth)
memberikan gangguan tambahan dalam aliran fluida yang meningkatkan kontak
tangensial antara aliran sekunder dan permukaan dinding pipa (Saha, 2010).
4.3.7. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Penambahan Twisted Tape Insert
Terhadap Faktor Gesekan (ƒ).
Pengaruh bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan pengaruh
penambahan classic twisted tape insert, oblique teeth twisted tape insert dengan
tooth angle 15°, 30°, dan 45° terhadap faktor gesekan di pipa dalam dapat dilihat
pada gambar 4.18. Dari gambar 4.18 dapat dilihat bahwa dengan kenaikan
bilangan Reynolds, nilai faktor gesekan di pipa dalam dari penukar kalor pipa
konsentrik semakin berkurang. Hal ini terjadi untuk plain tube maupun pipa
dalam dengan penambahan classic twisted tape insert dan penambahan oblique
teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45°. Hal ini disebabkan
dengan semakin tinggi bilangan Reynolds, maka kecepatan aliran air di pipa
dalam akan semakin tinggi, dimana nilai faktor gesekan berbanding terbalik
dengan nilai kuadrat dari kecepatan aliran air di pipa dalam.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
105
Gambar 4.18. Grafik hubungan f dengan Re.
Dari gambar 4.18 dapat dilihat bahwa nilai faktor gesekan dari pipa dalam
dengan penambahan twisted tape insert lebih besar dibandingkan faktor gesekan
plain tube. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan classic twisted tape
insert, menjadikan faktor gesekan rata-rata pipa dalam dari penukar kalor pipa
konsentrik 2,67 kali lebih tinggi daripada faktor gesekan plain tube. Sedangkan
dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°,
dan 45°, faktor gesekan rata-rata pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik
berturut-turut adalah 3; 3,3; dan 3,6 kali lebih tinggi daripada faktor gesekan plain
tube. Hal ini serupa dengan penelitian Saha (2010). Hal ini disebabkan potongan-
potongan gigi-gigi miring (oblique teeth) memberikan intensitas turbulensi
tambahan untuk fluida di sekitar dinding pipa dan vortisitas di balik potongan-
potongan gigi-gigi miring tersebut yang menyebabkan gangguan tambahan dalam
aliran fluida yang meningkatkan kontak tangensial antara aliran sekunder dan
permukaan dinding pipa. Nilai faktor gesekan tertinggi diperoleh untuk
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0 5000 10000 15000 20000 25000Re
Plain Tube
Classic
O.TEETH I
O.TEETH II
"O.TEETH III"
f
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
106
penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 45°. Hal ini
serupa dengan penelitian Saha (2010) dimana pipa dalam yang disisipi dengan
oblique teeth twisted tape insert menghasilkan nilai faktor gesekan semakin tinggi
seiring bertambahnya tooth angle. Nilai faktor gesekan pipa dalam dengan
penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan
45° berturut-turut adalah 1,1; 1,25; dan 1,37 kali lebih tinggi dibandingkan faktor
gesekan pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert.
Pengaruh penambahan twisted tape insert terhadap faktor gesekan di pipa
dalam juga dianalisis pada daya pemompaan yang sama, seperti terlihat pada
gambar 4.19. Karakteristik faktor gesekan dengan penambahan twisted tape insert
pada daya pemompaan yang sama serupa dengan karakteristik faktor gesekan
pada bilangan Reynolds yang sama. Dengan penambahan twisted tape insert di
pipa dalam, menjadikan nilai faktor gesekan lebih besar dibandingkan dengan
plain tube. Pada daya pemompaan yang sama, dengan penambahan classic twisted
tape insert, menjadikan faktor gesekan rata-rata pipa dalam dari penukar kalor
pipa konsentrik 2,93 kali lebih tinggi daripada faktor gesekan plain tube.
Sedangkan dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth
angle 15°, 30°, dan 45°, faktor gesekan rata-rata pipa dalam dari penukar kalor
pipa konsentrik berturut-turut adalah 3,03; 3,62; dan 3,97 kali lebih tinggi
daripada faktor gesekan plain tube. Hal ini sesuai dengan penurunan tekanan (? P)
akibat penambahan classic twisted tape insert, oblique teeth twisted tape insert
dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° pada daya pemompaan yang sama (gambar
4.19), dimana nilai faktor gesekan (f) berbanding lurus dengan nilai penurunan
tekanan (? P).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
107
Gambar 4.19. Grafik hubungan f dengan Re pada daya pemompaan yang sama
4.3.8. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Penambahan Twisted Tape Insert
Terhadap Rasio Faktor Gesekan (ƒ/ƒp)
Rasio faktor gesekan adalah perbandingan nilai faktor gesekan pipa dalam
dengan penambahan twisted tape insert dengan nilai faktor gesekan pipa dalam
tanpa penambahan twisted tape insert (plain tube). Grafik hubungan rasio faktor
gesekan dengan bilangan Reynolds dapat dilihat pada gambar 4.20.
Dari gambar 4.20, terlihat bahwa pipa dalam dengan penambahan twisted
tape insert akan menghasilkan rasio faktor gesekan yang nilainya lebih besar dari
satu. Hal ini menunjukkan bahwa dengan penambahan twisted tape insert akan
meningkatkan nilai faktor gesekan pipa dalam. Penambahan oblique teeth twisted
tape insert pada pipa dalam, menghasilkan rasio faktor gesekan yang lebih tinggi
dibandingkan dengan penambahan classic twisted tape insert. Nilai rasio faktor
gesekan rata-rata dari pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert,
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0 5000 10000 15000 20000 25000
f
Re
Plain Tube
O.TEETH I
O.TEETH II
O.TEETH III
Classic
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
108
oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45°, berturut-
turut adalah 2,88; 2,99; 3,56; dan 3,91 kali lebih tinggi daripada plain tube.
Gambar 4.20 Grafik hubungan f/fp dengan Re pada daya pemompaan yang sama
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
0 5000 10000 15000 20000
Re
Classic
O.TEETH I
O.TEETH II
O.TEETH III
f/fp
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user 109
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan analisis data dan pembahasan mengenai pengujian
karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada pipa dalam pada penukar
kalor pipa konsentrik saluran persegi dengan penambahan oblique teeth twisted
tape insert with, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan oblique teeth twisted tape
insert dengan tooth angle 15o, 30o dan 45o menghasilkan bilangan Nusselt,
faktor gesekan dan unjuk kerja termal yang lebih tinggi dibandingkan dengan
penambahan classic twisted tape insert dan plain tube. Bilangan Nusselt dan
faktor gesekan dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert semakin
besar dengan semakin besarnya tooth angle.
2. Oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45°
menghasilkan kenaikan bilangan Nusselt rata-rata berturut-turut sebesar
3,2%, 5,2% dan 10,5% dan kenaikan unjuk kerja termal berturut-turut sebesar
0,81%, 1,90%, dan 4,08% daripada classic twisted tape insert. Ini
mengindikasikan bahwa penukar kalor dengan penambahan oblique teeth
twisted tape insert lebih ringkas dibandingkan dengan penambahan classic
twisted tape insert, sehingga sisipan ini dapat menggantikan classic twisted
tape insert untuk mengurangi ukuran dari penukar kalor.
3. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan oblique teeth twisted tape
insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° menghasilkan kenaikan bilangan
Nusselt rata-rata di pipa dalam berturut-turut sebesar 16,24% , 18,42% dan
24,4% dibandingkan dengan plain tube. Dibandingkan dengan penambahan
classic twisted tape insert, pipa dalam dengan penambahan oblique teeth
twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° mengalami kenaikan
bilangan Nusselt, berturut-turut rata-rata sebesar 3,2%, 5,2% dan 10,5%. Pada
daya pemompaan yang sama, bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam dengan
penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°,
dan 45° naik berturut-turut rata-rata sebesar 10,14%; 11,05%; dan 13,33%
dibandingkan plain tube. Pada daya pemompaan yang sama, bilangan Nusselt
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
110
rata-rata pipa dalam dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert
dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° dibandingkan dengan penambahan
classic twisted tape naik berturut-turut rata-rata sebesar 1,1%, 1,2%, dan
4,1%.
4. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan classic twisted tape insert,
oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° di pipa
dalam menghasilkan faktor gesekan rata-rata berturut-turut sebesar 2,67; 3;
3,3; dan 3,6 kali dari faktor gesekan plain tube. Nilai faktor gesekan pipa
dalam dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth
angle 15°, 30°, dan 45° berturut-turut adalah 1,1; 1,25; dan 1,37 kali lebih
tinggi dibandingkan faktor gesekan pipa dalam dengan penambahan classic
twisted tape insert. Pada daya pemompaan yang sama, penambahan classic
twisted tape insert, oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°,
30°, dan 45° di pipa dalam menghasilkan faktor gesekan rata-rata berturut-
turut sebesar 3,03; 3,62; 4,43; dan 3,97 kali faktor gesekan plain tube.
5. Unjuk kerja termal rata-rata dengan penambahan classic twisted tape insert,
oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° di pipa
dalam berturut-turut sebesar 1,105; 1,114; 1,126; dan 1,150.
5.2 Saran
Berdasarkan pengalaman yang diperoleh pada saat penelitian pengujian
karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor pipa
konsentrik saluran persegi dengan oblique teeth twisted tape insert, penulis
menyarankan untuk diadakan pengembangan penelitian dengan modifikasi classic
twisted tape insert lainnya, misalnya; v-cut twisted tape insert, square-cut twisted
tape insert, trapezoidal-cut twisted tape insert, regularly spaced twisted tape
insert dan sebagainya.
top related