pengujian karakteristik perpindahan panas dan …... · investigation on heat transfer and friction...
TRANSCRIPT
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI INLINE CYLINDRICAL
PIN FIN ARRAY DALAM RECTANGULAR CHANNEL
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh:
MAHMUDIN HUDA NIM: I0404048
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA 2009
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI INLINE CYLINDRICAL PIN FIN
ARRAY DALAM RECTANGULAR CHANNEL
Disusun oleh:
Mahmudin Huda NIM. I0404048
Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II Tri Istanto, S.T., M.T. Wibawa Endra J., S.T., M.T. NIP. 19730820 200012 1 001 NIP. 19700911 200003 1 001 Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari Selasa tanggal 28 Juli 2009. 1. Ir. Santoso, M.Eng.Sc. ............................................. NIP. 19450824 198012 1 001 2. Syamsul Hadi, S.T., M.T. ............................................. NIP. 19710615 199802 1 002 3. Eko Prasetya Budiana, S.T., M.T. ............................................. NIP. 19710926 199903 1 002
Mengetahui: Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir Dody Ariawan, S.T., M.T. Syamsul Hadi, S.T., M.T. NIP. 19730804 199903 1 003 NIP. 19710615 199802 1 002
PERSEMBAHAN
Kepada mereka yang telah berjasa, kepada mereka pula aku persembahkan
hasil jerih payahku selama menempuh jenjang S1 ini yaitu sebuah skripsi yang
akan menjadi karya terbesarku selama ini sehingga aku lulus dari Universitas
Sebelas Maret ini dengan gelar Sarjana Teknik. Mereka adalah:
1. Dengan nama-Nya yang telah menciptakan alam semesta dan seisinya.
Segala puji bagi Allah, tidak ada daya dan upaya kecuali dengan-Nya.
Allahlah pemilik segala keagungan, kemuliaan, kekuatan dan keperkasaan.
2. Bapak Sumadi, Ibu Siti Maryam, karena beliaulah penulis terlahir di dunia
dengan kelebihan dan kekurangannya.
3. Adikku Khoirun Nisa dan kakakku Nur Qomarudin (kalian adalah harta
yang tak ternilai).
4. Mr. 3G and Prof. Bawa, yang telah mensupport material (makan-makan),
spiritual, dan membimbing tanpa rasa letih dan selalu ceria.
5. Semua orang yang dekat dan kenal dengan penulis (mereka yang pernah
bersama memberi pengalaman yang berarti, memberikan nasehat serta
dukungan dalam kehidupan penulis).
MOTTO
“Demi masa. Sesungguhnya manusia itu benar-benar dalam kerugian, Kecuali orang-orang yang beriman dan mengerjakan amal saleh dan nasehat menasehati
supaya mentaati kebenaran dan nasehat menasehati supaya menetapi kesabaran.” (Q.S. Al-‘Ashr: 1-3)
“Maka sesungguhnya bersama kesulitan pasti ada kemudahan, maka bersama kesulitan pasti ada kemudahan”
(Q.S. Al-Insyirah: 5-6)
“Kamu adalah umat terbaik yang dilahirkan untuk manusia, menyuruh yang ma’ruf dan mencegah dari yang munkar dan beriman kepada Allah.”
(Ali Imran: 110)
“Mukmin yang kuat lebih baik dan lebih dicintai Allah daripada mukmin yang lemah; pada keduanya ada kebajikan.”
(HR. Muslim)
“Cogito, ergo sum. (I think, therefore I am).” (Renè Descartes)
“If i die tomorrow I'd be allright
Because i believe That after we're gone The spirit carries on”
(Dream Theater)
“Kalau bisa dikerjakan sekarang, kenapa harus besok?” “Aku hidup di masa sekarang untuk menuju masa depan, bukan masa lalu.”
“Jika dengan mengenang kegagalan bisa membuat hari esok lebih baik, kenanglah. Namun jika tidak, buanglah.”
“Selalu berpikir ke depan dan optimis.” “Doa, usaha, dan tawakal.”
(From the deepest of my heart)
vi
Investigation on Heat Transfer and Friction Factor Characteristics of Inline Cylindrical Pin Fin Array
in Rectangular Channel
Mahmudin Huda Mechanical Engineering Departement
Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia
E-mail: [email protected]
Abstract
Surface heat transfer extension using fins often used in heat exchanger equipment to enhance heat transfer. This research was conducted to investigate the characteristics of heat transfer and pressure drop as well as thermal performance of inline cylindrical pin fin assembly in rectangular channel. It was used cylindrical pin fins with 12.7 mm of diameter and 75 mm of height. The parameters of this research were Reynolds number (3,000 – 37,500), depending on the averaged inlet air velocity and hydraulic diameter, the interfin pitch distance in the spanwise direction (Sx/D) which was kept constant at 2.95 and the interfin pitch distance in the streamwise direction (Sy/D = 1.97 – 3.94). The experimental result shown that increasing Reynolds number (Re) and decreasing the interfin pitch distance in the streamwise direction (Sy/D) increased the average convection heat transfer coefficient (h) and Nusselt number (Nu). The pressure drop (∆P) and friction factor (f) decreased while the interfin pitch distance in the streamwise direction (Sy/D) increased. Increasing Reynolds number would decrease thermal performance (η). At Sy/D = 1.97 for Re > 24,900, and Sy/D > 1.97 for Re > 12,400, the values of η were less than 1, i.e. the used of pin fin assembly would cause an energy loss rather than gain. The net energy gain (η was greater than 1) was only at Sy/D = 1.97 for Re < 24,900, and at Sy/D > 1.97 for Re < 12,400. A net energy gain up to 28 % was achieved at Sy/D = 1.97 for Re = 3,076. Key words: pin fin, rectangular channel, Reynolds number, friction factor, thermal
performance.
vii
Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan dari Inline Cylindrical Pin Fin Array
dalam Rectangular Channel
Mahmudin Huda Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia
E-mail: [email protected]
Abstrak
Perluasan permukaan perpindahan panas menggunakan sirip-sirip sering digunakan dalam peralatan penukar panas untuk meningkatkan perpindahan panas. Penelitian ini dilakukan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly yang disusun secara segaris dalam saluran segiempat. Digunakan sirip-sirip pin silinder dengan diameter 12,7 mm dan tinggi 75 mm. Parameter-parameter dalam penelitian ini adalah bilangan Reynolds (3.000 – 37.500) berdasarkan kecepatan udara masuk rata-rata dan diameter hidrolik, jarak antar titik pusat sirip dalam arah melintang aliran udara (Sx/D) yang dibuat konstan sebesar 2,95 dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (Sy/D = 1,97 – 3,94). Hasil pengujian menunjukkan bahwa peningkatan bilangan Reynolds (Re) dan semakin kecilnya jarak antar titik pusat sirip arah aliran udara (Sy/D) akan meningkatkan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) dan bilangan Nusselt (Nu). Nilai penurunan tekanan (∆P) dan faktor gesekan (f) semakin menurun dengan meningkatnya nilai Sy/D. Meningkatnya bilangan Reynolds akan menurunkan unjuk kerja termal (η).Untuk Sy/D = 1,97 pada Re > 24.900, dan Sy/D > 1,97 pada Re > 12.400, nilai-nilai η lebih kecil dari 1, yang berarti bahwa pemakaian pin fin assembly akan menyebabkan kehilangan energi daripada perolehan energi. Perolehan energi netto (nilai η lebih besar dari 1) hanya untuk Sy/D = 1,97 pada Re < 24.900, dan Sy/D > 1,97 pada Re < 12.400. Perolehan energi netto dapat dicapai hingga 28 % untuk nilai Sy/D = 1,97 pada Re = 3.076. Kata kunci: sirip pin, saluran segiempat, bilangan Reynolds, faktor gesekan,
unjuk kerja termal.
viii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas segala
limpahan rahmat dan Karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan
menyelesaikan skripsi ”Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Penurunan
Tekanan dari Inline Cylindrical Pin Fin Array dalam Rectangular Channel” 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 maupun 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 Dody Ariawan, S.T., M.T, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin
UNS Surakarta.
2. Bapak Tri Istanto, S.T., M.T. selaku Pembimbing I atas bimbingannya
hingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
3. Bapak Wibawa Endra J, S.T., M.T. selaku Pembimbing II yang telah
turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.
4. Bapak Teguh Triyono, S.T., M.T. selaku Pembimbing Akademis yang
telah berperan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di
Universitas Sebelas Maret ini.
5. Bapak Syamsul Hadi, S.T,. M.T. selaku koordinator Tugas Akhir.
6. Bapak Budi Kristiawan, S.T., M.T. dan Ibu Eliza yang telah banyak
membantu meminjami alat-alat pendukung penelitian.
7. Seluruh dosen serta staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut
mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1.
8. Ayah, Ibu, kakak, dan adikku, atas doa restu, motivasi, dan dukungan
material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir.
9. Rekan Skripsi: Apras, Adit, Doddy, Aji’, Teddy, Wisnu, mas Fendy, dan
mas Giyono yang telah bersama-sama mengerjakan penelitian ini, terima
kasih atas bantuan kalian semua.
ix
10. Rekan Asisten Lab. Konversi Energi: Ridho, Syafiq-jembe, Rian, paijo
Bisyri, Ervan, Jihad-jae gepok, Tendy; dan juga rekan asisten lab 2005:
Zaki, Yusno, duet Indri-Topan, Ahmad yang telah menemani,
merepotkan dan direpotkan dalam pembuatan alat penelitian ini. Terima
kasih yang tak terkira atas bantuan kalian semua.
11. Rekan-rekan Teknik Mesin semua, khususnya angkatan 2004 terima
kasih atas kerja samanya selama ini.
12. Facebook dan Jamaah Facebookiyah yang selalu menemaniku dan
menyemangatiku selama mengambil data dan menyelesaikan laporan ini.
13. Semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu yang telah
membantu pelaksanaan dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini.
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari
sempurna, maka kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan untuk
kesempurnaan skripsi ini.
Semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu pengetahuan dan kita semua.
Amin.
Surakarta, Juli 2009
Penulis
x
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................ iii
PERSEMBAHAN............................................................................................... iv
MOTTO ............................................................................................................. v
ABSTRAK .......................................................................................................... vi
KATA PENGANTAR ........................................................................................ viii
DAFTAR ISI....................................................................................................... x
DAFTAR TABEL............................................................................................... xii
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xiii
DAFTAR NOTASI ............................................................................................. xv
DAFTAR LAMPIRAN....................................................................................... xvii
BAB I PENDAHULUAN .............................................................................. 1
1.1 Latar Belakang ............................................................................ 1
1.2 Perumusan Masalah .................................................................... 2
1.3 Batasan Masalah ......................................................................... 2
1.4 Tujuan dan Manfaat .................................................................... 3
1.5 Sistematika Penulisan ................................................................. 4
BAB II DASAR TEORI .................................................................................. 5
2.1 Tinjauan Pustaka ......................................................................... 5
2.2 Dasar Teori.................................................................................. 6
2.2.1 Sirip ................................................................................... 6
2.2.2 Sirip Pin............................................................................. 11
2.2.3 Macam-Macam Bentuk Sirip pin ...................................... 12
2.2.3.1 Silinder ................................................................ 12
2.2.3.2 Kubus .................................................................. 12
2.2.3.3 Oblong................................................................. 13
2.2.3.4 Ellips ................................................................... 13
2.2.4 Aplikasi Sirip pin .............................................................. 14
2.2.5 Perpindahan Panas ............................................................ 15
2.2.6 Parameter Tanpa Dimensi ................................................. 16
2.2.7 Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan
pada Pin-Fin Assembly...................................................... 17
xi
2.2.7.1 Perhitungan Perpindahan Panas (Heat Transfer) 17
2.2.7.2 Perhitungan Faktor Gesekan (Friction Factor)... 22
2.2.7.3 Perhitungan Unjuk Kerja Termal pada Pin-Fin
Assembly.............................................................. 22
BAB III METODOLOGI PENELITIAN.......................................................... 24
3.1 Tempat penelitian........................................................................ 24
3.2 Alat penelitian ............................................................................. 24
3.3 Spesimen ..................................................................................... 28
3.4 Pelaksanaan Penelitian ................................................................ 30
3.4.1 Tahap Persiapan ................................................................ 30
3.4.2 Tahap Pengujian................................................................ 30
3.5 Teknik Analisis Data................................................................... 31
3.6 Diagram Alir Penelitian .............................................................. 32
BAB IV DATA DAN ANALISIS..................................................................... 33
4.1 Data Hasil Pengujian................................................................... 33
4.2 Perhitungan Data......................................................................... 39
4.3 Analisis Data ............................................................................... 47
4.3.1 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat
Sirip dalam Arah Streamwise terhadap Karakteristik
Perpindahan Panas ............................................................ 47
4.3.2 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat
Sirip dalam Arah Streamwise terhadap Karakteristik
Penurunan Tekanan........................................................... 49
4.3.3 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat
Sirip dalam Arah Streamwise terhadap Unjuk Kerja
Termal ............................................................................... 51
BAB V PENUTUP........................................................................................... 53
5.1 Kesimpulan ................................................................................. 53
5.2 Saran............................................................................................ 53
DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 54
LAMPIRAN........................................................................................................ 56
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Spesifikasi spesimen penelitian ........................................................ 29
Tabel 4.1 Data hasil pengujian spesimen 1 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 1,97) ............ 34
Tabel 4.2 Data hasil pengujian spesimen 2 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 2,36) ............ 35
Tabel 4.3 Data hasil pengujian spesimen 3 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 2,95) ............ 36
Tabel 4.4 Data hasil pengujian spesimen 4 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 3,94) ............ 37
Tabel 4.5 Data hasil pengujian spesimen 5 (pelat tanpa sirip).......................... 38
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Beberapa contoh jenis extended surface: (a) sirip longitudinal
dengan profil segiempat (b) pipa silindris dengan sirip
berprofil segiempat (c) sirip longitudinal dengan profil
trapesium (d) sirip longitudinal dengan profil parabola (e)
pipa silindris dengan sirip radial berprofil segiempat (f) pipa
silindris dengan sirip radial berprofil trapesium (g)
cylindrical spine (h) truncated conical spine (i) truncated
parabolic spine............................................................................ 7
Gambar 2.2 Beberapa contoh jenis permukaan penukar panas kompak: (a)
pipa silinder (b) pipa silinder dengan sirip-sirip radial (c) flat
tube dengan sirip-sirip kontinyu (d) sirip plat (plate fin) (e)
offset plate fin (f) crossed rod matrix.......................................... 8
Gambar 2.3 Perbedaan-perbedaan gradien temperatur dalam sirip ................ 9
Gambar 2.4 Sebuah susunan sirip pin............................................................. 11
Gambar 2.5 Susunan sirip pin (a) inline (b) staggered ................................... 12
Gambar 2.6 Perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip pin silinder
berfillet ........................................................................................ 12
Gambar 2.7 Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin
kubus dan sirip pin diamond ....................................................... 13
Gambar 2.8 Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin oblong . 13
Gambar 2.9 Ukuran relatif dari circular fin, SEF dan N fin. .......................... 13
Gambar 2.10 Potongan melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam
(internal cooling) ........................................................................ 14
Gambar 2.11 Susunan sirip pin dalam suatu saluran udara segiempat
dengan clearance nol .................................................................. 19
Gambar 3.1 Skema alat penelitian .................................................................. 24
Gambar 3.2 Satu set alat uji inline cylindrical pin fin assembly..................... 24
Gambar 3.3 Pelurus aliran udara (flow straightener)...................................... 25
Gambar 3.4 Fan hisap..................................................................................... 25
Gambar 3.5 Rheostat....................................................................................... 25
Gambar 3.6 Anemometer................................................................................ 26
xiv
Gambar 3.7 Pemanas listrik (electric heater) ................................................. 26
Gambar 3.8 Regulator pengatur tegangan listrik yang masuk heater............. 26
Gambar 3.9 Multitester digital ........................................................................ 27
Gambar 3.10 Amperemeter............................................................................... 27
Gambar 3.11 Manometer U dan posisi titik pengukuran tekanan..................... 27
Gambar 3.12 Termokopel tipe T....................................................................... 28
Gambar 3.13 Thermocouple reader .................................................................. 28
Gambar 3.14 Dimensi dan tata nama spesimen ................................................ 28
Gambar 3.15 Model spesimen .......................................................................... 29
Gambar 3.16 Spesimen 1 .................................................................................. 29
Gambar 3.18 Spesimen 2 .................................................................................. 29
Gambar 3.18 Spesimen 3 .................................................................................. 30
Gambar 3.19 Spesimen 4 ................................................................................. 30
Gambar 4.1 Posisi titik pengukuran (a) temperatur udara masuk saluran
(b) temperatur base plate dan (c) temperatur udara keluar
saluran. ........................................................................................ 33
Gambar 4.2 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien perpindahan
panas konveksi rata-rata pada Sx/D = 2,95.................................. 47
Gambar 4.3 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap bilangan Nusselt pada
Sx/D = 2,95 .................................................................................. 48
Gambar 4.4 Pengaruh nilai Sy/D terhadap bilangan Nusselt pada Sx/D =
2,95.............................................................................................. 49
Gambar 4.5 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap penurunan tekanan
pada Sx/D = 2,95.......................................................................... 50
Gambar 4.6 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor gesekan pada
Sx/D = 2,95 .................................................................................. 50
Gambar 4.7 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap unjuk kerja termal pada
Sx/D = 2,95 .................................................................................. 51
xv
DAFTAR NOTASI
A = luas penampang saluran udara (m2)
Afront = luas frontal dari sirip-sirip (m2)
As = luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara dari susunan sirip
pin (m2)
Cp = panas jenis udara (J/kg.K)
D, d = diameter sirip pin (m)
Dh = diameter hidrolik dari saluran udara (m)
f = faktor gesekan
fs = faktor gesekan untuk spesimen tanpa sirip
fa = faktor gesekan untuk spesimen dengan sirip
h = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (W/m2.K)
ha = koefisien perpindahan panas konveksi spesimen dengan sirip (W/m2.K)
hs = koefisien perpindahan panas konveksi spesimen tanpa sirip (W/m2.K)
H = tinggi saluran udara atau sirip pin (m)
k = konduktivitas termal udara (W/m.K)
L = panjang plat dasar untuk susunan sirip pin (m)
Lt = panjang seksi uji (m)
m& = laju aliran massa udara (kg/s)
Nu = duct Nusselt number
NuD = pin Nusselt number
Nf = jumlah total sirip pin dalam susunan sirip pin
∆P = perbedaan tekanan statik (N/m2)
sP∆ = penurunan tekanan tanpa halangan (N/m2)
aP∆ = penurunan tekanan dengan halangan (N/m2)
Q = laju perpindahan panas (Watt)
Qelect = laju aliran panas dari listrik (W)
Qconv = laju perpindahan panas konveksi (W)
Qloss = laju aliran panas yang hilang dari sistem (heat loss) (W)
Qrad = laju perpindahan panas radiasi (W)
Qcond = laju perpindahan panas konduksi (W)
ReD = pin Reynolds number
xvi
Re = duct Reynolds number
Res = bilangan Reynolds untuk spesimen tanpa sirip
Rea = bilangan Reynolds untuk spesimen dengan sirip
Sy = jarak antar titik pusat sirip sepanjang arah aliran (streamwise direction)
(mm)
Sx = jarak antar titik pusat sirip yang diukur tegak lurus terhadap arah aliran
(spanwise direction) (mm)
inT = temperatur inlet dari aliran udara (K)
outT = temperatur outlet dari aliran udara (K)
bT = temperatur base plate (K)
T = temperatur (K)
Tp = temperatur intermediate (K)
Ts = temperatur lingkungan (K)
Tf = temperatur udara rata-rata (K)
V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s)
Vmax = kecepatan udara maksimum yang melalui sirip pin (m/s)
aV& = laju aliran volumetrik di atas plat dengan halangan (blocks) (m3/s)
sV& = laju aliran volumetrik di atas plat tanpa halangan (blocks) (m3/s)
Wb = lebar plat dasar untuk susunan sirip pin (m)
x = ketebalan bahan (m)
γ = sudut orientasi pada susunan sirip pin oblong (o)
ε = emisivitas
η = unjuk kerja termal (%)
µ = viskositas dinamik udara (kg/m.s)
ν = viskositas kinematik udara (m2/s)
ρ = massa jenis udara (kg/m3)
σ = konstanta Stefan-Boltzmann = 5,669 x 10-8 (W/m2.K4)
xvii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A. Data hasil pengujian
Lampiran B. Properti berbagai jenis material
Lampiran C. Hasil perhitungan data pengujian
1
BAB I
1 PENDAHULUAN I
1.1 Latar Belakang
Perluasan permukaan perpindahan panas menggunakan sirip-sirip (fins)
sering digunakan dalam peralatan penukar panas yang bertujuan untuk
meningkatkan perpindahan panas antara permukaan utama dan fluida di
sekitarnya. Sirip-sirip tersebut menonjol keluar dari sebuah permukaan dasar
segiempat atau silindris. Berbagai tipe sirip alat penukar panas, mulai dari bentuk
yang sederhana, seperti sirip segiempat (rectangular), silindris, annular, tirus
(tapered) atau pin, sampai kombinasi dari berbagai geometri yang berbeda telah
digunakan. Tipe sirip yang digunakan tergantung dari proses permesinan dan
ruang yang tersedia dalam peralatan pembangkit panas yang terlibat dalam proses
pendinginan.
Salah satu tipe sirip alat penukar panas yang biasa digunakan adalah sirip
pin. Sirip pin adalah elemen berbentuk silinder atau bentuk lainnya yang dipasang
secara tegak lurus terhadap dinding alat penukar panas, dengan fluida pendingin
mengalir dalam arah aliran melintang (crossflow) terhadap elemen tersebut. Sirip-
sirip pin yang menonjol dari sebuah permukaan yang dipanaskan dapat
meningkatkan luasan permukaan disipasi panas, sehingga meningkatkan unjuk
kerja disipasi panas yang berdampak pada meningkatnya ketahanan (reliability)
dan umur peralatan. Terdapat berbagai parameter yang menggolongkan sirip pin,
seperti bentuk, tinggi, diameter, perbandingan tinggi-diameter (H/D) dan
sebagainya. Sirip-sirip pin dapat disusun secara segaris (inline) maupun selang-
seling (staggered) terhadap arah aliran.
Karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan dalam sistem sirip
pin telah menjadi bahan penelitian secara luas karena perannya yang penting
dalam berbagai aplikasi keteknikan. Sirip pin dengan perbandingan tinggi-
diameter (H/D) antara 0,5 – 4 dikategorikan sebagai sirip pin pendek (short pin
fin), sedangkan sirip pin panjang (long pin fin) memiliki perbandingan tinggi
diameter > 4. Perbandingan tinggi-diameter yang besar merupakan bagian yang
menarik dalam aplikasi alat penukar panas dalam hal pencapaian koefisien
perpindahan panas yang sangat tinggi. Sirip pin banyak digunakan dalam berbagai
2
aplikasi industri, khususnya dalam alat penukar panas kompak (compact heat
exchanger), trailing edge sudu turbin gas, dan beberapa sistem elektronik modern.
Laju perpindahan panas dari suatu rakitan sirip pin (pin fin assembly) ke
lingkungan tergantung pada distribusi temperatur pada sirip pin dan plat dasar
(base plate), geometri sirip pin, shroud clearance (jarak antara ujung sirip pin
dengan permukaan atas saluran udara), sifat-sifat fluida dan sirip pin, laju aliran
udara, jarak antar titik pusat sirip (interfin pitch), susunan sirip pin, dan orientasi
dari penukar panas (terutama untuk laju aliran udara yang rendah). Untuk plat
dasar dengan temperatur tertentu, laju perpindahan panas dapat ditingkatkan
dengan menaikkan koefisien perpindahan panas rata-rata, menaikkan luas
permukaan perpindahan panas atau kedua-duanya. Kenaikan perpindahan panas
dapat dicapai dengan cara konveksi paksa (forced convection) atau mengubah
konfigurasi geometri dari alat penukar panas. Dalam praktiknya, cara-cara ini
dibatasi oleh penurunan tekanan maksimum yang diijinkan melalui susunan sirip
pin tersebut karena kenaikan perpindahan panas akan disertai penurunan tekanan.
Energi yang hilang karena penurunan tekanan dapat melebihi energi yang
didapatkan dari usaha peningkatan perpindahan panas tersebut.
Penelitian ini bertujuan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan
penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly yang
disusun secara segaris (inline) dalam saluran segiempat (rectangular channel).
1.2 Perumusan Masalah
Bagaimanakah pengaruh bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip
dalam arah aliran udara (streamwise direction) terhadap karakteristik perpindahan
panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin
assembly yang disusun secara segaris (inline) dalam saluran segiempat
(rectangular channel).
1.3 Batasan Masalah
Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut:
1. Material sirip pin dan base plate yang digunakan adalah duralumin.
2. Dimensi base plate yang digunakan adalah; panjang 200 mm, lebar 150
mm dan tebal 6,5 mm.
3
3. Dimensi pin fin yang digunakan adalah; tinggi 75 mm dan diameter 12,7
mm, atau H/D = 5,9.
4. Jarak antara ujung sirip pin dengan permukaan atas saluran udara
(shroud clearance) adalah nol.
5. Penelitian menggunakan alat saluran udara segiempat yang terdiri dari:
Saluran udara segiempat berdimensi penampang 150 mm x 75 mm.
Fan hisap.
Pemanas (heater).
Pelurus aliran udara (flow straightener).
Manometer U.
6. Permukaan dalam saluran udara dilapisi dengan bahan melamin yang
halus, sehingga faktor gesekan diabaikan.
7. Permukaan luar saluran udara dimana seksi uji diletakkan diisolasi
dengan glasswool dan styrofoam sehingga perpindahan panas ke
lingkungan diabaikan.
8. Parameter yang dibuat konstan yaitu temperatur permukaan base plate
sebesar 60 oC, temperatur udara masuk, jarak antar titik pusat sirip
dalam arah melintang (spanwise direction) sebesar 37,5 mm.
9. Parameter yang divariasi adalah kecepatan aliran udara masuk yaitu
sebesar 0,5 m/s, 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s
serta jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise
direction) yaitu sebesar 25 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm.
10. Pengujian karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta
unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly dilakukan pada
kondisi tunak (steady state).
11. Penelitian dilakukan dalam keadaan diam (static experiment) dan pada
temperatur kamar.
1.4 Tujuan dan Manfaat
Penelitian ini bertujuan untuk:
1. Mengetahui pengaruh bilangan Reynolds terhadap karakteristik
perpindahan panas dan penurunan tekanan dari cylindrical pin fin
assembly dengan susunan sirip inline dalam rectangular channel.
4
2. Mengetahui pengaruh jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara
(streamwise direction) terhadap karakteristik perpindahan panas dan
penurunan tekanan dari cylindrical pin fin assembly dengan susunan
sirip inline dalam rectangular channel.
3. Mengetahui pengaruh variasi bilangan Reynolds dan jarak antar titik
pusat sirip dalam arah aliran udara terhadap unjuk kerja termal dari
cylindrical pin fin assembly dengan susunan sirip inline dalam
rectangular channel.
Hasil penelitian yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat
sebagai berikut:
1. Mampu memberikan pengetahuan baru yang berguna dalam ilmu
perpindahan panas, khususnya mengenai karakteristik perpindahan
panas dan unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly dengan
susunan sirip inline dalam rectangular channel.
2. Dapat diterapkan dalam sistem pendinginan sudu-sudu turbin gas dan
sistem elektronik modern.
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.
BAB II : Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan pengujian
susunan sirip pin, dasar teori tentang sirip pin dan teori perhitungan
perpindahan panas, penurunan tekanan dan unjuk kerja termal dari
susunan sirip pin dalam saluran segiempat.
BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan tempat dan pelaksanaan
penelitian, peralatan yang digunakan, langkah-langkah penelitian dan
pengambilan data.
BAB IV : Data dan analisis, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan data
hasil pengujian serta analisis hasil dari perhitungan.
BAB V : Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.
5
BAB II
2 DASAR TEORI I
2.1 Tinjauan Pustaka
Solid block dapat meningkatkan perpindahan panas dari sebuah plat secara
signifikan karena meningkatnya luasan permukaan perpindahan panas, tetapi
menimbulkan energi yang terbuang karena adanya penurunan tekanan (pressure
drop) yang lebih besar dalam aliran dan lebih sedikitnya aliran udara yang kontak
dengan plat. Selain itu, meningkatnya bilangan Reynolds menyebabkan
menurunnya unjuk kerja termal (Sara,1999).
Tahat, M. et al. (2000) melakukan penelitian tentang perpindahan panas
kondisi tunak pada alat penukar panas tipe plat bersirip pin yang tersusun secara
inline dan staggered untuk menentukan desain optimum alat penukar panas
tersebut. Dalam penelitian tersebut menggunakan spesimen berupa plat datar
berdimensi 250 mm x 300 mm yang diberi sirip pin berbentuk silinder pejal
dengan diameter 8 mm dan panjang 90 mm dengan jarak antar titik pusat sirip,
Sx/D = 9,86 – 63,44 dan Sy/D = 1,09 – 83,92. Spesimen diletakkan pada saluran
udara segiempat (rectangular channel) yang berdimensi 405 mm x 100 mm x
3.000 mm dengan variasi kecepatan aliran udara 6 m/s, 7 m/s dan 7,8 m/s. Dari
penelitian tersebut diperoleh bahwa laju panas yang hilang meningkat seiring
dengan meningkatnya bilangan Reynolds, namun menurun seiring dengan
meningkatnya jarak antar titik pusat sirip pin untuk arah streamwise dan spanwise.
Bilen, K. et al. (2001) melakukan penelitian tentang karakteristik
perpindahan panas, faktor gesekan (friction factor) dan unjuk kerja termal pada
suatu permukaan bersirip di dalam saluran udara segiempat. Pada penelitian
tersebut menggunakan spesimen berupa plat datar berdimensi 180 mm x 300 mm
x 2 mm yang diberi sirip pin berbentuk silinder pejal dengan diameter 17 mm dan
panjang 100 mm yang disusun secara inline dan staggered dengan jarak antar titik
pusat sirip, Sx/D = 2,2 dan Sy/D = 1,96 – 4,41. Spesimen diletakkan dalam saluran
udara segiempat (rectangular channel) yang berdimensi 180 mm x 100 mm x
2.000 mm. Pengujian dilakukan dengan variasi bilangan Reynolds sebesar 3.700 –
30.000. Dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa dengan meningkatnya
bilangan Reynolds akan meningkatkan bilangan Nusselt, yang berarti
6
meningkatkan perpindahan panas. Tetapi dengan meningkatnya bilangan
Reynolds, peningkatan perpindahan panas (heat transfer enhancement) dan unjuk
kerja termal semakin menurun, dimana perpindahan panas maksimum terjadi pada
variasi Sy/D = 2,94. Penambahan sirip pin pada suatu permukaan meningkatkan
perpindahan panas dari permukaan tersebut sebagai hasil dari kenaikan luasan
permukaan perpindahan panas, tetapi disertai dengan adanya penurunan tekanan
yang lebih besar dalam saluran.
Sahin, B. dan Demir, A. (2008) melakukan penelitian tentang peningkatan
perpindahan panas dan penurunan tekanan pada plat bersirip pin di dalam suatu
saluran udara segiempat. Penelitian dilakukan dengan menggunakan spesimen
berupa plat datar berdimensi 250 mm x 250 mm x 6 mm yang diberi sirip pin
berbentuk silinder pejal dengan diameter 15 mm dan panjang 100 mm yang
disusun secara inline dan staggered dengan jarak antar titik pusat sirip, Sx/D = 2,2
dan Sy/D = 1,208 – 3,417. Spesimen diletakkan pada saluran udara segiempat
yang berdimensi 250 mm x 100 mm x 3.140 mm dengan clearance ratio sebesar
0, 0,33 dan 1. Pengujian dilakukan dengan variasi bilangan Reynolds sebesar
13.500 – 42.000. Dari penelitian tersebut diperoleh bahwa penggunaan sirip pin
berpenampang lingkaran dapat meningkatkan perpindahan panas. Efisiensi
meningkat seiring dengan menurunnya bilangan Reynolds. Faktor gesekan dan
bilangan Nusselt meningkat seiring dengan meningkatnya jarak antar titik pusat
sirip pin dan clearance ratio. Parameter terpenting yang mempengaruhi
perpindahan panas adalah bilangan Reynolds, tinggi sirip pin dan jarak antar titik
pusat sirip pin, dimana perpindahan panas dapat ditingkatkan dengan mengontrol
parameter-parameter tersebut.
2.2 Dasar Teori
2.2.1 Sirip
Permukaan perpindahan panas yang diperluas (extended surface heat
transfer) adalah studi tentang komponen-komponen perpindahan panas berunjuk
kerja tinggi yang berkenaan dengan berat, volume, dan biaya yang semakin kecil,
dan perilakunya dalam berbagai kondisi lingkungan termal. Komponen-komponen
tertentu telah diterapkan dalam berbagai macam aplikasi seperti dalam proses-
proses kimia, refrigerasi, dan kriogenika, dalam peralatan listrik dan elektronika,
7
dalam tungku konvensional dan turbin gas, dalam proses pembuangan panas pada
boiler, dan dalam modul bahan bakar nuklir.
Dalam desain dan konstruksi dari berbagai macam peralatan perpindahan
panas, bentuk-bentuk sederhana seperti silinder, batang dan plat biasa diterapkan
pada aliran panas antara sumber panas dan penyerap panas (heat source and heat
sink). Permukaan-permukaan penyerap panas maupun pembuang panas masing-
masing dikenal sebagai permukaan utama (prime surface). Apabila permukaan
utama diperluas dengan permukaan tambahan seperti dalam gambar 2.1, maka
gabungan antara kedua permukaan tersebut dinamakan permukaan yang diperluas
(extended surface). Elemen yang digunakan untuk memperluas permukaan utama
dikenal sebagai sirip (fin). Jika elemen sirip tersebut berbentuk kerucut atau
silinder, sirip tersebut dinamakan spines atau pegs.
(a) (b) (c) (d)
(e) (f) (g) (h) (i)
Gambar 2.1 Beberapa contoh jenis extended surface: (a) sirip longitudinal dengan profil segiempat (b) pipa silindris dengan sirip berprofil segiempat (c) sirip longitudinal dengan profil trapesium (d) sirip longitudinal dengan profil parabola (e) pipa silindris dengan sirip radial berprofil segiempat (f) pipa silindris dengan sirip radial berprofil trapesium (g) cylindrical spine (h) truncated conical spine (i) truncated parabolic spine
Kebutuhan untuk perlengkapan turbin gas, pengkondisian udara, dan
kriogenika telah mendapatkan perhatian khusus dalam hal keringkasan permukaan
alat penukar panas, terutama pada permukaan yang mengalami gradien tekanan
yang kecil dalam fluida yang bersirkulasi melaluinya. Beberapa diantaranya
ditunjukkan dalam gambar 2.2. Keringkasan (compactness) mengacu pada
perbandingan luas permukaan perpindahan panas per satuan volume alat penukar
panas.
8
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Gambar 2.2 Beberapa contoh jenis permukaan penukar panas kompak: (a) pipa silinder (b) pipa silinder dengan sirip-sirip radial (c) flat tube dengan sirip-sirip kontinyu (d) sirip plat (plate fin) (e) offset plate fin (f) crossed rod matrix
Definisi awal dari Kays dan London (1950) menetapkan bahwa elemen alat
penukar panas kompak adalah alat penukar panas yang mempunyai kelebihan 245
m2 per meter kubik alat penukar panas. Elemen alat penukar panas kompak telah
tersedia lebih dari 4.100 m2 per meter kubik dibandingkan dengan 65 – 130 m2 per
meter kubik untuk alat penukar panas konvensional dengan pipa 5/8 – 1 in.
Kebanyakan elemen alat penukar panas kompak terdiri dari plat-plat permukaan
utama atau pipa-pipa yang dipisahkan oleh plat, batang atau spines, yang juga
bertindak sebagai sirip. Seperti pada gambar 2.2(d), setiap sirip dapat
diperlakukan sebagai sirip tunggal dengan tinggi sirip sama dengan setengah dari
jarak plat pemisah dan dengan plat pemisah bertindak sebagai permukaan utama.
Sehingga, alat penukar panas kompak dipandang sebagai bentuk lain dari
permukaan yang diperluas (extended surface).
Apabila sirip dan permukaan utamanya ditempatkan pada lingkungan termal
yang seragam, efektivitas permukaan sirip lebih kecil daripada permukaan utama.
Hal ini dapat dilihat pada plat dengan sirip memanjang (longitudinal) pada
penampang melintang segiempat pada gambar 2.3.
9
Gambar 2.3 Perbedaan-perbedaan gradien temperatur dalam sirip
Permukaan plat bagian dalam membuang panas dari sumber panas dengan
koefisien perpindahan panas seragam dan temperatur T1, sedangkan permukaan
plat bagian luar dan sirip membuang panas tersebut ke lingkungan sekelilingnya
yang lebih dingin dengan koefisien perpindahan panas seragam dan temperatur Ts.
Permukaan plat yang lebih dingin berada pada temperatur intermediate Tp, dan
panas dari sumber panas meninggalkan plat karena adanya gradien temperatur, Tp
– Ts. Dengan cara yang sama, permukaan sirip dengan temperatur tertentu T, dan
panas meninggalkan sirip karena adanya gradien temperatur T – Ts. Panas
memasuki sirip melalui dasarnya (base), dan bergerak berpindah secara kontinyu
melalui sirip secara konduksi. Hampir dalam setiap kasus, temperatur dasar sirip
akan sangat mendekati sama dengan Tp. Panas yang diserap oleh sirip melalui
dasarnya dapat mengalir menuju ujung sirip hanya jika ada gradien temperatur
dalam sirip, yakni Tp lebih besar dari T. Untuk kondisi ini, karena temperatur T
bervariasi dari dasar hingga ujung sirip, gradien temperatur T – Ts akan lebih kecil
daripada Tp – Ts, sehingga satu satuan luas permukaan sirip akan kurang efektif
dibandingkan dengan satu satuan luas permukaan plat atau permukaan utama.
Efisiensi sirip didefinisikan sebagai perbandingan antara panas aktual yang
hilang dari sirip terhadap panas ideal yang hilang jika temperatur seluruh
permukaan sirip sama dengan temperatur dasarnya. Sirip dengan ukuran, bentuk,
dan material tertentu memiliki efisiensi sirip yang berbeda-beda, dan efisiensi
sirip akan bervariasi terhadap konduktivitas termal dan cara perpindahan panasnya
berkenaan dengan lingkungannya. Saat ini telah terdapat beberapa referensi yang
dibuat mengenai permukaan yang diperluas yang berisikan beberapa tipe
Ts (Surroundings)
Source (T1)
Hot face of plate
TP
TP
Fin
T
T
10
permukaan utama dan beberapa tipe sirip. Banyak pengetahuan mengenai aliran
panas, profil temperatur, efisiensi dan optimasi parameter-parameter sirip dapat
diperoleh dari analisis tiga geometri dasar sirip yang ditunjukkan dalam gambar
2.1 yaitu sirip longitudinal, sirip radial dan spines.
Sirip dengan berbagai macam geometri dan konduktivitas termal akan
memberikan tanggapan yang berbeda terhadap sumber panas dan penyerap panas
(source and sink) yang seragam dan identik. Sebaliknya, terdapat banyak hal
mengapa temperatur dan koefisien perpindahan panas dari sumber panas dan
penyerap panas bisa bervariasi. Hal penting dalam menganalisis geometri sirip
adalah asumsi-asumsi yang diambil untuk menentukan dan membatasi masalah
dan tentunya menyederhanakan penyelesaiannya. Analisis dari tiga geometri dasar
sirip dapat dilakukan dengan mengacu pada asumsi Murray-Gardner, yaitu:
1. Aliran panas dalam sirip dan temperaturnya tetap konstan terhadap
waktu.
2. Material sirip adalah homogen, konduktivitas termal sama di segala
arah, dan tetap konstan.
3. Koefisien perpindahan panas konveksi di permukaan sirip konstan dan
seragam di keseluruhan permukaan sirip.
4. Temperatur dari medium lingkungan sirip konstan.
5. Ketebalan sirip adalah kecil, dibandingkan dengan tinggi dan
panjangnya, sehingga gradien temperatur melewati ketebalan sirip dan
perpindahan panas dari tepi sirip dapat diabaikan.
6. Temperatur dasar sirip adalah seragam.
7. Tidak ada tahanan kontak dimana dasar sirip digabung dengan
permukaan utama.
8. Tidak ada sumber panas di dalam sirip itu sendiri.
9. Panas yang ditransfer melalui ujung sirip diabaikan dibandingkan
dengan panas yang meninggalkan permukaan lateralnya.
10. Perpindahan panas ke atau dari sirip sebanding terhadap kelebihan
temperatur antara sirip dan medium sekitar.
11
2.2.2 Sirip Pin
Sirip pin adalah elemen berbentuk silinder atau bentuk lainnya yang
dipasang secara tegak lurus terhadap dinding alat penukar panas, dengan fluida
pendingin mengalir dalam arah aliran melintang (crossflow) terhadap elemen
tersebut. Terdapat berbagai parameter yang menggolongkan sirip pin, seperti
bentuk, tinggi, diameter, perbandingan tinggi-diameter (H/D) dan sebagainya.
Sirip pin dengan perbandingan tinggi-diameter (H/D) antara 0,5 – 4 dikategorikan
sebagai sirip pin pendek (short pin fin), sedangkan sirip pin panjang (long pin fin)
memiliki perbandingan tinggi-diameter > 4. Perbandingan tinggi-diameter yang
besar merupakan bagian yang menarik dalam aplikasi alat penukar panas dalam
hal pencapaian koefisien perpindahan panas yang sangat tinggi.
Gambar 2.4 Sebuah susunan sirip pin
Sirip pin dapat disusun dalam dua arah utama. Pada gambar 2.5 sirip-sirip
pin ditunjukkan dalam susunan segaris (inline) dan selang-seling (staggered). Sx
adalah jarak antar titik pusat sirip yang diukur normal/tegak lurus terhadap arah
aliran (spanwise direction), sedangkan Sy adalah jarak antar titik pusat sirip
sepanjang arah aliran (streamwise direction).
12
(a) (b)
Gambar 2.5 Susunan sirip pin (a) inline (b) staggered
2.2.3 Macam-Macam Bentuk Sirip Pin
2.2.3.1 Silinder
Silinder lurus merupakan geometri sirip pin yang paling umum. Geometri
sirip pin yang lain adalah silinder lurus dengan ujung difillet (filleted pin fin) dan
silinder tirus (tapered cylindrical pin fin). Hubungan antara geometri sirip pin
silinder lurus dengan geometri sirip pin silinder berfillet ditunjukkan dalam
gambar 2.6.
Gambar 2.6 Perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip pin silinder berfillet
2.2.3.2 Kubus
Sirip pin berbentuk kubus (cubic pin fin) dapat disusun secara segiempat
maupun diamond berdasarkan arah aliran. Diamond merupakan susunan
segiempat yang diputar 45o. Gambar 2.7 menunjukkan sketsa kedua tipe susunan.
Sy Sy
Sx
Sx
13
Gambar 2.7 Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin kubus dan sirip pin diamond
2.2.3.3 Oblong
Sirip pin oblong merupakan perpaduan antara bentuk silinder dan bentuk
kubus. Sirip pin oblong tersusun pada sudut orientasi yang berbeda, γ,
berdasarkan arah aliran. Gambar 2.8 menunjukkan tata nama yang digunakan
dalam sirip pin oblong.
Gambar 2.8 Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin oblong
2.2.3.4 Ellips
Sirip pin ellips adalah bentuk silinder yang direntangkan dalam satu arah
garis diameternya. Gambar 2.9 menunjukkan sketsa geometri circular fin dan dua
bentuk sirip pin ellips. Dalam menguji sirip pin ellips, sumbu utama (major axis)
segaris dengan arah aliran.
Gambar 2.9 Ukuran relatif dari circular fin, SEF dan N fin.
14
Bentuk-bentuk sirip pin ellips dapat dijelaskan sebagai berikut:
a. Standard Elliptical Fin (SEF)
Sirip pin ini mempunyai standar penampang ellips dengan panjang sumbu
minor sama dengan diameter circular fin dan panjang sumbu utama adalah
1,67 kali panjang sumbu minor. Luas permukaan dari SEF dihitung 1,35 kali
luas permukaan circular fin, tetapi luas frontal efektif sama dengan circular fin
karena panjang sumbu minor sama dengan diameter circular fin.
b. N fin
Bentuk sirip ini diturunkan dari seri airfoil simetris 4 digit NACA. Panjang
sumbu minor sama dengan diameter circular fin dan panjang sumbu utama 2,5
kali panjang sumbu minor. Luas permukaan N fin dihitung 1,85 kali lebih
besar daripada luas permukaan circular fin. Luas frontal efektif adalah sama
dengan circular fin.
2.2.4 Aplikasi Sirip Pin
Perpindahan panas dari susunan sirip pin merupakan subjek yang sangat
penting dengan banyak aplikasi keteknikan. Aplikasi tersebut mulai dari alat
penukar panas kompak, boiler untuk turbin uap dan pendinginan internal secara
konveksi dari turbin gas. Seperti pada gambar 2.10, sirip pin biasanya dimasukkan
dalam ruang pendinginan dalam (internal cooling) dekat trailing edge dari sudu
turbin untuk meningkatkan perpindahan panas. Hal ini memungkinkan sudu
beroperasi dalam temperatur tinggi tanpa mengalami kerusakan, sehingga
meningkatkan efisiensi termal dan daya output.
Gambar 2.10 Potongan melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam (internal cooling)
15
Oleh karena pertimbangan aerodinamis, seperti pada gambar 2.10, trailing
edge dari sudu menuntut profil yang semakin mengecil. Untuk itu, ruang
pendinginan dalam daerah ini harus dengan bentuk penampang trapesium.
Pendingin dari pangkal sudu (blade base) bergerak memutar ke samping
kemudian dikeluarkan dari slot ujung sudu, atau melalui saluran sirip pin
kemudian keluar dari slot sepanjang trailing edge sudu. Namun, kebanyakan
penelitian yang dilakukan adalah untuk sirip pin yang menggunakan saluran
segiempat (rectangular channel) dengan aliran keluar yang lurus.
2.2.5 Perpindahan Panas
Perpindahan panas adalah ilmu yang mempelajari tentang cara untuk
meramalkan perpindahan (distribusi) energi berupa panas yang terjadi karena
adanya perbedaan temperatur di antara benda atau material. Perpindahan panas
dapat dibagi menjadi tiga macam, yaitu perpindahan panas secara konduksi,
konveksi dan radiasi.
Perpindahan panas secara konduksi adalah distribusi energi berupa panas
yang terjadi pada benda atau medium yang diam (padat) bertemperatur tinggi ke
bagian benda yang bertemperatur rendah atau terdapat gradien temperatur pada
benda tersebut. Untuk menghitung perpindahan panas konduksi dapat
dipergunakan rumus:
xTAkQ ∆
= (2.1)
dimana: Q = laju perpindahan panas (Watt)
k = konduktivitas termal (W/m.oC)
A = luasan perpindahan panas arah normal Q (m2)
∆T = beda temperatur (oC)
x = ketebalan bahan (m)
Perpindahan panas konveksi adalah distribusi energi berupa panas yang
terjadi karena terdapat aliran fluida. Perpindahan panas konveksi dapat dihitung
dengan rumus sebagai berikut:
TAhQ ∆= (2.2)
dimana: h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 oC)
16
Perpindahan panas konveksi ada dua macam, yaitu:
1. Konveksi alami (natural convection)
Adalah perpindahan panas konveksi yang terjadi karena berubahnya
densitas fluida tersebut yang disebabkan adanya pemanasan.
2. Konveksi paksa (forced convection)
Adalah perpindahan panas konveksi konveksi yang berlangsung dengan
bantuan peralatan mekanis, misalnya udara yang dihembuskan di atas plat
oleh kipas.
Perpindahan panas radiasi adalah distribusi energi berupa panas yang terjadi
melalui pancaran gelombang cahaya dari suatu zat ke zat yang lain tanpa zat
perantara. Untuk menghitung besarnya panas yang dipancarkan digunakan rumus:
4TAQ σε= (2.3)
dimana: Q = panas yang dipancarkan (Watt)
ε = emisivitas (0 s.d. 1)
A = luas perpindahan panas (m2)
T = temperatur (K)
σ = konstanta Stefan-Boltzmann = 5,669 x 10-8 W/m2.K4
Khusus untuk benda hitam sempurna menurut hukum Stefan-Boltzmann:
4TAQ σ= (2.4)
2.2.6 Parameter tanpa Dimensi
Persamaan perpindahan panas konveksi berkaitan dengan variabel penting
yang dinamakan parameter tanpa dimensi (dimensionless). Parameter tanpa
dimensi dalam kaitannya dengan perpindahan panas konveksi adalah:
a. Bilangan Reynolds (Reynolds Number)
Bilangan Reynolds 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.
17
Gaya inersia dalam bentuk [ ] xuuρ ∂∂ /)( dapat didekati dengan persamaan:
.2 LVρFI = Gaya kekentalan diwakili dengan gaya geser dalam bentuk
( )[ ] ,yyuµτ yyx ∂∂∂∂=∂∂ dapat didekati dengan persamaan: 2LVµFs = .
Perbandingan kedua gaya tersebut dapat ditulis:
L
s
I ReµVLρ
LVµLVρ
FF
=== 2
2
(2.5)
b. Bilangan Nusselt (Nusselt Number)
Bilangan Nusselt adalah bilangan tanpa dimensi yang menyatakan
perbandingan antara koefisien perpindahan panas konveksi terhadap
konduktivitas termal fluida. Bilangan ini menyediakan sebuah perhitungan
tentang perpindahan panas konveksi yang terjadi pada permukaan. Bilangan
Nusselt dirumuskan:
kdhNu =
(2.6)
2.2.7 Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada Pin Fin
Assembly
2.2.7.1 Perhitungan Perpindahan Panas (Heat Transfer)
Kesetimbangan energi kondisi tunak (steady state) untuk permukaan uji
yang dipanaskan secara elektrik adalah sebagai berikut:
lossconvelect QQQ += (2.7)
dimana: Qelect = laju aliran panas dari listrik (W)
Qconv = laju perpindahan panas konveksi (W)
Qloss = laju aliran panas yang hilang dari sistem (W)
Input panas listrik dapat dihitung dari tegangan listrik dan arus listrik yang
disuplai ke permukaan. Kehilangan panas (heat loss) dari sistem dapat disebabkan
karena radiasi dari permukaan maupun konduksi melalui dinding-dinding saluran
ke atmosfer. Sehingga persamaan (2.7) dapat ditulis menjadi:
condradconvelect QQQQ ++= (2.8)
dimana: Qrad = laju perpindahan panas radiasi (W)
Qcond = laju perpindahan panas konduksi (W)
18
Pada penelitian yang serupa, Naik et al (1987) dan Hwang dan Liou (1995)
melaporkan bahwa total heat loss radiasi dari permukaan uji yang serupa adalah
sekitar 0,5% dari total input panas listrik, sehingga radiative heat loss diabaikan.
Heat loss karena konduksi dari sisi dinding-dinding dapat diabaikan dibandingkan
dari permukaan bawah dari seksi uji, karena luas total sisi plat yang dipanaskan
jauh lebih kecil dari luas permukaan bawah. Pada penelitian ini, permukaan
bawah dari plat uji tidak dipapar ke aliran, dan disolasi dengan kombinasi lapisan
isolator dan lapisan kayu, sehingga heat loss konduksi dapat diabaikan. Analisis
data akan memuaskan jika persentase total heat loss, conv
convelect
QQQ −
kurang dari
10% (Naphon, P., 2007).
Maka persamaan (2.8) menjadi:
convelect QQ = (2.9)
Panas yang dipindahkan dari permukaan bersirip dengan cara konveksi adalah:
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ +−=
2.. outin
bsconvTT
TAhQ (2.10)
dimana: Qconv = laju perpindahan panas konveksi (W)
h = koefisien perpindahan panas konveksi rata - rata
(W/m2.K)
As = luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara
dari susunan sirip pin (m2)
bT = temperatur base plate (K)
inT = temperatur inlet dari aliran udara (K)
outT = temperatur outlet dari aliran udara (K)
Dari persamaan (2.10), Qconv dapat juga dinyatakan dengan:
( )inoutpconv TTCmQ −= ..& (2.11)
dimana: m& = laju aliran massa udara (kg/s)
Cp = panas jenis udara (J/kg.K)
inT = temperatur inlet dari aliran udara (K)
outT = temperatur outlet dari aliran udara (K)
19
Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) dapat dihitung menggunakan
kombinasi persamaan (2.10) dan (2.11), sehingga didapatkan bahwa:
( )( )( )[ ]2...
inoutbs
inoutp
TTTATTCm
h+−
−=
& (2.12)
Dari persamaan (2.12), laju aliran massa udara, ,m& dapat dihitung dengan
persamaan:
VAm ..ρ=& (2.13)
dimana: ρ = massa jenis udara (kg/m3)
A = luas penampang saluran udara (m2)
V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s)
Gambar 2.11 Susunan sirip pin dalam suatu saluran udara segiempat dengan clearance nol
Untuk clearance nol seperti pada gambar 2.11, maka A dihitung dengan rumus:
bWHA .= (2.14)
As adalah luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara dari susunan sirip
pin atau luas permukaan total dari permukaan plat dasar dan sirip, dan dapat
dihitung dengan menggunakan persamaan:
4..
....2
ffbs
NdπNHdπLWA −+= (2.15)
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −+=
4.... dHNdπLWA fbs (2.16)
20
dimana: Wb = lebar plat dasar untuk susunan sirip pin (m)
L = panjang plat dasar untuk susunan sirip pin (m)
d = diameter sirip pin (m)
Nf = jumlah total sirip pin dalam susunan sirip pin
H = tinggi saluran udara atau sirip pin (m)
Dari persamaan (2.12), nilai-nilai bT , inT dan outT diukur dari penelitian yang
dilakukan menggunakan termokopel. Sedangkan sifat termofisik dari udara Cp
dihitung berdasarkan temperatur udara rata-rata, ( ) 2outinf TTT += menggunakan
persamaan sebagai berikut:
( ) K.kgJ10]2107,78185,9[ 24 −− ++= xTTxC outinp (2.17)
Persamaan (2.17) berlaku untuk udara pada K4002
K250 ≤+
≤ outin TT
dan pada
tekanan atmosfer.
Parameter tanpa dimensi yang digunakan dalam perhitungan perpindahan
panas untuk permukaan bersirip dihitung sebagai berikut:
a. Bilangan Reynolds (Re)
Dua jenis bilangan Reynolds digunakan untuk menggolongkan kondisi aliran.
Pertama adalah bilangan Reynolds berdasarkan kecepatan rata-rata (V) dalam
saluran halus (smooth duct) dan diameter hidrolik dari saluran (Dh) dan
dinyatakan dengan:
νDV
Re h.= (2.18)
µ
DVρRe h..
= (2.19)
dimana: Re = duct Reynolds number
V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s)
Dh = diameter hidrolik dari saluran udara (m)
ν = viskositas kinematik udara (m2/s)
ρ = massa jenis udara (kg/m3)
µ = viskositas dinamik udara (kg/m.s)
21
Kedua adalah bilangan Reynolds berdasarkan kecepatan maksimum melalui
sirip pin dan ketebalan dari sirip pin, yaitu:
µ
ρ dVRe maks
D..
= (2.20)
Vmaks dihitung dengan menggunakan persamaan:
VAAAV
frontmaks .⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−= (2.21)
dimana: ReD = pin Reynolds number
Vmaks = kecepatan udara maksimum yang melalui sirip pin
(m/s)
d = diameter sirip pin (m)
A = luas penampang saluran udara (m2)
Afront = luas frontal dari sirip-sirip (m2)
ReD telah digunakan secara luas dalam banyak studi perpindahan panas pada
sirip pin, dan ReD tergantung pada jumlah pin dalam arah spanwise dan tinggi
dari sirip pin. Re di atas biasa disebut sebagai duct Reynolds number dan ReD
disebut sebagai pin Reynolds number.
b. Bilangan Nusselt (Nu)
Seperti pada definisi bilangan Reynolds, bilangan Nusselt rata-rata juga
dinyatakan dengan duct Nusselt number dan pin Nusselt number, dimana
berturut-turut dinyatakan dengan persamaan:
kDh
Nu h.= (2.22)
kdhNuD
.= (2.23)
dimana: Nu = duct Nusselt number
NuD = pin Nusselt number
Dh = diameter hidrolik dari saluran udara (m)
k = konduktivitas termal udara (W/m.K)
d = diameter sirip pin (m)
h = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata
(W/m2.K)
22
Untuk saluran udara segiempat, diameter hidrolik dihitung dengan persamaan:
( )b
bh WH
WHPAD
+==
2..4.4 (2.24)
Sifat fisik udara, µ dan k dihitung berdasarkan temperatur udara rata-rata,
( ) 2outinf TTT += menggunakan persamaan sebagai berikut:
( ) 62 10]210483,49934,4[ −− ++= xTTx outinµ kg/m.s (2.25)
( ) 32 10]210495,77415,3[ −− ++= xTTxk outin W/m.K (2.26)
Persamaan 2.25 dan 2.26 berlaku untuk udara pada K4002
K250 ≤+
≤ outin TT dan
pada tekanan atmosfer.
2.2.7.2 Perhitungan Faktor Gesekan (Friction Factor)
Penelitian penurunan tekanan (pressure drop) sepanjang seksi uji dalam
saluran bersirip diukur di bawah kondisi aliran panas. Pengukuran ini dikonversi
ke faktor gesekan (friction factor), f. Faktor gesekan ditentukan dari nilai
pengukuran penurunan tekanan, ∆P, sepanjang seksi uji menggunakan persamaan:
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
2
∆2Vρ
DL
Pf
h
t
(2.27)
dimana: f = faktor gesekan
∆P = perbedaan tekanan statik (N/m2)
Lt = panjang seksi uji (m)
Dh = diameter hidrolik (m)
ρ = massa jenis udara (kg/m3)
V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s)
2.2.7.3 Perhitungan Unjuk Kerja Termal pada Pin-Fin Assembly
Peningkatan perpindahan panas dicapai dengan disertai penurunan tekanan.
Dalam banyak aplikasi praktis hal tersebut diperbolehkan, sehingga perlu untuk
menentukan keuntungan ekonomis karena peningkatan perpindahan panas dan
pengaruh sirip pin dan susunannya terhadap unjuk kerja energi menyeluruh dari
sistem perpindahan panas sekarang melalui sebuah analisis unjuk kerja termal.
23
Daya pemompaan (pumping power) adalah daya yang dibutuhkan untuk
mengalirkan fluida pendingin ke susunan sirip pin, dalam hal ini adalah daya
blower. Untuk sebuah daya pemompaan yang konstan, efektivitas peningkatan
perpindahan panas dari permukaan bersirip dibandingkan dengan permukaan
halus dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
aass PVPV ∆.∆. && = (2.28)
dimana sV& dan aV& berturut-turut adalah laju aliran volumetrik di atas plat tanpa
halangan (blocks) dan laju aliran volumetrik di atas plat dengan halangan,
sedangkan sP∆ dan aP∆ berturut-turut adalah penurunan tekanan tanpa halangan
dan penurunan tekanan dengan halangan. Menggunakan persamaan Darcy untuk
penurunan tekanan dan bilangan Reynolds untuk masing-masing geometri, dari
hubungan antara permukaan dengan sirip dan permukaan halus untuk daya
pemompaan yang sama, persamaan (2.31) dapat ditulis ulang menjadi:
3aa
3ss RefRef .. = (2.29)
Unjuk kerja termal peningkatan perpindahan panas untuk suatu daya pemompaan
yang konstan dapat dinyatakan sebagai berikut:
( )psa hh=η (2.30)
dimana: ha = koefisien perpindahan panas konveksi dengan sirip
(W/m2.K)
hs = koefisien perpindahan panas konveksi tanpa sirip
(W/m2.K)
Jika nilai η ≥ 1, teknik yang dipakai untuk menaikkan laju perpindahan panas
adalah menguntungkan dari sudut pandang energi. Jika η ≤ 1, energi yang
digunakan untuk menaikkan laju perpindahan panas lebih besar daripada yang
diperoleh.
24
BAB III
3 METODOLOGI PENELITIAN I
3.1 Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan
Termodinamika, Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas
Maret Surakarta.
3.2 Alat Penelitian
Gambar 3.1 Skema alat penelitian
Gambar 3.2 Satu set alat uji inline cylindrical pin fin assembly
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah:
a. Saluran udara segiempat (rectangular channel)
Saluran udara segiempat terbuat dari kayu yang permukaan bagian dalam
dan luarnya dilapisi melamin. Dimensi penampang bagian dalam dari
saluran udara segiempat adalah 150 mm x 75 mm x 2.000 mm.
25
b. Pelurus aliran udara (flow straightener)
Pelurus aliran udara tersusun dari sedotan plastik berdiameter 5 mm,
panjang 200 mm sehingga dimensi keseluruhan dari pelurus aliran udara
adalah 150 mm x 75 mm x 200 mm.
Gambar 3.3 Pelurus aliran udara (flow straightener)
c. Fan hisap
Fan hisap merupakan modifikasi dari blower, sedemikian rupa sehingga
blower dapat menghisap udara.
Gambar 3.4 Fan hisap
d. Rheostat
Rheostat digunakan untuk mengatur putaran fan hisap agar didapatkan
kecepatan udara yang diinginkan.
Gambar 3.5 Rheostat
26
e. Anemometer
Anemometer digunakan untuk mengukur kecepatan aliran udara yang
masuk ke dalam saluran udara segiempat.
Gambar 3.6 Anemometer
f. Pemanas listrik (electric heater)
Pemanas terbuat dari pita nikelin dengan panjang 4.000 mm, lebar 3 mm
dan tebal 1,3 mm yang dililitkan pada kertas mika tahan panas dengan
dimensi panjang 200 mm, lebar 150 mm dan tebal 1 mm.
Gambar 3.7 Pemanas listrik (electric heater)
g. Regulator
Regulator digunakan untuk mengatur tegangan listrik yang dialirkan ke
heater sehingga temperatur base plate dapat dijaga konstan pada setiap
variasi kecepatan dan variasi jarak antar titik pusat sirip pin arah
streamwise.
Gambar 3.8 Regulator pengatur tegangan listrik yang masuk heater
27
h. Multitester digital
Multitester digital digunakan untuk mengukur besarnya tegangan listrik
yang dibutuhkan pemanas listrik untuk mencapai temperatur base plate
yang diinginkan.
Gambar 3.9 Multitester digital
i. Amperemeter
Amperemeter digunakan untuk mengukur besarnya arus listrik yang
dibutuhkan pemanas listrik untuk mencapai temperatur base plate yang
diinginkan.
Gambar 3.10 Amperemeter
j. Manometer U
Manometer terbuat dari selang plastik berdiameter 5 mm yang kedua
ujungnya ditempatkan pada awal dan akhir dari seksi uji, sehingga dapat
mengukur besarnya beda tekanan yang terjadi antara keduanya. Fluida
yang digunakan dalam manometer ini adalah solar.
Gambar 3.11 Manometer U dan posisi titik pengukuran tekanan
28
k. Termokopel
Menggunakan termokopel tipe T sebanyak 17 buah, dimana 3 buah
termokopel digunakan untuk mengukur temperatur udara inlet, 5 buah
termokopel untuk mengukur temperatur udara outlet dan 9 buah
termokopel untuk mengukur temperatur base plate yang direkatkan
dengan lem Araldite.
Gambar 3.12 Termokopel tipe T
l. Thermocouple reader
Alat ini digunakan untuk menunjukkan temperatur yang terukur oleh
sensor termokopel.
Gambar 3.13 Thermocouple reader
3.3 Spesimen
Spesimen berupa pin fin assembly dengan dimensi base plate panjang 200
mm, lebar 150 mm dan tebal 6,5 mm, sedangkan profil sirip adalah silinder pejal
dengan diameter sirip 12,7 mm dan tinggi sirip 75 mm. Bahan base plate dan sirip
adalah duralumin.
Gambar 3.14 Dimensi dan tata nama spesimen
29
Gambar 3.15 Model spesimen
Spesifikasi spesimen adalah sebagai berikut:
Tabel 3.1 Spesifikasi spesimen penelitian Spesimen Sx Sy H Wb L
1 37,5 mm 25 mm 75 mm 150 mm 200 mm 2 37,5 mm 30 mm 75 mm 150 mm 200 mm 3 37,5 mm 37,5 mm 75 mm 150 mm 200 mm 4 37,5 mm 50 mm 75 mm 150 mm 200 mm 5 Plat tanpa sirip
Gambar 3.16 Spesimen 1 Gambar 3.17 Spesimen 2
Gambar 3.18 Spesimen 3 Gambar 3.19 Spesimen 4
30
3.4 Pelaksanaan Penelitian
Pengujian dilakukan pada keadaan diam (statis). Sistem beroperasi pada
temperatur udara masuk yang konstan sebesar 26 oC dan temperatur base plate
yang konstan sebesar 60 oC. Alat penelitian harus dinetralkan terlebih dahulu
seperti pada kondisi pengujian sebelumnya (kondisi awal) untuk periode
pengujian selanjutnya. Pengambilan data penelitian berupa temperatur dilakukan
hingga semua temperatur udara keluar seksi uji mencapai kondisi steady state.
Data-data temperatur dan beda tekanan pada keadaan steady state inilah yang
akan digunakan untuk analisis data penelitian. Dalam setiap pencatatan data akan
diperoleh 17 data temperatur (3 data temperatur udara masuk seksi uji, 5 data
temperatur udara keluar seksi uji dan 9 data temperatur base plate).
3.4.1 Tahap Persiapan
Memastikan bahwa seluruh alat yang digunakan dalam pengujian, seperti
fan hisap, saluran udara, seksi uji, heater, regulator, rheostat, manometer dan alat
pendukung lainnya telah terpasang dengan benar dan berfungsi dengan baik.
Memastikan termokopel pengukur temperatur udara masuk dan keluar telah
terhubung ke thermocouple reader serta termokopel pengukur temperatur
permukaan base plate spesimen telah terpasang dengan benar.
3.4.2 Tahap Pengujian
1. Memasang spesimen ke dalam saluran udara.
2. Menghubungkan semua termokopel pengukur temperatur base plate
dengan thermocouple reader.
3. Menyalakan heater sebagai pemanasan awal (preheating) sebesar 70 oC.
4. Menghidupkan fan hisap.
5. Mengatur kecepatan udara sebesar 0,5 m/s dengan mengatur putaran fan
menggunakan rheostat.
6. Mengatur temperatur base plate pada temperatur 60 oC.
7. Mencatat seluruh data temperatur dan tekanan setiap 10 menit sampai
didapatkan temperatur steady.
8. Mencatat tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan
hisap.
9. Mencatat beda tekanan yang terjadi yang terukur pada manometer U.
31
10. Mematikan heater setelah selesai mengambil data.
11. Mematikan fan.
12. Mengulangi pengujian untuk variasi kecepatan udara yang lain (1 m/s, 2
m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s).
13. Mengulangi langkah (3) – (11).
14. Mengulangi pengujian untuk variasi jarak antar titik pusat sirip pin arah
streamwise, Sy yang lain (30 mm, 37,5 mm dan 50 mm).
15. Mengulangi langkah (1) – (11).
16. Mengulangi pengujian untuk spesimen tanpa sirip.
17. Mengulangi langkah (1) – (4).
18. Mengatur daya pemompaan.
19. Mengulangi langkah (6) – (11).
3.5 Proses Analisis Data
Berdasarkan data hasil pengujian, yaitu berupa kecepatan aliran udara,
temperatur rata-rata udara masuk seksi uji, temperatur rata-rata udara keluar seksi
uji, temperatur rata-rata base plate, beda tekanan serta tegangan listrik dan arus
listrik yang disuplai ke heater, maka dapat dilakukan perhitungan dan analisis
mengenai karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk
kerja termal dari inline cylindrical pin fin assembly. Dari hasil perhitungan
tersebut akan dibuat grafik-grafik yang menunjukkan pengaruh jarak antar titik
pusat sirip pin dalam arah aliran (streamwise direction, Sy/D) terhadap koefisien
perpindahan panas rata-rata (h) dengan bilangan Reynolds (Re), bilangan Nusselt
(Nu) dengan bilangan Reynolds, faktor gesekan (f) dengan bilangan Reynolds, dan
efisiensi (η) dengan bilangan Reynolds, serta grafik bilangan Nusselt dengan Sy/D.
Kemudian dari grafik-grafik tersebut akan dilakukan analisis.
32
3.6 Diagram Alir Penelitian
Variasi: • Kecepatan aliran udara; 0,5 m/s, 1 m/s, 2 m/s, 3
m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s. • Jarak antar titik pusat sirip pin dalam arah aliran
udara (streamwise); 25 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm.
Analisis data: • Laju aliran panas dari listrik (Qelect) • Laju perpindahan panas konveksi (Qconv) • Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) • Bilangan Reynolds (Re) • Bilangan Nusselt (Nu) • Faktor Gesekan (f) • Unjuk kerja termal dari Inline cylindrical pin fin
assembly (η)
Pengumpulan data: • Temperatur udara masuk seksi uji (Tin),
temperatur udara keluar seksi uji (Tout) dan temperatur permukaan plat
• Beda tekanan udara masuk dan udara keluar seksi uji (∆P)
Kesimpulan
Selesai
Hasil analisis data: Karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan
serta unjuk kerja termal
Mulai
Persiapan: Inline cylindrical pin fin assembly
33
BAB IV
4 DATA DAN ANALISIS I
Pada bab ini akan dianalisis mengenai pengaruh bilangan Reynolds dan
jarak antartitik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise direction) terhadap
karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal
dari cylindrical pin fin assembly yang disusun secara segaris (inline) dalam
saluran segiempat (rectangular channel).
Pengujian dilakukan dengan variasi kecepatan aliran udara masuk antara 0,5
– 6 m/s, dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise
direction, Sy/D) yaitu sebesar 25 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm. Data yang
diperoleh dalam pengujian ini, yaitu kecepatan udara masuk, temperatur udara
masuk, temperatur udara keluar, temperatur base plate, penurunan tekanan serta
tegangan dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan hisap. Sistem dijalankan
sampai didapatkan temperatur pada kondisi steady pada tiap variasi pengujian.
Proses pengambilan data adalah setiap 10 menit hingga tercapai kondisi steady.
4.1 Data Hasil Pengujian
Pengujian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan
Termodinamika Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta.
Dari hasil pengamatan temperatur udara masuk seksi uji, temperatur udara
keluar seksi uji, temperatur base plate, penurunan tekanan, kecepatan aliran udara
masuk serta tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan hisap
saat pengujian pada kondisi steady, diperoleh data seperti pada tabel 4.1 – 4.4 di
bawah ini.
(a) (b) (c)
Gambar 4.1 Posisi titik pengukuran (a) temperatur udara masuk saluran (b) temperatur base plate dan (c) temperatur udara keluar saluran.
34
1. Spesimen 1
Tabel 4.1Data hasil pengujian spesimen 1 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 1,97) Kecepatan aliran udara (m/s)
0,5 1 2 3 4 5 5,5 6
Tegangan heater (V) 41 53 70 77 87 93 96 99
Arus heater (A) 2,2 2,8 3,6 4,1 4,5 4,9 5 5,2
Tegangan fan (V) 56 70 86 98 113 134 155 185
Arus fan (A) 1,1 1,3 1,35 1,65 1,75 1,85 1,95 2,05
Beda tinggi fluida manometer (mm) 0,5 0,75 1,5 2 3,25 4,75 6 7
Tin,1 (oC) 26,2 26,3 26,3 26,4 26,3 26,2 26,3 26,2
Tin,2 (oC) 26,2 26,2 26,3 26,4 26,3 26,2 26,2 26,2
Tin,3 (oC) 26,2 26,2 26,2 26,3 26,2 26,2 26,2 26,1
Tin,rata-rata (oC) 26,2 26,23 26,27 26,37 26,27 26,2 26,23 26,13
Tbase,1 (oC) 60,8 58,9 58,8 56 55,6 53,5 53,3 52,8
Tbase,2 (oC) 61,8 60 59,3 57,4 57,5 58,8 58,2 57,5
Tbase,3 (oC) 58,8 56,9 56,8 56,3 56 55,2 54,6 55,2
Tbase,4 (oC) 60,4 57,1 58,5 59,8 58,7 58,4 58,7 58,2
Tbase,5 (oC) 56,7 57,4 57,7 61,4 61,8 62,2 62,5 62
Tbase,6 (oC) 57,7 61,5 58,7 60,6 59,2 60,6 59,8 59,3
Tbase,7 (oC) 63,3 64,6 63,6 63,4 63,6 63,4 63,8 65,2
Tbase,8 (oC) 62,3 64,7 61,7 63,2 64,4 66,8 67 66,5
Tbase,9 (oC) 60,1 60,3 60,8 62,8 63,2 64,8 64,9 64,4
Tbase, rata-rata (oC) 60,21 60,16 59,54 60,1 60 60,41 60,31 60,3
Tout,1 (oC) 36,8 35 33,7 32,2 32,2 31,5 31 30,8
Tout,2 (oC) 36 34,2 33,8 32 31,3 30,8 30,7 30,6
Tout,3 (oC) 36,3 34,3 33,9 32,3 31,4 31 30,8 30,7
Tout,4 (oC) 37 35,2 35 33,8 33,1 33 33,2 33
Tout,5 (oC) 36,6 34,9 33,5 32,1 32,1 31,4 30,9 30,6
Tout, rata-rata (oC) 36,54 34,8 33,6 32,48 32,02 31,54 31,32 31,14
35
2. Spesimen 2
Tabel 4.2 Data hasil pengujian spesimen 2 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 2,36) Kecepatan aliran udara (m/s)
0,5 1 2 3 4 5 5,5 6
Tegangan heater (V) 36 48 61 70 75 80 85 88
Arus heater (A) 2 2,6 3,2 3,6 4 4,2 4,5 4,6
Tegangan fan (V) 55 69 86 98 113 134 153 186
Arus fan (A) 1,1 1,3 1,35 1,65 1,75 1,85 1,9 2,05
Beda tinggi fluida manometer (mm) 0,3 0,6 1,25 1,75 2,5 3,5 4,25 5,25
Tin,1 (oC) 26,3 26,2 26,3 26,3 26,3 26,3 26 26,3
Tin,2 (oC) 26,3 26,2 26,2 26,2 26,2 26,3 25,8 26,3
Tin,3 (oC) 26,3 26,1 26,2 26,2 26,2 26,2 25,8 26,2
Tin,rata-rata (oC) 26,3 26,17 26,23 26,23 26,23 26,27 25,87 26,27
Tbase,1 (oC) 59,7 60,1 60 60 59,6 59,2 58,9 59
Tbase,2 (oC) 59,2 59,5 59,6 59,3 58,6 58,2 58 58
Tbase,3 (oC) 60,1 60,2 60,7 60,1 59,5 59,5 60 59,5
Tbase,4 (oC) 59,8 59,1 58,8 58,8 59,3 59,5 59,6 60
Tbase,5 (oC) 60,5 60,3 60,6 60,9 60,6 60,6 60,6 60,9
Tbase,6 (oC) 61,8 61,1 61,8 62,9 63,5 64,5 65 64,6
Tbase,7 (oC) 60,4 60,3 60,2 60,2 59 58,8 58,9 60
Tbase,8 (oC) 60,7 60,5 59,8 60 59,3 59,1 59,2 59,6
Tbase,9 (oC) 60,2 59,8 59,8 61,1 60,8 61,1 61,7 61,4
Tbase, rata-rata (oC) 60,43 60,2 59,93 60,43 59,7 59,67 59,93 60,33
Tout,1 (oC) 34,8 33,8 31,9 31,3 30,7 30,3 29,8 30,2
Tout,2 (oC) 34,4 32,8 31,5 30,4 30 29,6 29,5 29,7
Tout,3 (oC) 34,5 33 31,8 30,6 30,1 29,8 29,7 29,8
Tout,4 (oC) 35 34 32,9 31,7 31,2 30,9 30,3 30,6
Tout,5 (oC) 34,9 33,6 31,8 31,2 30,8 30,4 30 30,3
Tout, rata-rata (oC) 34,8 33,53 32,17 31,17 30,7 30,37 30 30,23
36
3. Spesimen 3
Tabel 4.3 Data hasil pengujian spesimen 3 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 2,95) Kecepatan aliran udara (m/s)
0,5 1 2 3 4 5 5,5 6
Tegangan heater (V) 34 43 56 64 70 73 78 82
Arus heater (A) 1,8 2,4 3 3,4 3,7 3,8 4,1 4,3
Tegangan fan (V) 56 70 86 98 114 134 154 186
Arus fan (A) 1,1 1,3 1,35 1,65 1,75 1,85 1,95 2,05
Beda tinggi fluida manometer (mm) 0,25 0,5 1 1,5 2,25 3,5 4,25 5,25
Tin,1 (oC) 26,3 26 26,3 26,3 26,2 26,3 26,3 26,3
Tin,2 (oC) 26,2 26 26,2 26,3 26 26,3 26,2 26,2
Tin,3 (oC) 26,2 26 26,2 26,2 26 26,2 26,2 26,1
Tin,rata-rata (oC) 26,23 26 26,23 26,27 26,07 26,27 26,23 26,2
Tbase,1 (oC) 58 59,7 59 59,1 57,1 57,2 58 57,8
Tbase,2 (oC) 61,4 62,6 62,2 62,4 61,4 62 63,3 60,2
Tbase,3 (oC) 57,3 54,3 58,1 58,2 56,6 56,7 58,3 58,5
Tbase,4 (oC) 61,3 62 62 61,5 59 58,5 59,2 60
Tbase,5 (oC) 59,7 60 60 59 57 56,5 57,2 58,7
Tbase,6 (oC) 60,3 61,2 60,6 59,9 60 61,3 62,7 63,6
Tbase,7 (oC) 59,5 60,3 59,6 63,7 64,2 60,6 60,9 60,2
Tbase,8 (oC) 59,8 59,6 58,1 58,8 60,4 56 57,9 57,6
Tbase,9 (oC) 61,8 62 60,1 63 64,6 65 66,9 66,4
Tbase, rata-rata (oC) 60,37 60,63 59,27 61,83 63,07 60,53 61,9 61,4
Tout,1 (oC) 33,2 32 31,2 30,2 29,6 29,3 29,2 29,3
Tout,2 (oC) 33 31,4 30,5 29,8 29,4 29,1 29,3 29,2
Tout,3 (oC) 33,3 31,7 30,7 30,2 29,4 29,1 29,4 29,4
Tout,4 (oC) 33,6 32,6 31,2 31,5 30,8 30,5 30,7 30,5
Tout,5 (oC) 33,4 32,3 31,4 30,5 29,7 29,4 29,4 29,4
Tout, rata-rata (oC) 33,43 32,2 31,1 30,73 29,97 29,67 29,83 29,77
37
4. Spesimen 4
Tabel 4.4 Data hasil pengujian spesimen 4 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 3,94) Kecepatan aliran udara (m/s)
0,5 1 2 3 4 5 5,5 6
Tegangan heater (V) 32 41 51 59 67 71 73 74
Arus heater (A) 1,7 2,3 2,8 3,1 3,6 3,7 3,8 3,9
Tegangan fan (V) 56 69 86 98 113 133 154 185
Arus fan (A) 1,1 1,3 1,35 1,65 1,75 1,85 1,9 2,04
Beda tinggi fluida manometer (mm) 0,2 0,3 2 3 2,25 3,5 4 5
Tin,1 (oC) 26,5 26,6 26,2 26,1 26,4 26 26 25,8
Tin,2 (oC) 26,5 26,6 26,2 26,1 26,3 26 26 25,8
Tin,3 (oC) 26,5 26,6 26,2 26,1 26,4 26 26 25,8
Tin,rata-rata (oC) 26,5 26,6 26,2 26,1 26,37 26 26 25,8
Tbase,1 (oC) 58 58 59,5 61,3 59,4 59,3 59,2 59,2
Tbase,2 (oC) 61,1 61 60,8 59,4 60,4 60,6 60,4 60
Tbase,3 (oC) 59,2 58,5 56,9 58,6 57,4 57,8 57,8 57,9
Tbase,4 (oC) 59 61,3 61,9 61 61,8 61,6 61,3 61,1
Tbase,5 (oC) 60,5 59 58,8 58 58,7 58,6 58,4 58,3
Tbase,6 (oC) 59,2 62,4 61 61,2 62,8 64,3 63,4 63,4
Tbase,7 (oC) 61,5 61,3 62 60,8 61,4 61,2 60,8 60,6
Tbase,8 (oC) 61,8 61,2 62 61,2 62,2 62,3 62,2 62
Tbase,9 (oC) 60,5 57,2 57,2 57,1 58,5 58,1 58,2 58
Tbase, rata-rata (oC) 61,27 59,9 60,4 59,7 60,7 60,53 60,4 60,2
Tout,1 (oC) 33 32,5 30,4 29,4 29,4 28,6 28,5 28,2
Tout,2 (oC) 32,2 31 29,6 29 29,2 28,4 28,4 28
Tout,3 (oC) 32,4 31,2 29,8 29,2 29,4 28,7 28,6 28,2
Tout,4 (oC) 33,2 32,7 32 31,2 31,4 30,4 30,3 30
Tout,5 (oC) 32,9 32,4 30,2 29,5 29,6 28,9 28,7 28,4
Tout, rata-rata (oC) 32,83 32,1 30,67 29,97 30,13 29,33 29,2 28,87
38
5. Spesimen 5
Tabel 4.5 Data hasil pengujian spesimen 5 (pelat tanpa sirip) Kecepatan aliran udara (m/s)
0,6 1,1 2,2 3,3 4,4 5,6 6,3 7
Tegangan heater (V) 19 25 34 40 47 52 55 57
Arus heater (A) 1,1 1,5 1,9 2,1 2,5 2,8 3 3,1
Tegangan fan (V) 56 70 86 98 113 134 154 186
Arus fan (A) 1,1 1,3 1,35 1,65 1,75 1,85 1,95 2,05
Beda tinggi fluida manometer (mm) 0,1 0,15 0,3 0,5 0,75 1 1,2 1,3
Tin,1 (oC) 26,2 26,3 25,9 26,1 25,9 26,3 26 26
Tin,2 (oC) 26,2 26,2 25,9 26,1 26 26,3 26 25,9
Tin,3 (oC) 26,1 26,2 25,8 26 25,8 26,2 25,8 25,8
Tin,rata-rata (oC) 26,17 26,23 25,87 26,07 25,9 26,27 25,93 25,9
Tbase,1 (oC) 59 58,8 59,2 57,2 57,3 57,4 57,8 58,3
Tbase,2 (oC) 56,5 56,5 56,4 56,9 56,5 55,7 55,9 55,6
Tbase,3 (oC) 63,3 64,1 64,7 64,4 64,6 64,8 65 65,2
Tbase,4 (oC) 60,5 59,8 58,3 58,8 59,1 59,7 59,8 60
Tbase,5 (oC) 54,8 54,4 53,4 52,6 52,3 51,8 51,9 51,3
Tbase,6 (oC) 64,7 66,9 67,1 68,1 68,5 69,1 69,4 70,2
Tbase,7 (oC) 64,3 65 63,6 63,8 63,6 64,1 64 64,4
Tbase,8 (oC) 62 61,9 61,8 61,6 61,7 62 62 62,2
Tbase,9 (oC) 63,67 64,6 64,17 64,5 64,6 65,07 65,13 65,6
Tbase, rata-rata (oC) 26,2 26,3 25,9 26,1 25,9 26,3 26 26,4
Tout,1 (oC) 27,3 27,3 27,1 27,1 27 27 27 27
Tout,2 (oC) 26,5 26,4 26,4 26,3 26,3 26,3 26,3 26,2
Tout,3 (oC) 27,4 27,3 27 27 26,8 26,8 26,8 26,7
Tout,4 (oC) 32,6 32,3 31,1 31 31 31 30,8 30,6
Tout,5 (oC) 27,4 27,5 27,3 27,2 27,2 27,1 27,1 27,1
Tout, rata-rata (oC) 28,24 28,16 27,78 27,72 27,66 27,64 27,6 27,52
39
4.2 Perhitungan Data
Data spesimen dan seksi uji:
Panjang seksi uji (Lt) = 250 mm = 0,25 m
Tinggi sirip (H) = 75 mm = 0,075 m
Diameter sirip (d) = 12,7 mm = 0,0127 m
Panjang spesimen (L) = 200 mm = 0,2 m
Lebar spesimen (Wb) = 150 mm = 0,15 m
Contoh perhitungan:
1. Spesimen 1 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 1,97; Nf = 28) pada kecepatan udara 0,5 m/s
Data hasil pengujian:
Tegangan heater = Vh = 41 V Tin, rata-rata = inT = 26,2 oC = 299,2 K
Arus heater = Ih = 2,2 A Tout,, rata-rata = outT = 36,5 oC = 309,5 K
Tegangan fan = Vf = 56 V Tbase, rata-rata = bT = 60,2 oC = 333,2 K
Arus fan = If = 1,1 A
Beda ketinggian fluida manometer = h = 0,5 mm
• Pumping power
ϕcosIVP fffan ..=
0,8A1,1V56 xx=
W3,94=
• Temperatur film
( )
2outin
fTT
T+
=
( )2
K309,52,992 +=
K4,043=
• Properti udara pada temperatur film
3mkg1,1469=ρ (tabel Incropera)
( ) 24 10]2107,78185,9[ xTTxxC outinp ++= −
24 10]4,304107,78185,9[ xxx −+=
kg.KJ1005,29=
40
( ) 32 10]210495,77415,3[ −− ++= xTTxxk outin
32 10]4,30410495,77415,3[ −−+= xxx
m.KW0,0266=
( ) 62 10]210483,49934,4[ −− ++= xTTxx outinµ
62 10]4,30410483,49934,4[ −−+= xxx
m.skg0,00001864=
• Luas penampang melintang saluran udara
bWHA .=
m0,15m0,075 x=
2m0,01125=
• Luas total permukaan perpindahan panas
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −+=
4.... dHNdπLWA fbs
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −+=
4m0,0127m0,07528m0,01273,14m0,2m0,15 xxxx
2m0,11=
• Diameter hidrolik saluran udara
PADh
4=
( )b
b
WHWH+
=2
..4
( )m0,15m0,0752m0,15m0,0754
+=
xxx
m0,1=
• Laju aliran panas dari heater
ϕcos.I.VQ hhelect =
0,8A2,2V14 xx=
W2,27=
41
• Laju aliran massa udara
VAm ..ρ=&
sm0,5m01125,0mkg1,1469 23 xx=
skg0,0065=
• Laju perpindahan panas konveksi
( )inoutpconv TTCmQ −= ..&
( )K299,2309,5kg.KJ1005,29skg0,0065 −= xx
W1,76=
• Heat losses yang terjadi pada seksi uji
%100xQ
QQQ
conv
convelectloss
−=
%100W1,67
W1,7672,2W x−=
%6,7=
• Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata
( )( )( )[ ]2...
inoutbs
inoutpa TTTA
TTCmh
+−
−=
&
( )( )( )[ ]2K2,9925,093K2,333m11,0
K2,9925,093kg.KJ29,0051skg0065,02 +−
−=
xxx
.KmW1,12 2=
• Bilangan Reynolds
µρ hDV
Re..
=
m.skg00001864,0
m0,1sm0,5mkg1469,1 23 xx=
6,3076=
42
• Bilangan Nusselt
kDh
Nu h.=
m.KW0,0266
m0,1.KmW1,12 22 x=
4,79=
• Penurunan tekanan
hgP ..ρ=∆
m0005,0sm81,9mkg800 23 xx=
Pa92,3=
• Faktor gesekan
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
2
∆2Vρ
DL
Pf
h
t
( )⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
2sm5,0mkg1469,1
m1,0m25,0
Pa92,32
3 x
9,10=
43
2. Spesimen tanpa sirip pada pumping power = 49,3 W
Data hasil pengujian:
Tegangan heater = Vh = 19 V Tin, rata-rata = inT = 26,2 oC = 299,2 K
Arus heater = Ih = 1,1 A Tout,, rata-rata = outT = 28,2 oC = 301,2 K
Tegangan fan = Vf = 56 V Tbase, rata-rata = bT = 60,2 oC = 333,2 K
Arus fan = If = 1,1 A
Beda ketinggian fluida manometer = h = 0,1 mm
• Temperatur film
( )
2outin
fTT
T+
=
( )2
K2,3012,992 +=
K2,003=
• Properti udara pada temperatur film
3mkg1,1607=ρ (tabel Incropera)
( ) 24 10]2107,78185,9[ xTTxxC outinp ++= −
24 10]2,300107,78185,9[ xxx −+=
kg.KJ1004,97=
( ) 32 10]210495,77415,3[ −− ++= xTTxxk outin
32 10]2,30010495,77415,3[ −−+= xxx
m.KW0,0262=
( ) 62 10]210483,49934,4[ −− ++= xTTxx outinµ
62 10]2,30010483,49934,4[ −−+= xxx
m.skg0,00001845=
• Luas penampang melintang saluran udara
bWHA .=
m0,15m0,075 x=
2m0,01125=
44
• Luas total permukaan perpindahan panas
bs WLA .=
m0,15m0,2 x=
2m0,03=
• Diameter hidrolik saluran udara
PADh
4=
( )b
b
WHWH+
=2
..4
( )m0,15m0,0752m0,15m0,0754
+=
xxx
m0,1=
• Laju aliran panas dari heater
ϕcos.I.VQ hhelect =
0,8A1,1V91 xx=
W7,61=
• Laju aliran massa udara
VAm ..ρ=&
sm0,6m01125,0mkg1,1607 23 xx=
skg0,008=
• Perpindahan panas konveksi
( )inoutpconv TTCmQ −= ..&
( )K299,2301,2kg.KJ1004,97skg0,008 −= xx
W3,61=
45
• Heat loss yang terjadi
%100xQ
QQQ
conv
convelectloss
−=
%100W3,61
W3,61W7,61 x−=
%4,2=
• Koefisien perpindahan panas
( )( )( )[ ]2...
inoutbs
inoutps TTTA
TTCmh
+−
−=
&
( )( )( )[ ]2K299,22,013K2,333m0,03
K2,9922,013kg.KJ97,0041skg0,0082 +−
−=
xxx
.KmW5,61 2=
• Bilangan Reynolds
µρ hDV
Re..
=
m.skg0,00001845
m0,1sm0,5mkg1607,1 23 xx=
4,3774=
• Bilangan Nusselt
kDh
Nu h.=
m.KW0,02624
m0,1.KmW5,16 22 x=
8,62=
• Penurunan tekanan
hgP ..ρ=∆
m0001,0sm81,9mkg800 23 xx=
Pa78,0=
46
• Faktor gesekan
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
2
∆2Vρ
DL
Pf
h
t
( )⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
2sm6,0
mkg1607,1
m1,0m25,0
Pa78,02
3 x
50,1=
• Unjuk kerja termal pada pin-fin assembly
( )psa hh=η
.KmW5,61.KmW1,12
2
2
=
28,1=
Selanjutnya data perhitungan untuk seluruh variasi pengujian dapat dilihat pada
lampiran C.
47
4.3 Analisis Data
4.3.1 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip dalam
Arah Streamwise terhadap Karakteristik Perpindahan Panas
Sirip-sirip dipasang secara vertikal pada permukaan uji sehingga
memberikan nilai-nilai Sy/D sebesar 1,97, 2,36, 2,95, dan 3,94, sedangkan nilai
Sx/D konstan sebesar 2,95. Pengaruh bilangan Reynolds terhadap karakteristik
perpindahan panas pada fin pin assembly susunan segaris (inline) dapat dilihat
pada gambar 4.2. Karakteristik perpindahan panas pada pin fin assembly dapat
dilihat pada hubungan antara koefisien perpindahan panas konveksi (h) dan duct
Reynolds number. Gambar 4.2 menunjukkan kelakuan koefisien perpindahan
panas konveksi terhadap bilangan Reynolds pada jarak antar titik pusat sirip
dalam arah streamwise yang berbeda-beda.
Gambar 4.2 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata pada Sx/D = 2,95
Dari gambar 4.2 dapat dilihat bahwa dengan kenaikan bilangan Reynolds,
maka nilai koefisien perpindahan panas konveksi semakin besar. Hal ini terjadi
pada keseluruhan nilai Sy/D, dimana nilai koefisien perpindahan panas konveksi
semakin tinggi untuk nilai Sy/D yang semakin kecil. Semakin besar nilai koefisien
perpindahan panas konveksi, maka semakin besar laju perpindahan panas
konveksi yang terjadi.
Karakteristik perpindahan panas pada pin fin assembly juga dapat dilihat
pada hubungan antara duct Nusselt number dan duct Reynolds number. Gambar
4.3 menunjukkan kelakuan bilangan Nusselt rata-rata terhadap bilangan Reynolds
0
25
50
75
100
125
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Re x 103
h (W
/m2 .K
)
48
pada jarak antar titik pusat sirip dalam arah streamwise yang berbeda-beda untuk
susunan sirip segaris (inline). Gambar 4.4 menunjukkan kelakuan bilangan
Nusselt rata-rata terhadap jarak antar titik pusat sirip dalam arah streamwise pada
bilangan Reynolds yang berbeda-beda untuk susunan segaris. Dari gambar 4.3
dapat dilihat bahwa bilangan Nusselt meningkat dengan kenaikan bilangan
Reynolds. Hal ini terjadi pada keseluruhan nilai Sy/D, dimana nilai bilangan
Nusselt semakin tinggi untuk nilai Sy/D yang semakin kecil. Ini berarti bahwa
dengan semakin kecil jarak antar titik pusat sirip dalam arah streamwise, (Sy),
maka semakin besar nilai bilangan Nusselt yang terjadi. Fenomena ini juga terjadi
pada penelitian yang dilakukan oleh Tanda (2001). Dengan semakin kecil nilai
Sy/D maka jumlah sirip semakin banyak untuk luasan base plate yang sama.
Faktor penambahan luasan permukaan perpindahan panas yang berasal dari luasan
permukaan perpindahan panas sirip memberikan kontribusi nyata terhadap
peningkatan laju perpindahan panas konveksi pada pin fin assembly susunan
segaris tersebut.
Gambar 4.3 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap bilangan Nusselt pada Sx/D = 2,95
Dari gambar 4.2 – 4.4 dapat dilihat bahwa bilangan Reynolds mempunyai
pengaruh yang kuat terhadap laju perpindahan panas. Hal ini disebabkan dengan
kenaikan laju aliran udara (kenaikan bilangan Reynolds), maka akan menurunkan
ketebalan lapis batas (boundary layer) (Bilen, 2002).
Nu
0
75
150
225
300
375
450
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Re x 103
49
Gambar 4.4 Pengaruh nilai Sy/D terhadap bilangan Nusselt pada Sx/D = 2,95
Dari data-data penelitian ini dapat diperoleh korelasi matematis untuk
karakteristik perpindahan panas dari pin fin assembly susunan segaris (inline)
dengan program SPSS 16. Dari hasil penelitian untuk plat dengan sirip-sirip pin,
korelasi antara bilangan Nusselt (Nu) dengan bilangan Reynolds (Re), jarak antar
titik pusat sirip (Sy) dan panjang spesimen uji (L) adalah sebagai sebagai berikut:
( ) 427,0633,0214,0 −= LSReNu y (4.1)
Korelasi perpindahan panas pada persamaan (4.1) berlaku valid untuk range
bilangan Reynolds 3.000 < Re < 37.500, L/Dh = 2 dan 1,97 < Sy/D < 3,94.
4.3.2 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip dalam
Arah Streamwise terhadap Karakteristik Penurunan Tekanan
Pengaruh bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah
streamwise terhadap penurunan tekanan (pressure drop) dan faktor gesekan pin
fin assembly susunan segaris berturut-turut dapat dilihat pada gambar 4.5 dan 4.6.
Kelakuan penurunan tekanan (∆P) terhadap bilangan Reynolds (Re) serupa
dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Yang et al (2007). Dari gambar 4.5
dapat dilihat bahwa penambahan sirip-sirip dengan susunan segaris, menyebabkan
penurunan tekanan (pressure drop) yang signifikan dibandingkan dengan
permukaan tanpa sirip-sirip (smooth surface). Kelakuan faktor gesekan terhadap
bilangan Reynolds pada gambar 4.6 serupa dengan hasil penelitian yang dilakukan
oleh Kakac et al (1987). Nilai penurunan tekanan (∆P) dan faktor gesekan (f),
0
75
150
225
300
375
450
1,75 2,25 2,75 3,25 3,75 4,25 4,75
Nu
Sy/D
50
semakin menurun dengan kenaikan nilai Sy/D. Hal ini disebabkan dengan semakin
besar nilai Sy/D, maka jumlah sirip-sirip pin akan semakin berkurang, sehingga
tahanan terhadap aliran udara (resistance to flow) akan semakin berkurang (Bilen,
2002).
Gambar 4.5 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap penurunan tekanan pada Sx/D = 2,95
Dari gambar 4.6 dapat dilihat bahwa nilai Sy/D lebih berpengaruh
dibandingkan bilangan Reynolds terhadap nilai faktor gesekan (f). Hal ini
menunjukkan bahwa kenaikan faktor gesekan (f) seiring dengan berkurangnya
nilai Sy/D pada dasarnya karena meningkatnya luas permukaan halangan dan efek
halangan (blockage effect) akibat kenaikan jumlah sirip-sirip pin.
Gambar 4.6 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor gesekan pada Sx/D = 2,95
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Re x 103
∆P (P
a)
0
2
4
6
8
10
12
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
f
Re x 103
51
Dari data-data penelitian dapat dibuat korelasi matematis antara faktor
gesekan (f) yang dihasilkan dengan bilangan Reynolds (Re), jarak antar titik pusat
sirip (Sy) dan panjang spesimen uji (L) dengan program SPSS 16 sebagai berikut:
( ) 366,1048,1024,2597 −−= LSRef y (4.2)
Korelasi faktor gesekan pada persamaan (4.2) berlaku valid untuk range
bilangan Reynolds 3.000 < Re < 37.500, L/Dh = 2 dan 1,97 < Sy/D < 3,94.
4.3.3 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip dalam
Arah Streamwise terhadap Unjuk Kerja Termal
Dari data penelitian dapat dianalisis mengenai pengaruh jarak antar titik
pusat sirip dan susunan sirip terhadap unjuk kerja umum dari sistem dan dapat
dievaluasi perolehan energi netto karena penambahan sirip-sirip. Peningkatan
perpindahan panas disertai oleh kenaikan penurunan tekanan yang signifikan,
dimana dapat mengeliminasi perolehan energi karena peningkatan laju
perpindahan panas. Untuk tujuan aplikasi praktis, analisis unjuk kerja termal
menjadi sebuah pemikiran yang berguna untuk menentukan perolehan energi netto
karena adanya penambahan sirip-sirip.
Gambar 4.7 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap unjuk kerja termal pada Sx/D = 2,95
Gambar 4.7 menunjukkan hubungan antara unjuk kerja termal (η) dengan
dengan bilangan Reynolds (Re) pada jarak antar titik pusat sirip dalam arah
streamwise yang berbeda-beda untuk susunan sirip segaris (inline). Perlu
ditekankan lagi disini bahwa untuk perolehan energi netto yaitu untuk
perpindahan panas yang efektif, nilai η harus lebih besar dari 1 (batas ambang
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
0 5 10 15 20 25 30 35 40
η
Re x 103
52
perolehan energi). Dari gambar 4.7 dapat dilihat bahwa nilai η menurun dengan
kenaikan bilangan Reynolds (Re), dan nilai η bervariasi antara 0,589 dan 1,28
untuk seluruh Sy/D yang diteliti. Untuk Sy/D = 1,97 pada Re > 24.900, dan Sy/D >
1,97 pada Re > 12.400, nilai η lebih kecil dari 1 dan bervariasi antara 0,589 dan
0,98. Ini berarti bahwa pemakaian pin fin assembly dengan Sy/D = 1,97 pada Re >
24.900, dan Sy/D > 1,97 pada Re > 12.400 akan menyebabkan kehilangan energi
daripada perolehan energi. Nilai η lebih besar dari 1 hanya untuk Sy/D = 1,97 pada
Re < 24.900, dan Sy/D > 1,97 pada Re < 12.400. Sehingga direkomendasikan
untuk memperbaiki efisiensi dari suatu sistem dengan menggunakan pin fin
assembly susunan segaris dibatasi pada spesifikasi Sy/D = 1,97 pada Re < 24.900,
dan Sy/D > 1,97 pada Re < 12.400. Perolehan energi netto dapat dicapai hingga 28
% untuk nilai Sy/D = 1,97 pada Re = 3.076.
53
BAB V
5 PENUTUP I
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan analisis data dan pembahasan, dapat diambil kesimpulan
mengenai pengujian karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan pada
inline cylindrical pin fin array dalam saluran segiempat sebagai berikut:
1. Sirip pin silinder susunan segaris (inline) meningkatkan perpindahan panas
dari permukaan base plate sebagai hasil dari kenaikan luasan permukaan
perpindahan panas, tetapi disertai dengan adanya penurunan tekanan
(pressure drop) yang lebih besar dalam saluran segiempat.
2. Kenaikan bilangan Reynolds (Re) meningkatkan laju perpindahan panas,
tetapi menurunkan unjuk kerja termal (η) untuk keseluruhan nilai Sy/D.
3. Faktor gesekan (f) meningkat seiring dengan berkurangnya nilai Sy/D.
4. Penurunan nilai Sy/D meningkatkan unjuk kerja termal (η).
5. Sirip pin silinder susunan segaris (inline) dapat mencapai perolehan energi
netto hingga 28 % untuk nilai Sy/D = 1,97 pada Re = 3.076.
5.2 Saran
Berdasarkan pengalaman yang diperoleh dari penelitian tentang pengujian
karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan pada inline cylindrical pin
fin array dalam saluran segiempat ini, direkomendasikan beberapa saran sebagai
berikut:
1. Temperatur udara lingkungan perlu dijaga dengan lebih baik agar
temperatur udara masuk saluran dapat lebih stabil, karena perbedaan
temperatur udara lingkungan yang terlalu tinggi sangat berpengaruh
terhadap hasil perhitungan.
2. Perlu adanya pengembangan penelitian mengenai pengaruh variasi geometri
dan jarak antar titik pusat sirip pin terhadap perpindahan panas, penurunan
tekanan, dan unjuk kerja termal dari pin fin assembly.
54
DAFTAR PUSTAKA
Bilen K., Akyol, U., and Yapici, S., 2002, Thermal Performance Analysis of A
Tube Finned Surface, International Journal of Energy Research, Vol. 26,
pp. 321-333.
Holman, J.P., 1992, Perpindahan Kalor, Edisi 6, Erlangga, Jakarta.
http://hypertextbook.com/physics/matter/density/, diakses 15 April 2009.
Incropera, F.P., and DeWitt, D.P., 2007, Fundamentals of Heat and Mass
Transfer, 6th Ed, John Willey and Sons, New York.
Kakac, S., Shah, R.K., and Aung, W., 1987, Handbook of Single Phase
Convective Heat Transfer, John Wiley and Sons, New York.
Krauss, A.D., Aziz, A., and Welty, J., 2006, Extended Surface Heat Transfer, 5th
Ed, John Wiley and Sons, Inc., England.
Lyall, M.E., 2006, Heat Transfer from Low Aspect Ratio Pin Fins, M.S. Thesis,
Departement of Mechanical Engineering, Virginia Polytechnic Institute
and State University, Blacksburg, Virginia.
Naphon P., and Sookkasem A., 2007, Investigation on Heat Transfer
Characteristics of Tapered Cylinder Pin fin Heat Sinks, Energy Conversion
and Management, Vol. 48 pp. 2671–2679.
Sahin B., and Demir, A., 2008, Thermal Performance Analysis and Optimum
Design Parameters of Heat Exchanger Having Perforated Pin Fins, Energy
Conversion and Management, Vol. 49, pp. 1684-1695.
Sahiti, N., Durst, F., and Dewan, A., 2005, Heat Transfer Enhancement by Pin
Elements, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 48, pp.
4738-4747.
Sara, O.N., 2003, Performance Analysis of Rectangular Ducts with Staggered
Square Pin Fins, Energy Conversion and Management, Vol. 44, pp. 1787-
1803.
Tahat, M., Kodah Z.H., Jarrah, B.A., and Probert, S.D., 2000, Heat Transfers from
Pin-Fin Arrays Experiencing Forced Convection, Applied Energy, Vol. 67,
pp. 419-442.
55
Tanda, G., 2001, Heat Transfer and Pressure Drop in A Rectangular Channel with
Diamond-Shaped Elements, International Jurnal of Heat and Mass
Transfer, Vol. 44, pp. 3529-2541.
Yang, K.S., Chu, W.H., Chen, I.Y., and Wang, C.C., 2007, A Comparative Study
of the Airside Performance of Heat Sinks having Pin Fin Configurations,
International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 50, pp. 4661–4667.
56
LAMPIRAN
Lampiran A. Data hasil pengujian (ada di file Microsoft Excel)
57
Lampiran B. Properti berbagai jenis material
Tabel B.1 Properti udara pada tekanan atmosfer (sumber: Fundamentals of Heat and Mass Transfer)
77
Tabel B.2 Massa jenis berbagai material (sumber: www.hypertextbook.com)
material density (kg/m3) material density
(kg/m3) acetone 790 lungs 400 acid, acetic (CH3COOH) 1050 mayonnaise, traditional 910 acid, hydrochloric (HCl) ???? mayonnaise, light 1000 acid, sulfuric (H2SO4) 1390 methane, gas, +25 °C 0.656 air, 100 K 3.556 methane, liquid, -90 °C 162 air, 200 K 1.746 milk, cow, heavy cream 994 air, 293 K 1.207 milk, cow, light cream 1012 air, 300 K 1.161 milk, cow, whole 1030 air, 500 K 0.696 milk, cow, skim 1033 air, 1000 K 0.340 mercury 13,594 alcohol, ethyl (grain) 789.2 monosodium glutamate 1620 alcohol, isopropyl (rubbing) 785.4 nickel 8900 alcohol, methyl (wood) 791.3 nitrogen (N2), gas, ~300 K 1.145 ammonia 771 nitrogen (N2), liquid, 74 K 808 aluminum 2700 oil, vegetable, coconut 924 argon, gas, ~300 K 1.449 oil, vegetable, corn 922 argon, liquid, 87 K 1430 oil, vegetable, olive 918 beer, pilsner, 4 °C 1008 oil, vegetable, palm 915 benzene 870 oil, vegetable, peanut 914 blood 1035 oil, vegetable, soya 927 body fat 918 osmium 22,500 bone 1900 oxygen (O2), gas, ~300 K 1.308 butane 551 oxygen (O2), liquid, 87 K 1155 butter 911 perchlorethylene 1600 carbon 2250 platinum 21,450 carbon dioxide, gas, +25 °C 1.799 plutonium, α 19,860 carbon dioxide, solid, −37 °C 1101 salt (sodium chloride) 2165 copper 8960 silicon 2330 corn starch, loosely packed 540 silicon dioxide (quartz) 2600 corn starch, tightly packed 630 silicone 993 corn syrup 1380 silver 10,490 diesel 800 skin 1050 formaldehyde 1130 sodium bicarbonate 2200 freon 12, liquid 1311 sugar, sucrose 1550 freon 12, vapor 36.83 titanium 4500 gasoline 803 tungsten 19,300 glycerine 1260 uranium 19,050 gold 19,300 water, liquid, 100 °C 958.40 helium, gas, ~300 K 0.164 water, liquid, 50 °C 988.03 helium, liquid, 4 K 147 water, liquid, 30 °C 995.65 hydrogen (H2), gas, 300 K 0.082 water, liquid, 20 °C 998.21 hydrogen (H2), liquid, 17 K 71 water, liquid, 10 °C 999.70 honey 1420 water, liquid, 4 °C 999.98 iron 7870 water, liquid, 0 °C 999.84 iridium 22,400 water, ice, 0 °C 916 kerosene 810 water, ice, -50 °C 922 lard 919 water, ice, -100 °C 927 lead 11,350 water, sea 1025 lithium 534 zinc 7140 lithium 6 deuteride 820
Lampiran C. Hasil perhitungan data pengujian
Tabel C.1 Perhitungan spesimen 1
No. V (m/s)
Vh (volt)
Ih (A)
Vf (volt)
If (A)
inT (K)
outT (K)
bT (K)
Pfan (W)
Tf (K)
ρ (kg/m3)
Cp (J/kg.K)
k (W/m.K)
µ (kg/m.s)
1 0,5 41 2,2 56 1,1 299,2 309,5 333,2 49,3 304,4 1,1469 1005,29 0,02655 0,00001864 2 1 53 2,8 70 1,3 299,2 307,8 333,2 72,8 303,5 1,1497 1005,22 0,02649 0,00001860 3 2 70 3,6 86 1,35 299,3 306,6 332,5 92,9 302,9 1,1516 1005,18 0,02645 0,00001857 4 3 77 4,1 98 1,65 299,4 305,5 333,1 129,4 302,4 1,1533 1005,14 0,02641 0,00001855 5 4 87 4,5 113 1,75 299,3 305,0 333,0 158,2 302,1 1,1543 1005,12 0,02639 0,00001854 6 5 93 4,9 134 1,85 299,2 304,5 333,4 198,3 301,9 1,1552 1005,09 0,02637 0,00001853 7 5,5 96 5 155 1,95 299,2 304,3 333,3 241,8 301,8 1,1555 1005,09 0,02636 0,00001852 8 6 99 5,2 205 2,15 299,2 304,1 333,3 352,6 301,7 1,1559 1005,08 0,02635 0,00001852
Tabel C.2 Perhitungan spesimen 1 (lanjutan) V
(m/s) A
(m2) As
(m2) m&
(kg/s) Qelect (W)
Qconv (W)
Qloss (%)
h (W/m2.K) Re Nu ∆P
(Pa) f η 0,5 0,01125 0,11 0,0065 72,2 67,1 7,6 21,1 3076,6 79,4 3,92 10,93 1,28 1 0,01125 0,11 0,0129 118,7 111,4 6,6 34,1 6181,1 128,7 5,89 4,10 1,22 2 0,01125 0,11 0,0259 201,6 191,0 5,5 58,5 12400,6 221,3 11,77 2,04 1,18 3 0,01125 0,11 0,0389 252,6 239,2 5,6 70,7 18651,3 267,8 15,70 1,21 1,09 4 0,01125 0,11 0,0519 313,2 300,4 4,3 88,3 24905,3 334,6 25,51 1,10 0,98 5 0,01125 0,11 0,0650 364,6 348,8 4,5 100,3 31176,8 380,4 37,28 1,03 0,92
5,5 0,01125 0,11 0,0715 384,0 365,5 5,1 105,1 34311,4 398,9 47,09 1,08 0,83 6 0,01125 0,11 0,0780 411,8 390,0 5,6 111,8 37455,1 424,2 54,94 1,06 0,76
79
Tabel C.3 Perhitungan spesimen 2
No. V (m/s)
Vh (volt)
Ih (A)
Vf (volt)
If (A)
inT (K)
outT (K)
bT (K)
Pfan (W)
Tf (K)
ρ (kg/m3)
Cp (J/kg.K)
k (W/m.K)
µ (kg/m.s)
1 0,5 36 2 55 1,1 299,3 307,7 333,3 48,4 303,5 1,1497 1005,22 0,02649 0,00001860 2 1 48 2,6 69 1,3 299,2 306,4 333,1 71,8 302,8 1,1521 1005,17 0,02644 0,00001857 3 2 61 3,2 86 1,35 299,2 305,0 333,1 92,9 302,1 1,1544 1005,11 0,02638 0,00001854 4 3 70 3,6 98 1,65 299,2 304,0 333,4 129,4 301,6 1,1560 1005,08 0,02635 0,00001852 5 4 75 4 113 1,75 299,2 303,6 333,0 158,2 301,4 1,1568 1005,06 0,02633 0,00001851 6 5 80 4,2 134 1,85 299,3 303,2 333,1 198,3 301,2 1,1573 1005,04 0,02632 0,00001850 7 5,5 85 4,5 153 1,9 298,9 302,9 333,2 232,6 300,9 1,1585 1005,02 0,02629 0,00001848 8 6 88 4,6 190 2,05 299,3 303,1 333,3 311,6 301,2 1,1574 1005,04 0,02632 0,00001850
Tabel C.4 Perhitungan spesimen 2 (lanjutan) V
(m/s) A
(m2) As
(m2) m&
(kg/s) Qelect (W)
Qconv (W)
Qloss (%)
h (W/m2.K) Re Nu ∆P
(Pa) f η 0,5 0,01125 0,099 0,0065 57,6 54,7 5,2 18,6 3090,7 70,3 2,35 6,55 1,13 1 0,01125 0,099 0,0130 99,8 94,8 5,4 31,7 6204,6 119,8 4,71 3,27 1,14 2 0,01125 0,099 0,0260 156,2 150,0 4,1 48,9 12455,1 185,5 9,81 1,70 0,98 3 0,01125 0,099 0,0390 201,6 188,5 7,0 60,1 18729,2 228,2 13,73 1,06 0,92 4 0,01125 0,099 0,0521 240,0 226,4 6,0 72,5 25004,1 275,2 19,62 0,85 0,81 5 0,01125 0,099 0,0651 268,8 257,3 4,5 81,9 31282,2 311,1 27,47 0,76 0,75
5,5 0,01125 0,099 0,0717 306,0 287,7 6,4 90,0 34477,9 342,5 33,35 0,76 0,71 6 0,01125 0,099 0,0781 323,8 302,6 7,0 95,3 37546,6 362,2 41,20 0,79 0,64
80
Tabel C.5 Perhitungan spesimen 3
No. V (m/s)
Vh (volt)
Ih (A)
Vf (volt)
If (A)
inT (K)
outT (K)
bT (K)
Pfan (W)
Tf (K)
ρ (kg/m3)
Cp (J/kg.K)
k (W/m.K)
µ (kg/m.s)
1 0,5 34 1,8 56 1,1 299,2 306,3 332,9 49,3 302,8 1,1522 1005,16 0,02643 0,00001857 2 1 43 2,4 70 1,3 299,0 305,0 333,2 72,8 302,0 1,1547 1005,10 0,02638 0,00001853 3 2 56 3 86 1,35 299,2 304,0 333,0 92,9 301,6 1,1560 1005,07 0,02635 0,00001851 4 3 64 3,4 98 1,65 299,3 303,4 333,6 129,4 301,4 1,1569 1005,05 0,02633 0,00001850 5 4 70 3,7 114 1,75 299,1 302,8 333,0 159,6 300,9 1,1583 1005,02 0,02630 0,00001848 6 5 73 3,8 134 1,85 299,3 302,5 332,3 198,3 300,9 1,1585 1005,02 0,02629 0,00001848 7 5,5 78 4,1 154 1,95 299,2 302,6 333,5 240,2 300,9 1,1583 1005,02 0,02630 0,00001848 8 6 82 4,3 186 2,05 299,2 302,6 333,3 305,0 300,9 1,1585 1005,02 0,02629 0,00001848
Tabel C.6 Perhitungan spesimen 3 (lanjutan) V
(m/s) A
(m2) As
(m2) m&
(kg/s) Qelect (W)
Qconv (W)
Qloss (%)
h (W/m2.K) Re Nu ∆P
(Pa) f η 0,5 0,01125 0,087 0,0065 49,0 46,0 6,4 17,5 3102,9 66,2 1,96 5,45 1,06 1 0,01125 0,087 0,0130 82,6 78,3 5,4 28,8 6231,1 109,1 3,92 2,72 1,03 2 0,01125 0,087 0,0260 134,4 124,6 7,9 45,5 12487,5 172,8 7,85 1,36 0,92 3 0,01125 0,087 0,0390 174,1 163,8 6,3 58,1 18757,4 220,8 11,77 0,90 0,89 4 0,01125 0,087 0,0521 207,2 194,5 6,5 69,4 25066,9 263,9 17,66 0,76 0,77 5 0,01125 0,087 0,0652 221,9 210,4 5,5 76,7 31341,9 291,6 27,47 0,76 0,70
5,5 0,01125 0,087 0,0717 255,8 242,5 5,5 85,3 34468,2 324,3 33,35 0,76 0,67 6 0,01125 0,087 0,0782 282,1 264,1 6,8 93,2 37608,9 354,4 41,20 0,79 0,63
81
Tabel C.7 Perhitungan spesimen 4
No. V (m/s)
Vh (volt)
Ih (A)
Vf (volt)
If (A)
inT (K)
outT (K)
bT (K)
Pfan (W)
Tf (K)
ρ (kg/m3)
Cp (J/kg.K)
k (W/m.K)
µ (kg/m.s)
1 0,5 32 1,7 56 1,1 299,5 305,7 333,1 49,3 302,6 1,1527 1005,15 0,02642 0,00001856 2 1 41 2,3 69 1,3 299,6 305,0 333,0 71,8 302,3 1,1538 1005,13 0,02640 0,00001854 3 2 51 2,8 86 1,35 299,2 303,4 333,0 92,9 301,3 1,1571 1005,05 0,02632 0,00001850 4 3 59 3,1 98 1,65 299,1 302,7 332,8 129,4 300,9 1,1585 1005,02 0,02629 0,00001848 5 4 67 3,6 113 1,75 299,4 302,8 333,3 158,2 301,1 1,1578 1005,03 0,02631 0,00001849 6 5 71 3,7 132 1,85 299,0 302,0 333,4 195,4 300,5 1,1597 1004,99 0,02626 0,00001846 7 5,5 73 3,8 146 1,9 299,0 301,9 333,2 221,9 300,5 1,1599 1004,98 0,02626 0,00001846 8 6 74 3,9 173 2,03 298,8 301,6 333,1 281,0 300,2 1,1608 1004,96 0,02624 0,00001845
Tabel C.8 Perhitungan spesimen 4 (lanjutan) V
(m/s) A
(m2) As
(m2) m&
(kg/s) Qelect (W)
Qconv (W)
Qloss (%)
h (W/m2.K) Re Nu ∆P
(Pa) f η 0,5 0,01125 0,076 0,0065 43,5 40,7 7,0 17,6 3105,3 66,6 1,57 4,36 1,0684 1 0,01125 0,076 0,0130 75,4 69,9 7,9 30,0 6221,8 113,7 2,35 1,63 1,0781 2 0,01125 0,076 0,0260 114,2 109,9 4,0 45,7 12508,4 173,6 5,89 1,02 0,9192 3 0,01125 0,076 0,0391 146,3 139,9 4,6 57,7 18804,5 219,4 11,77 0,90 0,8867 4 0,01125 0,076 0,0521 193,0 179,8 7,3 73,6 25045,6 279,7 17,66 0,76 0,8209 5 0,01125 0,076 0,0652 210,2 196,7 6,9 78,8 31403,9 299,9 27,47 0,76 0,7219
5,5 0,01125 0,076 0,0718 221,9 209,2 6,1 84,2 34553,5 320,8 31,39 0,72 0,6635 6 0,01125 0,076 0,0784 230,9 217,3 6,2 87,2 37748,7 332,1 39,24 0,75 0,5892
82
Tabel C.9 Perhitungan spesimen 5
No. V (m/s)
Vh (volt)
Ih (A)
Vf (volt)
If (A)
inT (K)
outT (K)
bT (K)
Pfan (W)
Tf (K)
ρ (kg/m3)
Cp (J/kg.K)
k (W/m.K)
µ (kg/m.s)
1 0,6 19 1,1 56 1,1 299,2 301,2 333,2 49,3 300,2 1,1607 1004,97 0,02624 0,00001845 2 1,1 25 1,5 70 1,3 299,2 301,2 333,5 72,8 300,2 1,1607 1004,97 0,02624 0,00001845 3 2,2 34 1,9 86 1,35 299,1 300,8 333,1 92,9 299,9 1,1617 1004,94 0,02622 0,00001844 4 3,3 40 2,1 98 1,65 299,2 300,7 333,0 129,4 300,0 1,1615 1004,95 0,02622 0,00001844 5 4,4 47 2,5 113 1,75 299,1 300,7 333,4 158,2 299,9 1,1618 1004,94 0,02622 0,00001844 6 5,6 52 2,8 134 1,85 299,2 300,6 333,0 198,3 299,9 1,1617 1004,94 0,02622 0,00001844 7 6,3 55 3 154 1,95 299,1 300,6 333,2 240,2 299,8 1,1620 1004,94 0,02621 0,00001843 8 7 60 3,3 186 2,05 298,9 300,5 333,3 305,0 299,7 1,1624 1004,93 0,02620 0,00001843
Tabel C.10 Perhitungan spesimen 5 (lanjutan) V
(m/s) A
(m2) As
(m2) m&
(kg/s) Qelect (W)
Qconv (W)
Qloss (%)
h (W/m2.K) Re Nu
∆P (Pa) f
0,6 0,01125 0,03 0,0078 16,7 16,3 2,4 16,5 3774,4 62,8 0,78 1,50 1,1 0,01125 0,03 0,0144 30,0 27,8 7,9 27,8 6920,0 106,1 1,18 0,67 2,2 0,01125 0,03 0,0288 51,7 49,5 4,4 49,7 13860,0 189,6 2,35 0,34 3,3 0,01125 0,03 0,0431 67,2 64,4 4,3 65,1 20784,1 248,1 3,92 0,25 4,4 0,01125 0,03 0,0575 94,0 90,2 4,3 89,7 27726,4 342,0 5,89 0,21 5,6 0,01125 0,03 0,0732 116,5 108,4 7,5 109,1 35283,8 416,1 7,85 0,17 6,3 0,01125 0,03 0,0824 132,0 126,9 4,0 126,9 39708,9 484,2 9,42 0,16 7 0,01125 0,03 0,0915 158,4 149,0 6,3 147,9 44149,9 564,5 10,20 0,14
83