Koefisien perpindahan kalor menyeluruh

2.2. Landasan Teori

2.2.1. Koefisien perpindahan kalor menyeluruh

Studi eksperimental dan analisa analitis telah dilakukan untuk menetukan koefisien perpindahan kalor dan penurunan tekanan pada APK selongsong dan tabung.

Keseimbangan energi APK adiabatis pada kondisi steady – state:

(

_{hi ho}

)

_{u pu}

(

_{co ci}

)

pa

a c T T m c T T

m

Q= . − = − ...(2.1) Jumlah kalor yang diserap oleh fluida pada selongsong dihitung dengan rumus:

Tm

Sehingga, untuk performa panas APK

( ) ( )

Efektivitas APK karena pada penelitian ini menggunakan APK selongsong dan tabung satu tabung dan satu laluan efektifitas APK dianalogikan pada efektivitas APK pipa ganda:

qmaks Bilangan Nusselt sisi tabung dihitung dengan menggunakan persamaan Seider-Tate dan Hausen:

( )

^0.14

Koefisien perpindahan kalor pada bagian dalam tabung dapat dihitung dengan persamaan berikut:

in

i d

Nui k

h = ... (2.17)

Suhu pemukaan dinding dalam tabung dapat dihitung sebagai berikut:

 Suhu permukaan dinding luar tabung dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:

Koefisien perpindahan kalor pada sisi selongsong:

(

c L B R s

)

ideal

o h J J J J J

h = ... (2.20) Bilangan Reynold dalam selongsong dapat dihitung dengan persamaan yang dikembangkan oleh Gadis E.S., Gnielinski V [26].

ψ

Lbc Koefisien perpindahan kalor ideal pada selogsong

_2/3

Luas daerah aliran lintang pada selongsong:

( )

Gambar 2.3. Dimana pada penelitian ini menggunakan susunan tabung segi empat.

Gambar 2.4 Profil Aliran dan Konstruksi Luas Jendela Baffle Cut

Gambar 2.4. Dimana yang warna merah adalah baffle dan warna biru adalah tube dan warna hitam adalah arah aliran fluida (udara). Dimana pada pemotongan baffle cut 25,6 % alirannya adalah ideal (optimal) seperti garis warna hitam.

Jumlah lubang = 38 buah Baffle cut = 11 %

Jumlah lubang = 33 buah

Jumlah lubang = 26 buah

Jumlah lubang = 19 buah

Gambar 2.5. Jenis-jenis baffle cut yang diuji

Tabel 2.2 . Faktor konstanta untuk perhitungan koefisien perpindahan kalor ideal Baffle cut = 25,6 %

Baffle cut = 38,88 %

Baffle cut = 48,97 %

Tabel 2.2. Dimana sudut Ө yang diambil adalah 45^o. Dan itu berlaku pada baffle cut susunan tabung segi empat dan sudut Ө = 45^o.

Koefisien perpindahan kalor actual pada selongsong h_o =h_ideal J_C J_L J_B J_S

……….………… (2.32) Faktor koreksi untuk aliran pada jendela baffle

Jc = 0.55 + 0.72Fc ……….……. (2.33) Faktor kebocoran aliran tabung-baffle dan baffle-selongsong

JL=^0,44

(

¹−rs

)

^.+

[

¹−^0,44

(

¹−rs

) ]

^e-2,2rlm ………..…. (2.40) Luas celah kebocoran antara selongsong dan baffle

(

BC

)

Gambar 2.6. menunjukkan geometri baffle yang digunakan dalam penelitian ini.

Gambar 2.6. Geometri baffle [29]

Gambar 2.6. Menunjukkan pemotongan baffle cut dan sudut lubang pada baffle cut yang digunakan.

Luas kebocoran antara lubang tabung pada satu baffle ^Stb=

[ (

^d+^Ltb

)

−^d

]

^Nt

⁽

1−^Fw

⁾

4

2 2

π

………...…….. (2.42)

m tb sb

lm S

S r =S +

……….…….……... (2.43)

tb sb

sb

S S S

r S

= +

……… (2.44)

Faktor Bypass Bundle

J_B=Exp

(

−Cj Fsbp

)

.

(

1−

(

2rss

) )

¹³ ………….….. (2.45)

Jika Re_o,ψ ≤100 , Cj = 1,25 Re_o,ψ ≥100, Cj = 1.35 Jumlah baris tabung pada baffle tip

( )

Karena APK tidak memakai sealing strip maka:

Nss=0

Karena APK pada penelitian adalah APK satu selongsong dan satu aliran tabung maka efektivitas APK ini dianalogikan pada APK pipa ganda maka efektivitas APK dapat dihitung dari persamaan berikut:

Efektivitas APK aliran searah

[ ( ) ]

Thin

Tcin

Tcout

Tcin

Tcout

Thin

Thout

Thout

(a) (b)

Gambar 2.7 Arah aliran fluida didalam APK selongsong dan tabung

Gambar a, Dimana arah aliran air panas dan arah aliran udara satu arah, sehingga panas air panas yang diserap udara tidak terlalu banyak apabila dibandingkan dengan arah berlawanan.

Gambar b, Dimana arah aliran air panas dan arah aliran udara berlawanan, sehingga temperatur air panas keluar menurun dan temperatur udara keluar naik.

2.2.2. Penurunan Tekanan

Hal yang sama juga berlaku untuk menentukan penurunan tekanan, faktor koreksi untuk menghitung penurunan tekanan didalam selongsong, juga memperhitungkan pengaruh dari kebocoran.

Penurunan tekanan total didalam selongsong dibagi dalam beberapa komponen:

1. Penurunan tekanan total pada sisi masuk dan keluar nosel pada ujung-ujung APK selongsong dan tabung.

2. Penurunan tekanan yang terjadi pada interior penampang lintang.

3. Penurunan tekanan disebabkan pola aliran pada sisi masuk pada ujung penampang lintang melintasi bundle tabung hingga pada ketinggian baffle dan sebelum memasuki luasan jendela .

Penurunan tekanan total pada APK selongsong dan tabung:

_{B S}

Faktor koreksi akibat aliran bypass untuk penurunan tekanan

Faktor koreksi akibat aliran kebocoran untuk penurunan tekanan

RL =exp

[

−1,33

(

1+rs

)( )

rl ^P

]

………..….. (2.69) ^P=0,8−0,15

(

^1+rs

)

……….….. (2.70) Faktor koreksi akibat jarak baffle yang tidak sama untuk penurunan tekanan

Penurunan tekanan dalam selongsong hasil penelitian dihitung dengan persamaan:

h g P_s=ρ

∆ ………..………… (2.72)

Koefisien gesekan didalam selongsong dihitung dengan menggunakan persamaan:

( )

2 1 4

2

De

V D N

P f ^b+ ^s ρ

=

∆ ………..……… (2.73)

(

1

)

²

4 2

V N

De f P

b

s ρ

+

= ∆ ………..….. (2.74)

Kecepatan maksimum udara didalam selongsong dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

Sm V m^u

=ρ ……….…………. (2.75)

3.1. Tempat dan Waktu 3.1.1.Tempat

Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Perpindahan Panas Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara

3.1.2. Waktu

Waktu penelitian direncanakan mulai dari persetujuan yang diberikan oleh komisi pernbimbing, perencanaan alat, pengambilan data hingga pengolahan data sampai dinyatakan selesai.

3.2. Bahan dan Alat 3.2.1. Bahan

Bahan-bahan penelitian yang akan dirakit terdiri atas:

1. Bahan tabung tembaga diameter luar ( 12.7) mm

2. Bahan selongsong terbuat dari stainless steel diameter dalam (Ds) mm.

3. Bahan pelat aluminium tebal ( t) mm sebagai bahan baffle.

4. Bahan lem silicon sebagai bahan perekat (kebocoran dan lain-lain).

5. Bahan selang plastik yang tahan panas untuk alat ukur tekanan . 6. Bahan pipa cast iron ¾”.

23

7. Bahan stainless steel sebagai header.

8. Bahan triplek dengan tebal 5 mm sebagai isolasi kalor untuk tangki air.

9. Paking tahan panas tebal 2 mm.

3.2.2. Alat

Alat yang dipergunakan dalam penelitian ini terdiri atas:

1. Blower, untuk mengalirkan udara dari atmosfir ke dalam alat uji dengan data-data teknis sebagai berikut:

Tipe: Centrifugal Air Blower 3" Daya, P =370 W Tegangan, V = 220 V

Putaran, n = 2800 rpm

Kapasitas, Q = 8,5 m ³ / menit

2. Pompa sirkulasi, untuk mengalirkan air dari tangki penampungan ke tangki pemanas dengan data-data teknis:

Mode: AQVA 125 B Head, H = 33 m Kapasitas, Q = 42 l/ menit Daya, P = 125 W Putaran n = 2850 rpm

3. Termo Resistance PT. 100 ohm untuk mengukur suhu dengan data-data teknis:

Diameter = 0,50 mm Material , RTD BuLB Tipe: PT 100 Ohm Continious: 0 – 500 ⁰C

1. Kawat Termokopel.

2. Katup bypass, untuk mengatur kapasitas aliran udara menuju alat uji.

3. Anemometer, untuk mengukur kecepatan udara.

4. Tangki, pemanas tempat untuk memanaskan air.

5. Heater 5 kW, alat pemanas yang dicelup ke dalam air pada tangki pemanas.

6. Flowmeter air, untuk mengukur laju aliran panas menuju alat uji.

7. Katup control, untuk mengatur laju aliran air yang mengalir.

8. Manometer air pipa U untuk mengukur perbedaan tekanan dalam shell.

9. Termometer air raksa standar skala 0–110⁰C sebagai pembanding dalam kalibrasi.

10. alat ukur suhu.

11. Multimeter sebagai pengukur tahanan dalam kalibrasi alat ukur suhu 12. Chanel indicator temperature sebagai petunjuk skala suhu.

13. Termostat.

14. Katup, elbow, water mur dan sambungan pipa