DATA DAN ANALISIS
4.1 Data Hasil Pengujian
4.3.2. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas
Pada pengujian karakteristik perpindahan panas dari penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi ini dilakukan dengan memvariasikan bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam, dan dengan memvariasikan penambahan classic twisted tape insert dan oblique teeth twisted tape insert.
Gambar 4.11. Grafik hubungan antara Nui dengan Re
Pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan pengaruh penambahan classic twisted tape insert dan oblique teeth twisted tape insert dengan variasi tooth angle sebesar 15o (oblique teeth I), 30o (oblique teeth II) dan 45o (oblique teeth III) di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi dapat dilihat pada gambar 4.11. Karakteristik perpindahan panas dari penukar kalor pipa konsentrik ini dapat dilihat dari hubungan antara bilangan Nusselt (Nu) dengan bilangan Reynolds (Re).
0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 5000 10000 15000 20000 25000 Re Plain Tube Classic O.TEETH I O.TEETH II O.TEETH III Nui
commit to user
Gambar 4.12. Grafik hubungan antara Nui aktual dan korelasi Nui Manglik-Berges dengan Re
Manglik dan Bergles mengembangkan korelasi untuk classic twisted tape insert berlaku untuk pipa bulat, dalam daerah turbulen dan valid untuk temperatur dinding konstan dan fluks kalor konstan. Dari hasil pengujian, perbedaan nilai rata-rata Nui di pipa dalam dengan persamaan Manglik-Bergles adalah sebesar 14,98% untuk classic twisted tape insert, dan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° berturut-turut sebesar 12,44%, 10,50% dan 6,03%. Oblique teeth twisted tape insert menghasilkan penyimpangan yang semakin kecil seiring dengan meningkatnya tooth angle. Nilai penyimpangan terbesar pada oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, hal ini dapat terjadi karena adanya potongan di tepi twisted tape insert yang mengakibatkan gangguan aliran di sekitar dinding pipa dan vortisitas di belakang potongan dan semakin besar tooth angle maka semakin kecil penyimpangan Nui Manglik-Berges. Penyimpangan nilai Nu,i untuk classic twisted tape insert cukup kecil dibandingkan korelasi Manglik-Berges (14,98%), sehingga data nilai Nu,i di
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 5000 10000 15000 20000 Re Classic O.TEETH I O.TEETH II O.TEETH III Manglik Classic Manglik O.TEETH I Manglik O.TEETH II Manglik O.TEETH III
commit to user
pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik dengan twisted tape insert adalah valid. Fenomena ini serupa dengan penelitian Marugesan dkk (2011) yang membandingkan data penelitiannya dengan korelasi empirik Manglik-Berges, dan diperoleh penyimpangan sebesar ±10%. Dari gambar 4.11 dapat dilihat bahwa dengan semakin besar bilangan Reynolds (Re), maka bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam (Nu,i) akan semakin naik, ini serupa dengan penelitian Naphon (2006). Kenaikan bilangan Nusselt berarti juga terjadi kenaikan perpindahan panas yang terjadi di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik. Kenaikan bilangan Nusselt rata-rata menunjukkan kenaikan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h). Hal ini terjadi untuk ke semua kasus, yaitu untuk plain tube maupun untuk pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert. Dengan kenaikan bilangan Reynolds, maka semakin tinggi laju aliran massa air dan semakin tinggi tingkat turbulensi aliran air di pipa dalam, sehingga kalor yang berpindah dari air panas di pipa dalam ke air dingin di annulus dari penukar kalor pipa konsentrik semakin besar pula.
Dengan penambahan twisted tape insert di pipa dalam maka dapat digunakan untuk memutar aliran secara kontinyu dari sisi masuk sampai sisi keluar penukar kalor. Hal ini juga berfungsi untuk menambah waktu tinggal aliran dalam penukar kalor, mengurangi lapis batas termal, mencampur aliran antara aliran inti dengan aliran dekat dinding pipa. Peningkatan laju perpindahan panas dibandingkan tanpa sisipan twisted tape insert diakibatkan karena adanya fenomena penurunan tebal lapis batas termal. Pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik tanpa twisted tape insert mempunyai aliran streamline, karena kondisi tanpa slip, air yang kontak langsung dengan permukaan dalam pipa dalam mempunyai kecepatan yang sangat rendah daripada aliran inti. Hal ini menyebabkan lapis batas termal yang terbentuk sangat tinggi sehingga perpindahan panasnya menjadi lambat. Penambahan twisted tape insert di pipa dalam akan mengurangi tebal lapis batas termal sebagai sebuah turbulator untuk sepanjang daerah perpindahan panas.
Dari gambar 4.11 dapat dilihat bahwa bilangan Nusselt dengan penambahan twisted tape insert lebih tinggi dibandingkan plain tube. Ini dapat
commit to user
disebabkan karena twisted tape insert menghasilkan aliran berputar (swirl flow) menginduksi turbulensi, dan mencampur aliran antara aliran inti dengan aliran dekat dinding pipa sehingga mengurangi lapis batas batas termal yang akibatnya menghasilkan peningkatan perpindahan panas (Murugesan, 2010). Pada bilangan Reynolds yang sama, pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert, bilangan Nusselt rata-rata meningkat 12,6% dibandingkan dengan plain tube. Sedangkan untuk penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45°, kenaikan bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam berturut-turut sebesar 16,24%, 18,42% dan 24,4% jika dibandingkan dengan plain tube. Sedangkan jika dibandingkan dengan penambahan classic twisted tape insert, pipa dalam dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° mengalami kenaikan bilangan Nusselt, berturut-turut rata-rata sebesar 3,2%, 5,2% dan 10,5%.
Penambahan oblique teeth twisted tape insert di pipa dalam menghasilkan bilangan Nusselt lebih besar dibandingkan dengan penambahan classic twisted tape insert. Hal ini disebabkan karena potongan-potongan berupa gigi- gigi miring (oblique teeth) pada twisted tape insert dapat memberikan turbulensi tambahan untuk fluida di sekitar dinding pipa dan vortisitas di balik potongan-potongan tersebut, sehingga meningkatkan perpindahan panas yang lebih tinggi. Fenomena serupa juga terjadi pada penelitian Murugesan (2009, 2010, 2011), dimana twisted tape insert dengan potongan-potongan kecil berbentuk trapesium, persegi dan huruf V dapat memberikan turbulensi tambahan untuk fluida di sekitar dinding pipa dan vortisitas di balik potongan-potongan tersebut, sehingga meningkatkan perpindahan panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan classic twisted tape insert. Dari gambar 4.11 dapat dilihat bahwa bilangan Nusselt rata-rata dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert semakin besar dengan kenaikan nilai tooth angle. Hal ini sama dengan penelitian Saha (2010). Pada penelitian ini, bilangan Nusselts rata-rata tertinggi diperoleh dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 45o.
Penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik memerlukan daya pemompaan ya ng lebih besar karena adanya
commit to user
penurunan tekanan yang besar pula. Oleh karena itu, analisis pengaruh penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik juga dilakukan pada daya pemompaan yang sama. Pengaruh penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik terhadap karakteristik perpindahan panasnya pada daya pemompaan yang sama dapat dilihat pada gambar 4.13
Gambar 4.13. Grafik hubungan antara Nui dengan Re pada daya pemompaan yang sama.
Dari gambar 4.13, dapat dilihat bahwa pada daya pemompaan yang sama, menyebabkan bilangan Reynolds akan berbeda untuk plain tube dengan pipa dalam yang diberi twisted tape insert. Pada daya pemompaan yang sama, bilangan Nusselt untuk pipa dalam dengan classic twisted tape insert naik rata-rata 8,93% dibandingkan plain tube, sedangkan dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45°, bilangan Nusselt naik rata-rata berturut-turut sebesar 10,14%; 11,05%; dan 13,33% dibandingkan plain tube. Pada daya pemompaan yang sama, bilangan Nusselt rata-rata pipa dalam dengan penambahan oblique teeth twisted tape insert dengan tooth angle 15°, 30°, dan 45° dibandingkan dengan penambahan classic twisted tape naik rata-rata sebesar
0 30 60 90 120 150 0 5000 10000 15000 20000 25000 Re Plain Tube O.TEETH I O.TEETH II O.TEETH III Classic Nui
commit to user
1,1%, 1,2%, dan 4,1%. Ini menunjukkan bahwa penambahan oblique teeth twisted tape insert di pipa dalam merupakan sebuah keuntungan dibandingkan dengan penambahan classic twisted tape insert, karena dapat meningkatkan perpindahan panas lebih besar pada daya pemo mpaan yang sama.
4.3.3. Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Unjuk Kerja