DATA DAN ANALISIS
4.3. Analisa Data
4.3.2 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Twisted Tape Insert Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas
Pada pengujian karakteristik perpindahan panas dari penukar kalor pipa konsentrik saluran annular ini dilakukan dengan memvariasikan bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam, dan memvariasikan dengan menambahkan twisted tape insert di pipa dalam dengan classic twisted tape insert, perforated twisted tape insert, notched twisted tape insert dan jagged twisted tape insert.
Gambar 4.11. Grafik hubungan antara Nui dengan Re
Pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan pengaruh penambahan twisted tape insert dengan classic twisted tape insert dan modifikasi twisted tape insert yaitu perforated twisted tape insert, notched twisted tape insert dan jagged twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran annular dapat dilihat pada gambar 4.11. Karakteristik perpindahan panas dari penukar kalor pipa konsentrik ini dapat dilihat dari hubungan antara bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam (Nu,i) dengan bilangan Reynolds (Re). 0 50 100 150 200 250 0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 N u,i Re Perforated Plain Tube Notched Classic Jagged commit to user
96
Gambar 4.12. Grafik hubungan antara Nui aktual dan korelasi Nu,i Manglik-Berges dengan Re
Manglik dan Bergles mengembangkan korelasi untuk classic twisted tape insert di pipa bulat dalam daerah turbulen dan valid untuk temperatur dinding konstan dan fluks kalor konstan. Pada penelitian ini nilai Nu,i hasil penelitian dibandingkan dengan korelasi Manglik-Berges, seperti terlihat pada gambar 4.12. Dari hasil pengujian, perbedaan nilai rata-rata Nui di pipa dalam dengan persamaan Manglik-Bergles untuk classic, perforated, notched dan jagged twisted tape insert berturut-turut sebesar 7,1%, 20,9%, 12,1% dan 12,9%.Terlihat bahwa penyimpangan nilai Nu,i untuk classic twisted tape insert terhadap korelasi Berges paling kecil, hal ini dapat dipahami karena korelasi Manglik-Berges berlaku untuk classic twisted tape insert. Sedangkan untuk modifikasi twisted tape (perforated, notched, dan jagged) menghasilkan penyimpangan yang lebih besar. Nilai penyimpangan perforated twisted tape insert paling besar, hal ini dapat terjadi karena adanya lubang di tengah twisted tape insert yang mengakibatkan berkurangnya aliran berputar yang mengalir sepanjang pipa dalam. Penyimpangan nilai Nu,i untuk classic twisted tape insert cukup kecil dibandingkan korelasi Manglik-Berges (7,1%), sehingga data nilai Nu,i di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik dengan twisted tape insert adalah valid. Sebagai perbandingan, penelitian Eimsa-Ard dkk (2010) yang membandingkan
0 50 100 150 200 250 0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 N u,i Re Plain Tube Perforated Notched Classic Jagged
Manglik - Bergles Perforated Manglik - Bergles Notched Manglik - Bergles Classic Manglik-Bergles Jagged
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
data penelitiannya dengan korelasi empirik Manglik-Berges, dan diperoleh penyimpangan hingga sebesar ± 20%.
Dari gambar 4.11 dapat dilihat bahwa dengan semakin besar bilangan Reynolds (Re), maka bilangan Nusselt rata-rata (Nu,i) akan semakin naik, hal ini serupa dengan penelitian Naphon (2006). Kenaikan bilangan Nusselt rata-rata 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 (h) karena kenaikan konveksi. Hal ini terjadi untuk ke semua kasus, yaitu untuk plain tube maupun untuk pipa dalam dengan 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. Selain itu penambahan twisted tape insert berfungsi untuk menambah waktu tinggal aliran dalam penukar kalor, mengurangi lapis batas termal, dan mencampur aliran antara aliran inti dengan aliran dekat dinding. 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 slip, air yang kontak langsung dengan permukaan dalam pipa dalam mempunyai kecepatan yang sangat rendah daripada aliran inti. Hal ini menyebabkan lapisan batas termal yang terbentuk sangat tinggi sehingga perpindahan panasnya menjadi lambat. Penambahan twisted tape insert di pipa dalam akan mengurangi tebal lapis batas 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 disebabkan karena kenaikan komponen kecepatan tangensial dan pengurangan luas penampang aliran, fluida berputar di dalam pipa dengan kecepatan yang lebih tinggi. Hal ini dapat meningkatkan koefisien perpindahan panas dan juga gradien commit to user
98
tempertur di dekat dinding (Rahimi, 2009). Pada bilangan Reynolds yang sama, pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert, bilangan Nusselt rata-rata meningkat 47,0% dibandingkan dengan plain tube. Sedangkan untuk penambahan perforated, notched, dan jagged twisted tape insert kenaikan bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam berturut-turut sebesar 24,9% , 39,0% dan 78,2% jika dibandingkan dengan plain tube. Sedangkan jika dibandingkan dengan classic twisted tape insert, pipa dalam dengan perforated dan notched twisted tape insert berturut-turut mengalami penurunan bilangan Nusselt, rata-rata sebesar 14,9% dan 5,5%. Penambahan jagged twisted tape insert di pipa dalam menghasilkan bilangan Nusselt tertinggi dibandingkan twisted tape insert yang lain. Hal ini serupa dengan penelitian Rahimi (2009). Jika dibandingkan dengan classic twisted tape insert, kenaikan bilangan Nusselt rata-rata dengan penambahan jagged twisted tape insert sebesar 21,3%. Hal ini disebabkan karena jagged twisted tape insert dapat memperbaiki percampuran fluida dan memperkuat intensitas turbulensi dekat dinding karena adanya jagged (tekukan pada jagged twisted tape mengganggu gerakan fluida dekat dinding pipa), walaupun pola aliran berputar yang ditimbulkan oleh jagged twisted tape sedikit lebih rendah dibandingkan classic twisted tape insert (Rahimi, 2009). Selain itu dengan penambahan jagged twisted tape insert akan menghasilkan efek pencampuran fluida yang lebih baik, pengurangan luas penampang aliran dan meningkatkan meningkatkan kecepatan tangensial. Penelitian Shabanian dkk (2011) juga menyimpulkan bahwa penggunaan jagged twisted tape insert dalam sebuah penukar kalor berpendingin udara menghasilkan bilangan Nusselt yang lebih besar dibandingkan dengan classic twisted tape insert.
Dari gambar 4.11 terlihat bahwa bilangan Nusselt rata-rata menurun berturut-turut untuk penambahan classic, notched dan perforated twisted tape insert. Fenomena ini serupa dengan penelitian Rahimi dkk (2009). Hal ini disebabkan dengan adanya lubang-lubang pada perforated twisted tape insert menyebabkan aliran di bagian tengah tape tidak berputar sehingga menyebabkan berkurangnya aliran berputar (swirl flow) yang mengurangi intensitas turbulensi dan percampuran fluida, sehingga mengurangi laju perpindahan panas. Hal serupa juga terjadi pada notched twisted tape dimana terdapat lubang setengah lingkaran
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
di bagian tepi tape. Penambahan perforated twisted tape insert menghasilkan bilangan Nusselt rata-rata paling kecil dibandingkan penambahan twisted tape insert yang lain, hal ini serupa dengan penelitian Rahimi dkk (2009). Penambahan lubang-lubang pada twisted tape insert akan menyebabkan aliran di pipa dalam menyerupai aliran aksial yang mengurangi intensitas aliran berputar sehingga menghasilkan kenaikan bilangan Nusselt rata-rata di bawah classic twisted tape insert, hal ini serupa dengan penelitian Thianpong dkk (2012).
Penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik memerlukan daya pemompaan yang lebih besar karena adanya 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 dan pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert. Pada daya pemompaan yang sama, bilangan Nusselt untuk pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert
0 50 100 150 200 250 300 0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 N u,i Re Plain Tube classic Perforated Notched Jagged commit to user
100
naik rata-rata 0,475% dibandingkan plain tube, sedangkan dengan penambahan perforated, notched, dan jagged twisted tape insert, bilangan Nusselt naik rata-rata berturut-turut sebesar 0,124%; 0,199%; dan 10,459% dibandingkan plain tube. Pada daya pemompaan yang sama, bilangan Nusselt rata-rata pipa dalam dengan penambahan jagged twisted tape dibandingkan dengan penambahan classic twisted tape naik rata-rata sebesar 9,936%. Ini menunjukkan bahwa penambahan jagged twisted tape insert di pipa dalam merupakan sebuah keuntungan dibandingkan dengan penambahan classic twisted tape insert, karena dapat meningkatkan perpindahan panas lebih besar pada daya pemompaan yang sama.
4.3.4. Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Rasio Bilangan