ANALISIS PERPINDAHAN KALOR PADA ALAT PENUKAR KALOR PIPA GANDA DENGAN SIRIP TEGAK BERALUR

(1)

i

ANALISIS PERPINDAHAN KALOR PADA ALAT PENUKAR KALOR

PIPA GANDA DENGAN SIRIP TEGAK BERALUR

SKRIPSI

Oleh :

MARTINA ENDAH TRI HASTUTI K 2506042

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

(2)

ii

ANALISIS PERPINDAHAN KALOR PADA ALAT PENUKAR KALOR

PIPA GANDA DENGAN SIRIP TEGAK BERALUR

Oleh :

MARTINA ENDAH TRI HASTUTI K 2506042

Skripsi

Ditulis dan Diajukan untuk Memenuhi Syarat Mendapatkan Gelar Sarjana

pada Program Pendidikan Teknik Mesin Jurusan Pendidikan Teknik dan

Kejuruan

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

(3)

iii

PERSETUJUAN

Skripsi ini telah disetujui untuk dipertahankan di hadapan Tim Penguji

Skripsi Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Sebelas Maret

(4)

(5)

(6)

vi

ABSTRACT

Martina Endah Tri Hastuti. ANALYSIS HEAT TRANSFER IN DOUBLE

PIPES HEAT EXCHANGER WITH STRAIGHT GROOVED FINS . Thesis,

Surakarta: Faculty of Teacher Training and Education. Sebelas Maret University

Surakarta, December 2010.

The purpose of this study was investigated: (1) The effect of variation

straight grooved fins of the heat transfer coefficient. (2) The effect of variation

inside flow rates of the heat transfer coefficient. (3) The effect of variation

external flow rates of the heat transfer coefficient. (4) The joint effect (interaction)

between variation straight grooved fins and inside flow rates of the heat transfer

coefficient. (5) The join effect (interaction) between variation straight grooved

fins and external flow rates of the heat transfer coefficient. (6) The joint effect

(interaction) between variation inside flow rates and external flow rates of the heat

transfer coefficient. (7) The joint effect (interaction) between variation straight

grooved fins, inside flow rates and external flow rates of the heat transfer

coefficient. (8) The effect that produces an optimal heat transfer coefficient

between variation straight grooved fins, inside flow rates and external flow rates.

This research was conducted in the laboratory production of Mechanical

Engineering Education Program JPTK FKIP UNS. This research used

experimental methods. The population used in this research was varied forms

variation straight grooved fins with a few variations water flow rates. The sample

used in this study are straight pipe grooved fins with variations, straight pipe

grooved fins with one arch, and straight pipe grooved fins with two arch. The

variation inside flow rates used 0,06 lt/s, and 0,08 lt/s, and 0,1 lt/s. External flow

rate used 0,07 lt/s, 0,1 lt/s, and 0,13 lt/s. The data analysis technique in this study

using three-way anova test.

The results of this study were: (1) There were significant influence

between variation straight grooved fins and the heat transfer coefficient. It can be

seen on the results of test data analysis which states that Fobs= 41980.7 greater

(7)

vii

straight pipe without arch inside flow rates and the heat transfer coefficient. It can

be seen on the results of test data analysis which states that Fobs = 500 051 is

greater than Ftable = 5.01 (Fobs > Ftable). (3) There were significant influence

between external flow rates and the heat transfer coefficient. It can be seen on the

results of test data analysis which states that Fobs= 30522.71 greater than Ftable=

5.01 (Fobs> Ftable) (4) There were no joint effect (interaction) significant between

variation straight grooved fins and inside flow rates of the heat transfer

coefficient. It can be seen on the results of test data analysis which states that Fobs

= -14859.44 smaller than Ftable= 3.68 (Fobs< Ftable). (5) There were no joint effect

(interaction) significant between variation straight grooved fins and external flow

rates with heat transfer coefficient. It can be seen on the results of test data

analysis which states that F_obs= -14913.09 smaller than F_table= 3.68 (F_obs< F_table).

(6) There were no joint effect (interaction) significant between variation inside

flow rates and external flow rates of the heat transfer coefficient. It can be seen on

the results of test data analysis which states that Fobs = -269.61 is smaller than

Ftable = 3.68 (Fobs < Ftable). (7) There were joint effect (interaction) is significant

between variation straight grooved fins, inside flow rates and external flow rates

of the heat transfer coefficient. It can be seen on the results of test data analysis

which states that Fobs= 140.24 is greater than Ftable= 2.83 (Fobs> Ftable) but does

not increase the heat transfer coefficient. (8) The joint effect (interaction) between

variation straight grooved fins, inside flow rates and external flow rates that

produce optimum heat transfer coefficient is variation straight pipe without arch,

(8)

viii

ABSTRAK

Martina Endah Tri Hastuti. ANALISIS PERPINDAHAN KALOR PADA

ALAT PENUKAR KALOR PIPA GANDA DENGAN SIRIP TEGAK

BERALUR. Skripsi, Surakarta : Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan.

Unversitas Sebelas Maret Surakarta, Desember 2010.

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui : (1) Pengaruh variasi

sirip tegak beralur terhadap koefisien perpindahan kalor. (2) Pengaruh variasi laju

aliran dalam terhadap koefisien perpindahan kalor. (3) Pengaruh variasi laju aliran

luar terhadap koefisien perpindahan kalor. (4) Pengaruh bersama (interaksi) antara

variasi bentuk sirip dan laju aliran dalam terhadap koefisien perpindahan kalor.

(5) Pengaruh bersama (interaksi) antara variasi bentuk sirip dan laju aliran luar

terhadap koefisien perpindahan kalor. (6) Pengaruh bersama (interaksi) antara

variasi laju aliran dalam dan laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor.

(7) Pengaruh bersama (interaksi) antara variasi bentuk sirip, laju aliran dalam dan

laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor. (8) Pengaruh yang

menghasilkan koefisien perpindahan kalor optimal antara variasi bentuk sirip, laju

aliran dalam dan laju aliran luar.

Penelitian ini dilakukan di laboratorium produksi Program Pendidikan

Teknik Mesin JPTK FKIP UNS. Penelitian ini menggunakan metode eksperimen.

Populasi yang digunakan pada penelitian ini adalah pipa bersirip tegak bervariasi

bentuk dengan beberapa variasi laju aliran air. Sampel yang digunakan pada

penelitian ini adalah pipa bersirip tegak beralur dengan variasi bentuk yaitu pipa

bersirip tegak tanpa lengkung, pipa bersirip tegak satu lengkung, dan pipa bersirip

tegak dua lengkung. Adapun variasi laju aliran air yang digunakan untuk laju

aliran dalam menggunakan variasi 0,06 lt/s, 0,08 lt/s, dan 0,1 lt/s. Laju aliran luar

menggunakan variasi 0,07 lt/s, 0,1 lt/s, dan 0,13 lt/s. Teknik analisis data pada

penelitian ini menggunakan uji anava tiga arah.

Hasil penelitian ini adalah : (1) Ada pengaruh yang signifikan dengan

(9)

ix

hasil uji analisis data yang menyatakan bahwa Fobservasi = 41980,7 lebih besar

daripada Ftabel = 5,01 (Fobservasi > Ftabel). (2) Ada pengaruh yang signifikan pada

variasi laju aliran dalam terhadap koefisien perpindahan kalor. Dapat dilihat pada

hasil uji analisis data yang menyatakan bahwa Fobservasi = 500051 lebih besar

daripada Ftabel= 5,01 (Fobservasi > Ftabel). (3) Ada pengaruh yang signifikan pada

variasi laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor. Dapat dilihat pada

hasil uji analisis data yang menyatakan bahwa Fobservasi = 30522,71 lebih besar

daripada Ftabel = 5,01 (Fobservasi > Ftabel). (4) Tidak ada pengaruh bersama

(interaksi) yang signifikan pada variasi bentuk sirip dan laju aliran dalam terhadap

koefisien perpindahan kalor. Dapat dilihat pada hasil uji analisis data yang

menyatakan bahwa Fobservasi = - 14859,44 lebih kecil daripada Ftabel = 3,68

(F_observasi< F_tabel). (5) Tidak ada pengaruh bersama (interaksi) yang signifikan

pada variasi bentuk sirip dan laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor.

Dapat dilihat pada hasil uji analisis data yang menyatakan bahwa Fobservasi =

-14913,09 lebih kecil daripada Ftabel = 3,68 (Fobservasi < Ftabel). (6) Tidak ada

pengaruh bersama (interaksi) yang signifikan pada variasi laju aliran dalam dan

laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor. Dapat dilihat pada hasil uji

analisis data yang menyatakan bahwa Fobservasi= -269,61 lebih kecil daripada Ftabel

= 3,68 (Fobservasi < Ftabel). (7) Ada pengaruh bersama (interaksi) yang signifikan

pada variasi bentuk sirip, laju aliran dalam, dan laju aliran luar terhadap koefisien

perpindahan kalor. Dapat dilihat pada hasil uji analisis data yang menyatakan

bahwa Fobservasi= 140,24 lebih besar daripada Ftabel= 2,83 (Fobservasi > Ftabel). (8)

Pengaruh bersama (interaksi) antara variasi bentuk sirip, laju aliran dalam dan laju

aliran luar yang menghasilkan koefisien perpindahan kalor optimal adalah pada

bentuk sirip tanpa lengkung, laju aliran dalam 0,08 lt/s dan laju aliran luar 0,13

(10)

x

MOTTO

tunas itu menjadikan tanaman itu kuat lalu menjadi besarlah ia dan tegak lurus di

atas pokoknya; tanaman itu menyenangkan hati penanam-penanamnya.

(QS. Al-Fath 29)

Dan terhadap nikmat Tuhanmu maka hendaklah kamu menyebut-nyebutnya

(dengan bersyukur). (QS. Adh Dhuhaa : 11)

Jika engkau berada di sore hari, jangan menunggu pagi hari. Jika engkau berada di

pagi hari, jangan menunggu sore hari. Gunakan sehatmu untuk waktu sakitmu.

Dan hidupmu untuk mempersiapkan matimu. (HR. Bukhari)

Belajarlah dari lumut, walaupun kerdil ia mampu menghancurkan karang yang

terjal. Diri ini memang kerdil, tapi itu bukan penghalang untuk menggapai semua

(11)

xi

HALAMAN PERSEMBAHAN

Dengan mengucap puji syukur ke hadirat Allah SWT, dengan segala

kerendahan hati, karya ini saya persembahkan kepada:

Ibunda dan Ayahanda tercinta yang senantiasa membimbingku dan selalu

Kakak saya tercinta yang selalu jadi temanku di rumah.

Richa Andi Susanto

menjadi motivasiku meskipun kau jauh.

Indah Rian Widowati, Erna Ari Trisnawati, Titis Setyawan, Edwin Valentino

Saputra dan Prasetyo Nur Ahmadi yang sudah menjadi teman dekat dan ikut

mendukung sampai selesai.

Semua Dosen PTM yang telah membimbing saya selama kuliah di PTM.

Teman-teman PTM angkatan 2006 seperjuangan.

(12)

xii

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT, karena atas

rahmatNya, skripsi ini akhirnya dapat diselesaikan untuk memenuhi sebagian

persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Pendidikan.

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini menghadapi

hambatan dan kesulitan. Namun dengan bantuan berbagai pihak, hambatan dan

kesulitan tersebut dapat teratasi. Oleh karena itu penulis menyampaikan terima

kasih kepada pihak-pihak yang dengan sepenuh hati memberi bantuan, dorongan,

motivasi, bimbingan dan pengarahan sehingga penyusunan skripsi ini dapat

terselesaikan. Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada :

1. Dekan Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan UNS beserta seluruh stafnya.

2. Ketua Jurusan Pendidikan Teknik dan Kejuruan FKIP UNS.

3. Ketua Program Studi Pendidikan Teknik Mesin JPTK FKIP UNS.

4. Koordinator Skripsi Program Studi Pendidikan Teknik Mesin JPTK FKIP

UNS.

5. Bapak Ir. Husin Bugis, M.Si selaku Pembimbing Akademik.

6. Bapak Drs. Subagsono, MT selaku Pembimbing I.

7. Bapak Danar Susilo Wijayanto, S.T., M.Eng selaku Pembimbing II.

8. Segenap dosen Program Studi Pendidikan Teknik Mesin JPTK FKIP UNS.

9. Segenap karyawan Jurusan Pendidikan Teknik dan Kejuruan FKIP UNS.

10. Ibu dan Bapak tercinta yang telah memberikan sumbangan besar baik moril

maupun materil.

11. Teman-teman seperjuangan di Program Studi Pendidikan Teknik Mesin JPTK

FKIP UNS terutama angkatan 2006.

Menyadari bahwa terbatasnya ilmu pengetahuan yang dimiliki

menyebabkan kurang sempurnanya penyusunan skripsi ini. Oleh karena itu,

diharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari pembaca demi

kesempurnaan skripsi ini. Harapan penulis semoga skripsi ini dapat bermanfaat.

Surakarta, Desember 2010

(13)

xiii

HALAMAN SURAT PERNYATAAN ... iv

HALAMAN PENGESAHAN ... v A. Latar Belakang Masalah ... 1

B. Identifikasi Masalah ... 2

C. Pembatasan Masalah ... 2

D. Perumusan Masalah... 3

E. Tujuan Penelitian... 3

F. Manfaat Penelitian... 4

BAB II. LANDASAN TEORI A. Tinjauan Pustaka ... 6

1. Pengertian Perpindahan Kalor ... 6

2. Cara-cara Perpindahan Kalor... 7

3. Alat Penukar Kalor ... 10

4. Sirip (fin)... 11

(14)

xiv

6. Beda Suhu Rata-rata log (LMTD) ... 15

7. Metode NTU- Efektivitas untuk Menganalisis Perpin-dahan Kalor pada Penukar Kalor... 18

8. Efisiensi Permukaan Total... 20

9. Bilangan Reynolds... 21

10. Bilangan Prandtl ... 23

11. Bilangan Nusselt... 23

B. Penelitian yang Relevan ... 24

C. Kerangka Berpikir ... 25

D. Hipotesis Penelitian ... 27

BAB III. METODE PENELITIAN A. Tempat dan Waktu Penelitian ... 29

B. Metode Penelitian ... 29

C. Populasi dan Sampel... 30

D. Teknik Pengumpulan Data ... 32

E. Teknik Analisis Data ... 37

BAB IV. HASIL PENELITIAN A. Deskripsi Data ... 44

B. Uji Prasyaratan Analisis ... 49

1. Uji Normalitas ... 49

2. Uji Homogenitas... 51

C. Pengujian Hipotesis ... 51

D. Pembahasan Hasil Analisis Data... 54

BAB V. SIMPULAN, IMPLIKASI, DAN SARAN A. Simpulan Penelitian... 56

B. Implikasi... 57

C. Saran ... 58

DAFTAR PUSTAKA ... 60

(15)

xv

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 1 Konstanta Menurut Hilpert, Knudsen, dan Katz ... 24

Tabel 2 Variasi Parameter Sampel Penelitian ... 30

Tabel 3 Pengumpulan Data ... 38

Tabel 4 Jumlah AB ... 41

Tabel 5 Jumlah AC ... 41

Tabel 6 Jumlah BC ... 42

Tabel 7 Jumlah ABC ... 42

Tabel 8 Rangkuman Analisis Variansi Tiga Jalan ... 43

Tabel 9 Data Hasil Perhitungan Koefisien Perpindahan Kalor ... 44

Tabel 10 Rerata Hasil Perhitungan Koefisien Perpindahan Kalor ... 45

Tabel 11 Hasil Uji Normalitas dengan Metode Liliefors ... 50

(16)

xvi

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1 Perpindahan Konveksi pada Suatu Plat ... 8

Gambar 2 Perpindahan Panas Radiasi ... 9

Gambar 3 Klasifikasi Penukar Kalor berdasarkan Aliran Fluida ... 10

Gambar 4 Kondensor ... 10

Gambar 5 Variasi Sirip ... 11

Gambar 6 Aliran Kalor Satu Dimensi melalui Silinder Berlubang ... 12

Gambar 7 Analogi Tahanan untuk Silinder Berlubang dan Analogi Listrik-nya ... 13

Gambar 8 Pipa Dalam dengan 3 Sirip ... 15

Gambar 9 Profil Suhu untuk Aliran Sejajar dan Aliran Lawan Arah dalam Penukar Kalor Pipa Ganda... 16

Gambar 10 Efektivitas untuk Aliran Lawan Arah ... 19

Gambar 11 Penampang Sirip Rectangula r ... 20

Gambar 12 Efisiensi Sirip ... 21

Gambar 13 Aliran Silang yang Melintas pada Suatu Silinder ... 22

Gambar 14 Skema Paradigma Penelitian... 26

Gambar 15 Pipa Tembaga Bersirip Tegak Beralur... 33

Gambar 16 Desain Eksperimen Alat Penukar Kalor ... 35

Gambar 17 Diagram Alir Proses Penelitian... 36

Gambar 18 Pengaruh Variasi Bentuk Sirip, Laju Aliran Dalam 0,1 lt/s dengan Laju Aliran Luar 0,13 lt/s, 0,1 lt/s da 0,07 lt/s... 46

Gambar 21 Pengaruh Laju Aliran Dalam pada Pipa tanpa Sirip ... 47

(17)

xvii

Gambar 23 Pengaruh Laju Aliran Dalam pada Pipa Bersirip Tegak Satu

Lengkung ... 48

Gambar 24 Pengaruh Laju Aliran Dalam pada Pipa Bersirip Tegak Dua

(18)

xviii

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1 Data Hasil Pengukuran Temperatur ... 61

Lampiran 2 Kalibrasi Sensor Termokopel... 65

Lampiran 3 Data Hasil Pengukuran Temperatur Setelah Kalibrasi ... 68

Lampiran 4 Contoh Perhitungan Koefisien Perpindahan Kalor ... 72

Lampiran 5 Uji Normalitas... 81

Lampiran 6 Uji Homogenitas ... 96

Lampiran 7 Uji Analisis Variansi Tiga Jalan ... 99

Lampiran 8 Tabel Sifat-sifat Air (Zat Air Jenuh)... 105

Lampiran 9 Tabel Peluang Normal Baku ... 106

Lampiran 10 Tabel Nilai Kritik untuk Uji Liliefors ... 107

Lampiran 11 Tabel Nilai ... 108

Lampiran 12 Tabel Nilai Uji F ... 109

Lampiran 13 Foto Dokumentasi Penelitian ... 113

Lampiran Surat-Surat Administrasi Skripsi Lampiran 1 Presensi Seminar Proposal Skripsi... 118

Lampiran 2 Surat Permohonan Ijin Menyusun Skripsi ... 120

Lampiran 3 Surat Keputusan Dekan FKIP UNS ... 121

Lampiran 4 Surat Permohonan Ijin Research... 122

(19)

1

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang Masalah

Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi selalu mengalami

kemajuan yang begitu pesat. Dalam berbagai hal dapat dijumpai banyak sekali

suatu pengembangan dari teori-teori yang telah ada sebelumnya. Teori yang ada

sebelumnya dijadikan suatu landasan untuk dapat melakukan pengembangan lebih

lanjut.

Sebagai contoh pada dunia industri kebanyakan sering melakukan suatu

penelitian yang bertujuan untuk kemajuan industri tersebut. Hal ini dilakukan

dengan tujuan agar pelaksanaan produksi dapat berjalan lancar dan perhitungan

efisiensi.

Dalam perkembangannya, banyak yang menggunakan analogi

perpindahan kalor terutama pada dunia industri. Pada dunia industri banyak

peralatan yang menggunakan peralatan seperti heat exchanger (alat penukar

kalor). Pada peralatan tersebut banyak dipasang pipa yang berbentuk silinder baik

yang dipasang secara horisontal maupun vertikal.

Penukar kalor atau heat exchanger adalah peralatan yang digunakan

untuk melakukan proses pertukaran kalor antara dua fluida baik cair (panas atau

dingin) maupun gas di mana fluida ini mempunyai temperatur yang berbeda.

Dalam aplikasi penukar kalor di lapangan, banyak permasalahan yang

masih ditimbulkan misalnya panas yang ditransfer oleh penukar kalor belum

maksimal dan terjadinya penurunan tekanan sehingga kerja pompa menjadi berat.

Hal ini berindikasi pada tingginya biaya untuk listrik dan perawatan. Untuk

mengatasi permasalahan tersebut dapat dibantu dengan memperluas bidang

perpindahan kalor, membuat aliran turbulen dalam pipa serta menggunakan bahan

yang mempunyai konduktivitas yang tinggi.

Untuk memperluas permukaan perpindahan kalor dilakukan dengan

penambahan sirip pada pipa dalamnya yang sekaligus membentuk aliran turbulen

(20)

dipengaruhi oleh tiga hal yaitu koefisien perpindahan kalor total (U), luas

perpindahan kalor (A), dan selisih temperatur rata-rata ( ).

Penukar kalor yang ideal mempunyai koefisien perpindahan kalor total

(U) yang tinggi, sehingga mampu untuk mentransfer kalor dengan baik. Hal ini

menjadi masalah yang perlu dikaji lebih jauh agar koefisien perpindahan kalornya

tinggi. Oleh karena itu, penelitian ini menggunakan penambahan sirip berbentuk

tegak beralur pada pipa tembaga dengan menggunakan variasi bentuk sirip pada

pipa dalam (tube) pada alat penukar kalor pipa ganda.

Dari berbagai variasi tersebut diharapkan dapat menghasilkan alat

penukar kalor yang memiliki unjuk kerja yang baik yaitu alat penukar kalor yang

memiliki koefisien perpindahan kalor total yang tinggi. Oleh karena itu penulis

tertarik untuk mengambil judul Analisis Perpindahan Kalor pada Alat

Penukar Kalor Pipa Ganda dengan Sirip Tegak Beralur .

B. Identifikasi Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah yang telah dikemukakan di atas,

menimbulkan beberapa masalah yaitu:

1. Penambahan sirip pada pipa dalam akan memperluas permukaan bidang dan

dapat membantu meningkatkan koefisien perpindahan kalor.

2. Penambahan sirip tegak beralur akan mempengaruhi koefisien perpindahan

kalor.

3. Perbedaan laju aliran dalam (air panas) akan mempengaruhi laju perpindahan

kalor.

4. Perbedaan laju aliran luar (air dingin) akan mempengaruhi laju perpindahan

kalor.

5. Pemilihan bahan tembaga yang digunakan akan meningkatkan laju

perpindahan kalor karena mempunyai konduktivitas termal yang tinggi.

(21)

3

C. Pembatasan Masalah

Untuk lebih memperjelas kajian dalam pemecahan masalah di atas, maka

perlu beberapa batasan agar masalah dapat dikaji secara mendalam. Adapun

batasan-batasannya yaitu:

1. Penambahan sirip tegak beralur dengan variasi tegak beralur tanpa lengkung,

tegak beralur satu lengkung, dan tegak beralur dua lengkung.

2. Perbedaan laju aliran dalam.

3. Perbedaan laju aliran luar.

D. Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang dan identifikasi masalah tersebut di atas,

maka timbul beberapa pertanyaan:

1. Bagaimana pengaruh variasi sirip tegak beralur terhadap koefisien

perpindahan kalor?

2. Bagaimana pengaruh variasi laju aliran dalam terhadap koefisien

perpindahan kalor?

3. Bagaimana pengaruh variasi laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan

kalor?

4. Bagaimana pengaruh bersama (interaksi) antara variasi bentuk sirip dan laju

aliran dalam terhadap koefisien perpindahan kalor?

5. Bagaimana pengaruh bersama (interaksi) antara variasi bentuk sirip dan laju

aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor?

6. Bagaimana pengaruh bersama (interaksi) antara variasi laju aliran dalam dan

laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor?

7. Bagaimana pengaruh bersama (interaksi) antara variasi bentuk sirip, laju

aliran dalam dan laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor?

8. Manakah pengaruh bersama (interaksi) antara variasi bentuk sirip, laju aliran

dalam dan laju aliran luar yang menghasilkan koefisien perpindahan kalor

(22)

E. Tujuan Penelitian

Adapun tujuan penelitian ini yaitu :

1. Untuk mengetahui pengaruh variasi sirip tegak beralur terhadap koefisien

perpindahan kalor.

2. Untuk mengetahui pengaruh variasi laju aliran dalam terhadap koefisien

perpindahan kalor.

3. Untuk mengetahui pengaruh variasi laju aliran luar terhadap koefisien

perpindahan kalor.

4. Untuk mengetahui pengaruh bersama (interaksi) antara variasi bentuk sirip

dan laju aliran dalam terhadap koefisien perpindahan kalor.

5. Untuk mengetahui pengaruh bersama (interaksi) antara variasi bentuk sirip

dan laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor.

6. Untuk mengetahui pengaruh bersama (interaksi) antara variasi laju aliran

dalam dan laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor.

7. Untuk mengetahui pengaruh bersama (interaksi) antara variasi bentuk sirip,

laju aliran dalam dan laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor.

8. Untuk mengetahui pengaruh yang menghasilkan koefisien perpindahan kalor

optimal antara variasi bentuk sirip, laju aliran dalam dan laju aliran luar.

F. Manfaat Penelitian

1. Manfaat Teoritis

Adapun manfaat teoritis penelitian ini adalah :

a. Dapat menambah pengetahuan mengenai pengaruh perpindahan kalor dengan

variasi bentuk sirip tegak beralur pada suatu alat penukar kalor pipa ganda.

b. Dapat memberikan informasi dan masukan kepada pembaca maupun penulis

sebagai pengetahuan dan pengembangan serta penyempurnaan alat penukar

kalor pipa ganda.

c. Sebagai laporan pertanggungjawaban mahasiswa atas pengerjaan skripsi

(23)

5

2. Manfaat Praktis

Adapun manfaat praktis penelitian ini adalah :

a. Sebagai bahan masukan untuk mendukung penelitian yang sejenis.

b. Sebagai bahan masukan dan informasi serta bahan pertimbangan bagi

Program Studi Pendidikan Teknik Mesin Jurusan Pendidikan Teknik dan

Kejuruan Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Sebelas Maret

(24)

6

BAB II

LANDASAN TEORI

A. Tinjauan Pustaka

1. Pengertian Perpindahan Kalor

Perpindahan kalor (heat transfer) adalah ilmu yang meramalkan tentang

perpindahan energi karena adanya perbedaan suhu antara dua buah benda atau

material (Frank Kreith, 1986:4) .

Dari sudut pandang perekayasaan (engineering) terdapat masalah yang

sangat berpengaruh yaitu tentang penentuan koefisien perpindahan kalor pada

beda suhu yang ditentukan. Ukuran ketel, pemanas, mesin pendingin dan penukar

kalor tergantung tidak hanya pada jumlah panas yang harus dipindahkan namun

terlebih pada laju perpindahan kalor pada kondisi-kondisi yang ditentukan.

Beroperasinya dengan baik komponen-komponen peralatan, seperti sudu-sudu

turbin, atau dinding ruang bakar tergantung pada kemungkinan pendinginan

bagian-bagian logam tertentu dengan membuang panas secara terus-menerus pada

laju yang tinggi pada permukaan. Pada rancang bangun (design) mesin-mesin

listrik, transformator, dan bantalan harus diadakan analisa perpindahan kalor

untuk menghindari kondisi yang akan menyebabkan pemanasan berlebihan dan

merusak peralatan yang ada.

Ilmu perpindahan kalor tidak hanya mencoba untuk menjelaskan

bagaimana energi panas itu berpindah dari suatu benda ke benda lain, tetapi juga

meramalkan laju perpindahan kalor yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu.

Sehingga dari pembahasan diatas dinyatakan bahwa sasaran untuk perpindahan

kalor adalah dalam masalah laju perpindahannya.

Sebagai contoh sederhana adalah suatu proses pendinginan sebuah baja

panas yang dicelup ke dalam air. Dengan ilmu perpindahan kalor, dapat

membantu kita untuk meramalkan suhu batangan baja atau air sebagai fungsi dari

(25)

7

2. Cara-cara Perpindahan Kalor

a. Perpindahan kalor secara konduksi.

Perpindahan kalor secara konduksi adalah proses perpindahan kalor

dimana kalor mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu

rendah dalam suatu medium (padat, cair atau gas) atau antara medium-medium

yang berlainan yang bersinggungan secara langsung. Secara umum laju aliran

kalor secara konduksi dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut :

...(1)

keterangan :

q = laju aliran kalor (W)

k = konduktifitas termal bahan (W/m2.°C)

A = luas penampang (m²)

dT/dx = gradien suhu terhadap penampang tersebut, yaitu laju perubahan suhu T

terhadap jarak dalam arah aliran panas x.

b. Perpindahan kalor secara konveksi

Perpindahan kalor secara konveksi adalah proses tansport energi dengan

kerja gabungan dari konduksi kalor, penyimpanan energi dan gerakan

mencampur. Konveksi sangat penting sebagai mekanisme perpindahan energi

antara permukaan benda padat dan cair atau gas. Perpindahan kalor secara

konveksi dari suatu permukaan yang suhunya di atas suhu fluida di sekitarnya

berlangsung dalam beberapa tahap. Pertama, kalor akan mengalir dengan cara

konduksi dari permukaan ke partikel-partikel fluida yang berbatasan. Energi yang

berpindah dengan cara demikian akan menaikkan suhu dan energi dalam

partikel-partikel fluida tersebut. Kedua, partikel-partikel-partikel-partikel tersebut akan bergerak ke daerah

suhu yang lebih rendah dimana partikel tersebut akan bercampur dengan

(26)

Gambar 1. Perpindahan Konveksi pada Suatu Plat (Holman J.P, 1994 hal.:11)

Perpindahan kalor secara konveksi dapat dikelompokkan menurut gerakan

alirannya, yaitu konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced

convection). Apabila gerakan fluida tersebut terjadi sebagai akibat dari perbedaan

densitas (kerapatan) yang disebabkan oleh gradien suhu maka disebut konveksi

bebas atau konveksi alamiah (natural convection). Bila gerakan fluida tersebut

disebabkan oleh penggunaan alat dari luar, seperti pompa atau kipas, maka

prosesnya disebut konveksi paksa. Laju perpindahan kalor antara suatu

permukaan plat dan suatu fluida dapat dihitung dengan hubungan :

...(2)

(Holman J.P, 1994 hal.:11)

dimana

= Laju perpindahan kalor secara konveksi (W)

= Koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m2.K)

A = Luas perpindahan kalor (m²)

(27)

9

c. Perpindahan Kalor Radiasi

Perpindahan kalor radiasi adalah perpindahan kalor yang terjadi akibat

adanya energi yang dipancarkan oleh suatu zat atau benda yang mempunyai

temperatur tertentu. Berlainan dengan mekanisme konduksi dan konveksi, dimana

perpindahan energi terjadi melalui bahan antara, panas juga dapat berpindah

melalui daerah-daerah hampa. Mekanismenya adalah dengan sinaran atau radiasi

elektromagnetik.

Gambar 2. Perpindahan Panas Radiasi (Holman J.P,1994 hal.:343)

Energi radiasi dikeluarkan oleh benda bersuhu tinggi kemudian

dipindahkan melalui ruang antara, dalam bentuk gelombang elektromaknetik. Bila

energi radiasi menimpa suatu bahan, maka sebagian radiasi dipantulkan, sebagian

diserap, dan sebagian lagi diteruskan seperti pada gambar 2. Besarnya laju

perpindahan panas adalah :

...(3)

Dimana :

= laju perpindahan panas (W)

= konstanta Boltzman (5,669. )

A = luas permukaan benda (

T = suhu absolut benda (

absorbsi

transmisi

(28)

3. Alat Penukar kalor

Penukar kalor (heat exchanger) adalah suatu alat yang digunakan untuk

memindahkan panas dari suatu fluida ke fluida lainnya. Penukar kalor mempunyai

banyak jenis. Berdasarkan fluidanya penukar kalor dibedakan menjadi tiga

macam, yaitu aliran sejajar (paralel flow), aliran lawan arah (counter flow), dan

aliran silang (crossflow).

Gambar 3. Klasifikasi Penukar Kalor Berdasarkan Aliran Fluida

Penukar kalor banyak digunakan pada berbagai instalasi di industri,

antara lain pada : boiler, kondensor, cooler, cooling tower, dan di industri

otomotif banyak dijumpai radiator yang juga berfungsi sebagai penukar kalor.

Gambar 4. Kondensor

Hot fluid in Hot fluid out

cold fluid in cold fluid out

cold fluid in

cold fluid out

a. P a ralel flow b. Counter flow

(29)

11

Penukar kalor pipa ganda adalah a1at perpindahan ka1or yang terdiri dari

dua pipa konsentris (pipa kecil sebagai sentral, yang dibungkus oleh pipa yang

lebih besar). Satu fluida menga1ir lewat pipa dalam sedangkan fluida yang lain

mengalir lewat anulus, antara dinding pipa dalam dan dinding pipa luar. Alat ini

digunakan da1am industri ska1a kecil. dan umumnya digunakan dalam skala

laboratorium. Dalam penelitian ini menggunakan aliran lawan arah (counter flow)

dimana aliran fluidanya bergerak secara berlawanan arah.

4. Sirip (fin)

Dalam usaha untuk mendapatkan laju perpindahan panas yang lebih besar

dan meningkatkan nilai efektifitas penukar kalor, salah satu metodenya yang

digunakan adalah dengan cara menambah luas penampang yang memungkinkan

terjadinya perpindahan panas lebih besar, sesuai dengan persamaan umum

penukar kalor di bawah ini :

meningkat bila luasan perpindahan kalor (A) ditambah. Untuk jenis-jenis sirip

yang biasa digunakan, ada beberapa macam seperti pada gambar 5. antara lain :

sirip lurus (longitudinal fin), sirip spiral (tranversal fin), sirip radial (radial fin),

dan lain-lain.

Gambar 5. Variasi Sirip (Kern, Donald Q. 1965 hal.: 515)

Untuk memudahkan dalam perhitungan sirip, maka diperlukan asumsi yang

diberikan oleh Murray dan Gardner (Kern, Donald Q. 1965 hal.: 515) yaitu :

a. Aliran panas dan distribusi temperatur yang melalui sirip tidak tergantung

(30)

b. Material dari sirip homogen dan isotropik

c. Tidak ada sumber panas dari sirip

d. Konduktifitas dari sirip konstan

e. Koefisien perpindahan panas sama pada sisi masuk sirip

f. Panas yang dipindahkan lewat sudut luar sirip diabaikan dibandingkan

dengan yang melewati sirip

g. Sambungan antara sirip dan pipa diasumsikan tidak ada hambatan.

5. Koefisien Perpindahan Kalor Total

Gambar 6. Aliran Kalor Satu Dimensi melalui Silinder Berlubang

Gambar 6 menunjukkan silinder panjang dengan jari-jari dalam ri, jari-jari

luar r0, panjang L. Silinder ini mempunyai beda suhu Ti T0 dan kita dapat

mengabaikan bahwa pada pada temperatur tertentu sepanjang dr, aliran panas

berlangsung menurut arah radial adalah dT/dr, maka:

, dimana q= Q/L

Dengan kondisi batas:

T= Ti pada r = ri

T= T0 pada r = r0

Dimana i dan o adalah permukaan dalam dan luar pipa, maka persamaan di atas

menjadi:

r

r0

(31)

13

jika d adalah diameter pipa, maka:

persamaan di atas menjadi:

Dengan persamaan di atas maka dapat didapatkan suhu pada bagian dalam dari

pipa yaitu :

Pada sisi masuk :

dimana = Suhu pada bagian dalam inner pipe pada sisi masuk (

= Suhu pada dinding inner pipe pada sisi masuk (

q = Laju perpindahan panas per satuan panjang (W/m)

k = Konduktivitas termal (W/m )

Pada sisi keluar :

dimana = Suhu pada bagian dalam inner pipe pada sisi masuk (

= Suhu pada dinding inner pipe pada sisi masuk (

q = Laju perpindahan panas per satuan panjang (W/m)

k = Konduktivitas termal (W/m )

(32)

Koefisien perpindahan panas total untuk silinder berlubang yang terkena

lingkungan konveksi di permukaan bagian dalam dan luarnya, analogi tahanan

listriknya sama dengan gambar 7 dimana ialah suhu kedua fluida. Dalam

hal ini luas bidang konveksi tidak sama untuk kedua bidang fluida. Luas bidang

ini tergantung dalam tabung dan tebal dinding. Dalam hal ini perpindahan kalor

total dinyatakan dengan persamaan berikut ini :

Sesuai dengan jaringan termal sebagaimana ditunjukkan pada gambar 8. Besaran

A1 merupakan luas penampang dalam dari pipa dan A0 adalah luas penampang

luar dari pipa. Koefisien perpindahan panas total dapat dinyatakan dengan

persamaan:

Koefisien perpindahan kalor pada masing-masing proses perpindahan kalor dapat

dijabarkan sebagai berikut :

a) Koefisien perpindahan kalor konveksi pipa bagian dalam (hi)

...(11)

dimana :

Nu = Bilangan Nusselt

k = Konduktifitas termal (W/m².°C)

Dh = Diameter hidrolis (m)

...(12)

di = Diameter dalam pipa sebelah dalam (m)

b) Koefisien perpindahan kalor konveksi pada bagian luar (ho)

(33)

15

dimana :

Nu = Bilangan Nusselt

k = Konduktifitas termal (W/m².°C)

Dh = Diameter hidrolis (m)

Gambar 8. Pipa Dalam dengan 3 Sirip

Diameter hidrolik untuk jumlah sirip 3 :

...(14)

6. Beda Suhu Rata-rata Log (LMTD)

Pada umumnya beda suhu antara fluida panas dan fluida dingin di dalam

penukar kalor berbeda dari satu titik ke titik lainnya sepanjang pipa. Untuk

tahanan termal yang konstan sekalipun, laju aliran panasnya akan berbeda-beda

dari penampang, karena nilainya tergantung dari beda suhu antara fluida yang

panas dan fluida yang dingin pada penampang tertentu. Guna menentukan laju

(34)

Gambar 9. Profil Suhu untuk Aliran Sejajar dan Aliran Lawan Arah dalam

Penukar Kalor Pipa Ganda (Cengel, Yunus A. 2007 hal.: 668)

Perpindahan panas dalam pipa ganda dapat dihitung dengan :

Dengan = beda suhu rata- rata yang tepat digunakan untuk penukar kalor.

Gambar 9 menunjukkan profil suhu pada masing-masing aliran fluida pada

pipa ganda, bahwa beda suhu antara fluida panas dan fluida dingin pada saat

masuk dan saat keluar tidaklah sama, sehingga ditentukan nilai rata-rata agar

dapat digunakan pada persamaan (15) di atas. Untuk penukar kalor aliran sejajar,

panas yang dipindahkan melalui unsur luas dA dapat dituliskan sebagai berikut:

di mana subskrip h dan c masing-masing menandai fluida panas dan fluida dingin.

Perpindahan panas dapat dinyatakan pula sebagai :

(35)

17

di mana adalah laju aliran massa, sedangkan atau adalah panas spesifik

masing-masing fluida. Jadi :

Jika dQ diselesaikan dari persamaan (17) dan disubstitusikan ke dalam persamaan

(18), maka didapatkan :

Persamaan ini dapat diintegrasikan, yang hasilnya :

Kembali ke persamaan (16) , hasil kali dan dapat dinyatakan dalam

perpindahan panas total Q daan beda suhu total antara fluida panas dan fluida

dingin. Jadi,

Jika kedua hubungan di atas disubstitusikan ke dalam persamaan (20)

memberikan :

Jika persamaan (20) dibandingkan dengan persamaan (10), terlihat bahwa beda

suhu rata-rata merupakan pengelompokan suku-suku dalam kurung.

Jadi,

Atau

Penurunan rumus tersebut dilakukan dengan menggunakan asumsi sebagai

berikut:

1. Koefisien perpindahan panas konveksi konstan

(36)

Beda suhu ini disebut sebagai beda suhu rata-rata log (log mean

temperature difference = LMTD), yaitu beda suhu pada satu ujung penukar kalor

dikurangi beda suhu pada ujung yang satu lagi dibagi dengan logaritma alamiah

dari perbandingan kedua beda suhu tersebut.

7. Metode NTU- Efektivitas untuk Menganalisis Perpindahan Kalor pada

Penukar Kalor

Metode NTU efektivitas merupakan metode yang berdasarkan atas

efektivitas penukar kalor dalam memindahkan sejumlah panas tertentu. Metode

NTU-Efektivitas juga mempunyai beberapa keuntungan untuk menganalisa

soal-soal yang harus membandingkan berbagai jenis penukar kalor guna memilih jenis

yang terbaik untuk melaksanakan sesuatu tugas pemindahan panas tertentu.

Efektivitas penukar kalor didefinisikan sebagai berikut :

Efektivitas =

Perpindahan kalor nyata dapat dihitung dari energi yang dilepaskan oleh fluida

panas atau energi yang diterima oleh fluida dingin.

Q = ( ( ...(23)

Perpindahan kalor maksimum dinyatakan sebagai :

Q = . ( ...(24)

Efektivitas untuk penukar kalor :

=

(26)

dimana :

= efektivitas penukar kalor dengan fluida panas sebagai fluida minimum

= efektivitas penukar kalor dengan fluida dingin sebagai fluida minimum

= laju aliran massa fluida panas (kg/s)

= laju aliran massa fluida dingin (kg/s)

(37)

19

= panas spesifik fluida panas I(kJ/kg C)

= temperatur fluida panas masuk penukar kalor ( C)

= temperatur fluida panas keluar penukar kalor ( C)

= temperatur fluida dingin masuk penukar kalor ( C)

= temperatur fluida dingin keluar penukar kalor ( C)

Secara umum, efektivitas dapat dinyatakan sebagai :

Analisis pada aliran berlawanan, didapatkan persamaan efektivitas sebagai

berikut:

Gambar 10. Efektivitas untuk Aliran Lawan Arah (Cengel, Yunus A. 2007

hal.: 695)

Rasio laju kapasitas didefinisikan sebagai :

(38)

NTU dengan aliran berlawanan arah :

8. Efisiensi Permukaan Total

Efisiensi ini dihitung dengan persamaan :

)

Dimana : = Efisiensi permukaan total

= Luas Sirip (

= Luas Permukaan total (

= Efisiensi Sirip

Untuk menunjukkan efektivitas sirip dalam memindahkan sejumlah kalor tertentu,

dirumuskan suatu parameter baru yang disebut efisiensi sirip (fin efficiency):

Diasumsikan sirip dalam bentuk rectangular seperti pada gambar 12:

(39)

21

Efisiensi siripnya adalah:

Gambar 12. Efisiensi Sirip (Cengel, Yunus A. 2007 hal.:162)

9. Bilangan Reynolds

Bila ada fluida mengalir sepanjang suatu permukaan, baik laminer atau

turbulen, maka gerakan partikel di dekat permukaan akan diperlambat oleh gaya

viskos. Pengaruh gaya viskos ini akan mempengaruhi fluida secara umum.

Untuk mengetahui pengaruh gaya viskos ini, digunakan suatu besaran

tanpa dimensi yang disebut bilangan Reynolds (Reynolds Number). Bilangan

Reynolds merupakan perbandingan antara gaya kelembaman terhadap

gaya-gaya viskos.

Bilangan Reynolds masing-masing aliran adalah :

a. Aliran Fluida di Luar Pipa

Aliran fluida yang melintas di luar pipa dapat terjadi bila fluida melewati

pipa atau rangkuman pipa. Sistem perpindahan kalor untuk aliran luar pipa

seperti pada aliran diatas plat datar, hanya perbedaannya pada perilaku

lapisan batas. Fenomena pada aliran fluida dalam aliran lintang melewati

(40)

Gambar 13. Aliran Silang yang Melintas pada Suatu Silinder (Cengel,

Yunus A. 2007 hal.: 380)

Adapun bilangan Reynoldsnya :

Dimana :

= Kerapatan fluida

u = Kecepatan aliran (m/s)

= Diameter pipa luar (m)

=

= Viskositas fluida ( )

b. Aliran Fluida di dalam pipa

Besarnya kecepatan aliran massa (mass velocity) adalah :

...(31)

Jadi bilangan Reynoldsnya :

=

...(32) dimana: = Laju aliran massa fluida dalam pipa (kg/s)

= Diameter dalam inner pipe (m)

(41)

23

10. Bilangan Prandtl

Bilangan Prandtl merupakan bilangan tak berdimensi yang menyatakan

perbandingan antara viskositas kinematik fluida dengan difusivitas termalnya dan

dinyatakan sebagai :

...(33)

Viskositas kinematik fluida memberikan informasi tentang laju difusi

momentum dalam fluida karena gerakan molekul. Difusivitas termal memberi

petunjuk tentang hal yang serupa mengenai difusi panas dalam fluida. Jadi

perbandingan antara kedua kuantitas tersebut menunjukkan besaran relatif antara

difusi momentum dan difusi panas di dalam fluida. Kedua difusi inilah yang

menentukan berapa tebal lapisan batas pada suatu medan aliran tertentu.

Difusivitas yang besar menunjukkan bahwa pengaruh viskos atau pengaruh suhu

terasa pada jarak yang lebih jauh dalam medan aliran. Jadi, angka Prandtl

merupakan penghubungan antara medan kecepatan dan medan suhu.

Bilangan Prandtl juga dapat dinyatakan dengan :

...(34)

dimana :

= viskositas kinematik

= difusivitas termal fluida

11. Bilangan Nusselt

Bilangan Nusselt untuk aliran dalam tabung didapatkan dengan persamaan

sebagai berikut :

Untuk aliran fluida di luar tabung menurut Knudsen dan Katz untuk zat cair

(42)

Dimana nilai C dan n pada persamaan di atas dapat diperoleh dari :

Tabel 1. Konstanta menurut Hilpert, Knudsen, dan Katz

Redf C n

0,4 4 0,989 0,330

4 40 0,911 0,385

40 4000 0,683 0,466

4000 40.000 0,193 0,618

40.000 400.000 0,0266 0,805

(Holman J.P,1994 hal.:268)

B. Penelitian yang Relevan

Beragam eksperimen dengan bahan yang berbeda ataupun sama telah

dilakukan para peneliti sebelumnya antara lain oleh Mahendra (2004), mengkaji

tentang performansi perpindahan kalor penukar kalor aliran silang bersirip radial

dengan dua variasi slited fin untuk mendapatkan karakteristik dari penukar kalor.

Menggunakan variasi pipa tanpa sirip, pipa bersirip radial tanpa slit, pipa bersirip

radial dengan 8 slit, dan pipa bersirip radial 16 slit. Hasilnya menunjukkan bahwa

dengan jarak sirip yang semakin kecil, maka akan mendapatkan efektifitas

penukar kalor lebih besar dibandingkan dengan jarak antar sirip yang lebih besar.

Muhammad Awaludin (2007), menganalisis perpindahan kalor pada

heat exchanger pada pipa ganda dengan sirip berbentuk delta wing untuk

mengetahui koefisien perpindahan kalor total, bertujuan untuk mengetahui

seberapa besar penurunan tekanan yang terjadi pada variasi tersebut

menggunakan analogi perpindahan kalor pada heat exchanger pada pipa ganda.

Melakukan variasi jumlah sirip 4 dan 6 pada masing-masing pipa serta jarak sirip

antar sirip 10 cm, 15 cm, dan 20 cm. Hasilnya menunjukkan bahwa pengaruh

variasi jarak dan jumlah sirip pada permukaan tube dapat meningkatkan koefisien

(43)

25

jarak 10 cm terhadap jumlah sirip 4 dengan jarak 20 cm dan menaikkan

penurunan tekanan.

Danar Susilo Wijayanto (2008), menganalisis pengaruh pipa bersirip

radial terhadap karakteristik penukar kalor aliran silang, yang bertujuan untuk

menentukan pengaruh pipa bersirip radial dengan variasi jarak antar sirip.

Menggunakan variasi jarak antar sirip 1 mm, 5 mm, 10 mm, 15 mm, dan 20 mm

sepanjang 105 mm. Hasilnya menunjukkan bahwa bilangan Nusselt meningkat

dengan jarak antar sirip yang semakin rapat dan semakin rapat jarak antar sirip

juga akan meningkatkan bilangan Nusselt.

Dari penelitian-penelitian yang telah dilakukan dapat dilihat bahwa

keseluruhan penelitian ditujukan untuk meningkatkan koefisien perpindahan kalor

dengan menggunakan penambahan sirip pada pipa penukar kalor. Oleh karena itu,

ada kemungkinan dengan penambahan sirip berbentuk tegak beralur dengan

variasi sirip tanpa lengkung, satu lengkung, dan dua lengkung dapat

meningkatkan koefisien perpindahan kalor.

C. Kerangka Bepikir

Dari sudut pandang perekayasaan (engineering) terdapat masalah yang

sangat penting, yaitu tentang penentuan laju perpindahan kalor. Untuk

memperluas permukaan penukar kalor dilakukan dengan penambahan sirip pada

pipa dalamnya yang sekaligus membentuk aliran turbulen pada pipa luarnya. Hal

tersebut dilakukan karena kemampuan menerima kalor itu dipengaruhi oleh tiga

hal yaitu koefisien perpindahan kalor total (U), luas perpindahan kalor (A), dan

selisih temperatur rata-rata ( ).

Penukar kalor yang ideal mempunyai koefisien perpindahan kalor total (U)

yang tinggi, sehingga mampu untuk mentransfer kalor dengan baik. Hal ini

menjadi masalah yang perlu dikaji lebih jauh agar koefisien perpindahan kalornya

tinggi. Oleh karena itu, penelitian ini menggunakan penambahan sirip berbentuk

tegak beralur pada pipa tembaga dengan memvariasi sirip tegak beralur tanpa

(44)

Unjuk kerja maupun tingkat effisiensi penukar kalor, sering diidentikkan

dengan nilai laju perpindahan kalor. Terdapat beberapa hal yang dapat

memperngaruhi laju perpindahan kalor. Salah satu di antaranya adalah peran laju

aliran air yang ada disekitar alat penukar kalor yang tidak dapat diabaikan begitu

saja. Perpindahan kalor yang berlangsung pada proses alat pemanas air akan lebih

efektif jika didukung dengan laju aliran air. Oleh karena itu digunakan perbedaan

laju aliran dalam dan laju aliran luar.

Dari uraian di atas maka dapat ditentukan suatu paradigma penelitian

sebagai berikut :

Gambar 14. Skema Paradigma Penelitian

Keterangan :

A = Variasi bentuk sirip

A1 = Bentuk sirip tegak tanpa lengkung

B =Variasi laju aliran dalam

B1 = Laju aliran dalam 0,1 lt/s

(45)

27

C1 = Laju aliran luar 0,13 lt/s

X = Koefisien perpindahan kalor

1 = Pengaruh variasi bentuk sirip terhadap koefisien perpindahan kalor

2 = Pengaruh variasi laju aliran dalam terhadap koefisien perpindahan kalor

3 = Pengaruh variasi laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor

4 = Pengaruh interaksi variasi bentuk sirip dan laju aliran dalam terhadap

luar terhadap koefisien perpindahan kalor

8 = Koefisien perpindahan kalor optimal

D. Hipotesis Penelitian

Berdasarkan rumusan masalah dan analisa kerangka pemikiran di atas

dapat diambil hipotesis yaitu :

1. Penggunaan variasi sirip tegak beralur berpengaruh terhadap koefisien

perpindahan kalor.

2. Penggunaan variasi laju aliran dalam berpengaruh terhadap koefisien

perpindahan kalor.

3. Penggunaan variasi laju aliran luar berpengaruh terhadap koefisien

perpindahan kalor.

4. Interaksi antara variasi bentuk sirip dan laju aliran dalam berpengaruh

terhadap koefisien perpindahan kalor.

5. Interaksi antara variasi bentuk sirip dan laju aliran luar berpengaruh

(46)

6. Interaksi antara variasi laju aliran dalam dan laju aliran luar berpengaruh

terhadap koefisien perpindahan kalor.

7. Interaksi antara variasi bentuk sirip, laju aliran dalam dan laju aliran luar

berpengaruh terhadap koefisien perpindahan kalor.

8. Didapatkan rata-rata koefisien perpindahan kalor optimal dari interaksi

antara variasi bentuk sirip , laju aliran dalam dan laju aliran luar hasil

(47)

29

BAB III

METODE PENELITIAN

A. Tempat dan Waktu Penelitian

1. Tempat Penelitian

Tempat penelitian merupakan lokasi dimana informasi diperoleh untuk

menyatakan kebenaran penelitian. Eksperimen untuk menganalisis perpindahan

kalor pada alat penukar kalor pipa ganda dengan menggunakan sirip tegak beralur

dilakukan di laboratorium produksi Program Studi Pendidikan Teknik Mesin

JPTK FKIP UNS.

2. Waktu Penelitian

Adapun jadwal penelitian sebagai berikut:

a. Seminar proposal penelitian pada tanggal 14 Mei 2010

b. Perijinan proposal penelitian pada tanggal 11 Juni 2010 s/d 25 Juni 2010

c. Pelaksanaan penelitian dan revisi pada tanggal 9 Agustus 2010 s/d 3

September 2010

d. Penulisan laporan penelitian pada tanggal 6 September 2010 s/d 16 Desember

2010

B. Metode Penelitian

Pada penelitian ini, metode yang digunakan adalah metode eksperimen

dan merupakan penelitian kuantitatif yaitu memaparkan secara jelas hasil

eksperimen di laboratorium terhadap sejumlah benda uji, kemudian analisis

datanya dengan menggunakan angka-angka.

Suatu penelitian eksperimen didesain dimana variabel bebas

diperlakukan secara terkontrol dan pengaruhnya terhadap variabel tergantung

dipantau dengan teliti. Sugiyono (2007: 72), mengemukakan bahwa penelitian

dengan pendekatan eksperimen adalah suatu penelitian yang berusaha mencari

pengaruh variabel tertentu terhadap variabel yang lain dalam kondisi yang

(48)

Sedangkan menurut Suharsimi Arikunto (1996) metode eksperimen adalah suatu

cara mencari hubungan sebab akibat (hubungan kausial) antara dua faktor yang

sengaja ditimbulkan oleh peneliti dengan menyisihkan faktor-faktor yang lain

yang bisa mengganggu penelitian. Penelitian ini diadakan untuk mengetahui

pengaruh variasi bentuk sirip, laju aliran dalam dan laju aliran luar terhadap

koefisien perpindahan kalor.

C. Populasi dan Sampel

1. Populasi Penelitian

Populasi adalah keseluruhan obyek penelitian (Suharsimi Arikunto, 1996

:115). Populasi dalam penelitian ini adalah pipa bersirip tegak bervariasi bentuk

dengan beberapa variasi kecepatan aliran air.

2. Sampel Penelitian

Sampel yang digunakan dalam penelitian ini adalah pipa bersirip tegak

beralur dengan variasi bentuk yaitu pipa bersirip tegak tanpa lengkung, pipa

bersirip tegak satu lengkung, dan pipa bersirip tegak dua lengkung. Adapun

variasi laju aliran air yang digunakan untuk laju aliran dalam menggunakan

variasi 0,1 lt/s, 0,08 lt/s, dan 0,06 lt/s. Laju aliran luar menggunakan variasi 0,13

lt/s, 0,1 lt/s, dan 0,07 lt/s. Masing-masing variasi parameter spesimen penelitian

(49)

31

Tabel 2. Variasi Parameter Sampel Penelitian

Kondisi

1 Tegak tanpa lengkung 0,13 0,1

10 Tegak satu lengkung 0,13 0,1

19 Tegak dua lengkung 0,13 0,1

(50)

3. Teknik Sampling

Tujuan digunakannya teknik sampling adalah untuk menentukan

seberapa banyak sampel yang diambil. Teknik sampling yang digunakan untuk

mengumpulkan data dari berbagai sumber data adalah purposive sampling, yaitu

apa dan siapa yang harus memberikan data ditentukan secara subjektif sesuai

dengan keperluan dalam rangka mencapai tujuan yang telah ditentukan karena

data yang dikumpulkan dari pihak yang berkait langsung dengan permasalahan

yang diteliti.

Penelitian dilakukan dengan membuat sebuah alat penukar kalor dengan

bahan tembaga dan membuat variasi bentuk sirip yang digunakan, sehingga laju

perpindahan kalor akan meningkat.

D. Teknik Pengumpulan Data

1. Identifikasi Variabel

Definisi variabel penelitian adalah sebagai objek penelitian, atau apa

yang menjadi titik perhatian suatu penelitian (Suharsimi Arikunto, 1993 : 91).

Variabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah :

a. Variabel Bebas

Variabel bebas adalah himpunan sejumlah gejala yang memiliki

berbagai aspek atau unsur, yang berfungsi mempengaruhi atau menentukan

munculnya variabel lain yang disebut dengan variabel terikat. Demikian dapat

pula terjadi bahwa jika variabel bebas berubah, maka akan muncul variabel

terikat yang berbeda atau yang lain. Variabel bebas dalam penelitian ini adalah

variasi bentuk sirip, laju aliran dalam, dan laju aliran luar. Variasi bentuk sirip

yang dimaksudkan disini adalah pipa bersirip tegak tanpa lengkung, pipa

bersirip tegak satu lengkung, dan pipa bersirip tegak dua lengkung. Laju aliran

dalam menggunakan variasi 0,1 lt/s, 0,08 lt/s, dan 0,06 lt/s. Laju aliran luar

menggunakan variasi 0,13 lt/s, 0,1 lt/s, dan 0,07 lt/s.

b. Variabel Terikat

Variabel terikat adalah himpunan sejumlah gejala yang memiliki pula

(51)

33

menyesuaikan diri dengan kondisi lain, yang disebut dengan variabel bebas.

Variabel terikat dalam penelitian ini adalah koefisien perpindahan kalor.

c. Varibel Kontrol

Variabel kontrol adalah himpunan sejumlah gejala yang memiliki

berbagai aspek atau unsur di dalamnya, yang berfungsi untuk mengendalikan

agar variabel terikat yang muncul bukan karena variabel lain, tetapi

benar-benar karena variabel bebas yang tertentu. Pengendalian variabel ini

dimaksudkan agar tidak merubah atau menghilangkan variabel bebas yang

akan diungkap pengaruhnya.

Demikian pula pengendalian variabel ini dimaksudkan agar tidak

menjadi variabel yang mempengaruhi/menentukan variabel terikat. Dengan

mengendalikan pengaruhnya berarti variabel ini tidak ikut menentukan ada

atau tidaknya variabel terikat. Dengan kata lain kontrol yang dilakukan

terhadap variabel ini, akan menghasilkan variabel terikat yang murni.

Variabel kontrol dalam penelitian ini antara lain:

1) Pipa tembaga.

2) Plat tembaga.

3) Alat Pengujian.

4) Bahan pengelasan pipa tembaga dengan plat tembaga.

2. Instrumen Penelitian

Instrumen penelitian yang digunakan untuk melaksanakan penelitian ini

meliputi:

a. Bahan Penelitian

Bahan penelitian yang digunakan dalam mendapatkan data adalah air

digunakan sebagai fluida cair.

b. Alat Penelitian

Dalam pelaksanaan eksperimen ini peneliti menggunakan peralatan sebagai

(52)

1. Pipa Tembaga

a. Pipa lurus tanpa sirip tegak beralur dengan diameter 12,7 mm dan

panjang 1500 mm.

b. Pipa lurus dengan variasi bersirip tegak tanpa lengkung, satu lengkung

dan dua lengkung.

Gambar 15. Pipa Tembaga Bersirip Tegak Beralur

2. Heater, sebagai pemanas air

3. Pompa, digunakan untuk mengalirkan air

4. Tangki, digunakan untuk tempat penyimpanan air yang dipanaskan dan

air yang dingin.

5. Kran, digunakan untuk membuka dan menutup aliran air.

6. Flowmeter, digunakan untuk mengukur laju aliran air

7. Termokopel, digunakan untuk mengukur temperatur air masuk,

temperatur air keluar, temperatur dinding pipa masuk, dan temperatur

dinding pipa keluar.

8. Termokontrol, digunakan untuk menjaga temperatur dalam tangki agar

(53)

35

3. Desain Eksperimen

Penelitian ini menggunakan desain eksperimen sebagai berikut :

(54)

4. Diagram Alir Proses Penelitian

Untuk melaksanakan penelitian ini menggunakan langkah-langkah sebagai

berikut :

Pembuatan Pipa Lurus

Pembuatan Pipa Lurus Tanpa Sirip

Pembuatan Pipa Lurus Bersirip Tegak Beralur : tanpa lengkung, satu lengkung, dan dua lengkung

SettingPeralatan Uji Penukar Kalor Pipa Ganda Aliran Lawan Arah

Pipa Lurus Tanpa Sirip Pipa Lurus Bersirip Tegak Beralur : tanpa

lengkung, satu lengkung, dan dua lengkung

Pengujian

Analisis Data

Variasi : Laju Aliran Luar Laju Aliran Dalam

Selesai Mulai

(55)

37

5. Proses Pengujian

Peralatan yang diperlukan selama proses pengujian dipersiapkan dan disusun

seperti terlihat pada gambar 16.

Langkah-langkah pengujiannya sebagai berikut:

1. Memasang pipa polos kedalam pipa alumunium.

2. Sebelum pengujian, terlebih dahulu menghidupkan alat pemanas air.

3. Mengalirkan air panas ke pipa tembaga dengan laju aliran 0,1 lt/s dengan

menghidupkan pompa.

4. Mengalirkan air dingin ke pipa alumunium dengan laju aliran 0,13 lt/s.

5. Setelah mencapai kondisi tunak, maka dilakukan pengambilan data-data

yang diperlukan, yaitu temperatur air panas masuk, temperatur air panas

keluar, temperatur air dingin masuk, dan temperatur air dingin keluar.

6. Mengulangi langkah pengujian nomor 4 untuk laju aliran air dingin 0,1

lt/s dan 0,07 lt/s dengan laju aliran air panas tetap 0,1 lt/s.

7. Mengulangi langkah pengujian nomor 3 s/d 5 diulangi untuk laju aliran

air panas 0,08 lt/s dan 0,06 lt/s.

8. Mengulangi langkah pengujian nomor 1 s/d 7 untuk pipa bersirip bersirip

tegak tanpa lengkung, tegak satu lengkung, dan pipa bersirip tegak dua

lengkung.

E. Teknik Analisis Data

Teknik analisis data dalam penelitian ini adalah menggunakan analisis

varian (anova) tiga arah. Sebelumnya dilakukan uji persyaratan analisis yaitu uji

normalitas dan uji homogenitas. Berikut ini desain penelitian guna mempermudah

(56)

Tabel 3. Pengumpulan Data

Faktor B Laju Aliran Dalam / Air Panas (lt/s)

0,06 0,08 0,1

Rata-rata 1110 1210 1310 1120 1220 1320 1130 1230 1330

Jumlah

Rata-rata 2110 2210 2310 2120 2220 2320 2130 2230 2330

Jumlah

Rata-rata 3110 3210 3310 3120 3220 3320 3130 3230 3330

Jumlah

Rata-rata

keseluruhan

0110 0210 0310 0120 0220 0320 0130 0230 0330

Jumlah

(57)

39

1. Uji Persyaratan Analisis Data

a. Uji Normalitas

Uji ini bertujuan untuk mengetahui apakah data pada variabel-variabel

penelitian berasal dari populasi yang berdistribusi normal atau tidak, uji

normalitas yang digunakan dalam penelitian ini adalah uji normalitas Liliefors (S).

Adapun prosedur yang dilakukan adalah:

1) Tentukan hipotesis

Ho = Sampel berasal dari populasi berdistribusi normal.

Hi = Sampel tidak berasal dari populasi berdistribusi normal.

2) Tentukan taraf nyata = 0,01

3) Menentukan harga S dengan rumus :

Keteranagan :

SD : Simpangan baku atau deviasi standar

n : Jumlah baris

Xi2 : Jumlah keseluruhan kolom pangkat dua

Xi2 : Hasil pangkat dua Xi2kemudian dijumlahkan keseluruhan

4) Pengamatan X1, X2 ndijadikan bilangan Z1, Z2 ndengan

menggunakan rumus : Zi =

5) Statistik uji yang digunakan L = Maks.

Dengan F(Zi) = P(Z Zi); Z ~ N(0,1);

6) Daerah kritik uji DK = {L L > L ;n}

Ho ditolak apabila Lo mak > L tabel.

Hi diterima apabila Lo mak < L tabel.

(58)

b. Uji Homogenitas

Untuk menguji persyaratan homogenitas digunakan uji chi kuadrat, adapun

prosedur yang harus ditempuh sebagai berikut:

1) Tentukan hipotesis

Ho : P1 = P2 Pk ; Hi : Tidak semua variansi sama

2) Tentukan taraf nyata = 0,01

3) Untuk uji Bartlet digunakan statistik uji :

dimana :

4) Daerah kritik ( Daerah penolakan Ho )

diterima apabila <

diterima apabila >

(Sumber: Hasan. Iqbal, 2004: 190).

2. Uji Analisis Data

a. Uji Hipotesis dengan Anava Tiga Jalan

1) Menentukan Hipotesis

Pada analisis variansi tiga jalan, ada 7 pasang hipotesis (H0dan H1) yang

dapat diuji, yaitu :

a) H0A: = 0 untuk setiap i= 1, 2, 3;

H1A: paling sedikit ada satu yang tidak nol

b) H0B: = 0 untuk setiap i= 1, 2, 3;

H1B: paling sedikit ada satu yang tidak nol

c) H0C: = 0 untuk setiap i= 1, 2, 3;

H1C: paling sedikit ada satu yang tidak nol

d) H0AB: = 0 untuk setiap i= 1, 2, 3; dan j= 1, 2, 3;

(59)

41

e) H0AC: = 0 untuk setiap i= 1, 2, 3; dan k= 1, 2, 3;

H1AC: paling sedikit ada satu yang tidak nol

f) H0BC: 0 untuk setiap j= 1, 2, 3; dan k= 1, 2, 3;

H1BC: paling sedikit ada satu yang tidak nol

g) H0ABC: 0 untuk setiap i= 1, 2, 3; j= 1, 2, 3; dan k= 1, 2, 3;

H1ABC: paling sedikit ada satu yang tidak nol

2) Memilih taraf signifikasi tertentu ( = 0,01)

3) Komputasi

Rumus-rumus yang digunakan untuk menganalisis data yaitu :

Mendefinisikan notasi jumlah Ai, Bj, Ck, ABij, BCjk, ACik, dan ABCijk,

seperti pada tabel 4 s/d tabel 7:

Tabel 4. Jumlah AB

Faktor A

(Bentuk Sirip)

Faktor B (Laju Aliran Pipa dalam)

Total

Faktor C (Laju Aliran Pipa Luar)

(60)

Tabel 6. Jumlah BC

Faktor B

(Laju Aliran Pipa

Dalam)

Faktor C (Laju Aliran Pipa Luar)

Total 0,13 lt/s 0,1 lt/s 0,07 lt/s

0.1 lt/s BC11 BC12 BC13 B1

0.08 lt/s BC21 BC22 BC23 B2

0.06 lt/s BC31 BC32 BC33 B3

Total C1 C2 C3 G

Tabel 7. Jumlah ABC

c1 cr

b1 bq b1 bq

a1 ABC111 ABC1q1 ABC11r ABC1qr

a2 ABC211 ABC2q1 ABC21r ABC2qr

ap ABCp11 ABCpq1 ABCp1r ABCpqr

Pada analisis variansi tiga jalan dengan sel sama ini, didefinisikan 9

(61)

43

Terdapat 9 jumlah kuadrat pada analisis variansi tiga jalan, yang

berdasarkan sifat-sifat tertentu dapat dirumuskan sebagai berikut :

JKA = (3) - (1)

membagi Rerata Kuadrat (RK) yang bersesuaian dengan Rerata Kuadrat Galat

(RKG). Selanjutnya rangkuman analisis variansi tiga jalan sebagai berikut :

Tabel 8. Rangkuman Analisis Variansi Tiga Jalan

(62)

44

BAB IV

HASIL PENELITIAN

A. Deskripsi Data

Seperti telah diuraikan pada bab III, penelitian ini merupakan penelitian

eksperimen yang melibatkan tiga faktor. Faktor A adalah perlakuan variasi bentuk

sirip yaitu: tegak tanpa lengkung, tegak satu lengkung dan tegak dua lengkung.

Faktor B adalah variasi laju aliran luar yaitu: 0,13 lt/s; 0,1 lt/s; dan 0,07 lt/s.

Sedangkan faktor C adalah variasi laju aliran dalam yaitu: 0,1 lt/s; 0,08 lt/s; dan

0,06 lt/s. Faktor A, B, dan C merupakan variabel bebas. Sebagai variabel

terikatnya adalah koefisien perpindahan kalor hasil penelitian alat penukar kalor

pipa ganda aliran berlawanan arah. Data dapat dideskripsikan sebagai berikut :

Tabel 9. Data Hasil Perhitungan Koefisien Perpindahan Kalor

Faktor B Laju Aliran Dalam (lt/s)

0,1 0,08 0,06

Faktor C Laju Aliran

Luar ( lt/s )

0,04731 0,04296 0,03552 0,04866 0,04296 0,03543 0,04867 0,04289 0,03542

0,04731 0,04293 0,03553 0,04866 0,04294 0,03547 0,04865 0,04286 0,03543

0,04726 0,04289 0,03552 0,04866 0,04293 0,03546 0,04862 0,04282 0,03542

Satu

Lengkung

0,04704 0,04239 0,03513 0,04858 0,04255 0,03530 0,04845 0,04234 0,03527

0,04693 0,04239 0,03514 0,04858 0,04255 0,03533 0,04845 0,04235 0,03524

0,04690 0,04238 0,03508 0,04856 0,04255 0,03530 0,04844 0,04233 0,03525

Dua

Lengkung

0,04657 0,04075 0,03378 0,04695 0,04080 0,03362 0,04660 0,04063 0,03355

0,04654 0,04072 0,03368 0,04660 0,04079 0,03363 0,04668 0,04068 0,03357

0,04654 0,04073 0,03378 0,04661 0,04074 0,03362 0,04659 0,04070 0,03360

Data hasil pengukuran koefisien perpindahan kalor hasil penelitian alat

penukar kalor pipa ganda aliran berlawanan arah seperti telah ditunjukkan dalam

tabel 9 di atas, diperoleh atas dasar pengukuran suhu dengan menggunakan

termokopel, kemudian dihitung dengan menggunakan rumus sesuai dasar teori