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
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
iii
PERSETUJUAN
Skripsi ini telah disetujui untuk dipertahankan di hadapan Tim Penguji
Skripsi Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Sebelas Maret
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
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 Fobs = -14913.09 smaller than Ftable= 3.68 (Fobs < Ftable).
(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,
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
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
(Fobservasi < Ftabel). (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
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
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.
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
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
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
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
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 19 Pengaruh Variasi Bentuk Sirip, Laju Aliran Dalam 0,08 lt/s dengan Laju Aliran Luar 0,13 lt/s, 0,1 lt/s da 0,07 lt/s... 46
Gambar 20 Pengaruh Variasi Bentuk Sirip, Laju Aliran Dalam 0,06 lt/s dengan Laju Aliran Luar 0,13 lt/s, 0,1 lt/s da 0,07 lt/s... 47
Gambar 21 Pengaruh Laju Aliran Dalam pada Pipa tanpa Sirip ... 47
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
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
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
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.
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
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
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
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
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
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)
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
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
Hot fluid in Hot fluid out
cold fluid in cold fluid out
Hot fluid in Hot fluid out
cold fluid in
cold fluid out
a. P a ralel flow b. Counter flow
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
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
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 )
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)
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
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 :
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
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)
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 :
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:
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
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)
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
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
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
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
A2 = Bentuk sirip tegak tanpa lengkung
A3 = Bentuk sirip tegak tanpa lengkung
B =Variasi laju aliran dalam
B1 = Laju aliran dalam 0,1 lt/s
B2 = Laju aliran dalam 0,08 lt/s
B3 = Laju aliran dalam 0,06 lt/s
27
C1 = Laju aliran luar 0,13 lt/s
C2 = Laju aliran luar 0,1 lt/s
C3 = Laju aliran luar 0,07 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
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
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
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
31
Tabel 2. Variasi Parameter Sampel Penelitian
Kondisi
1 Tegak tanpa lengkung 0,13 0,1
2 Tegak tanpa lengkung 0,1 0,1
3 Tegak tanpa lengkung 0,07 0,1
4 Tegak tanpa lengkung 0,13 0,08
5 Tegak tanpa lengkung 0,1 0,08
6 Tegak tanpa lengkung 0,07 0,08
7 Tegak tanpa lengkung 0,13 0,06
8 Tegak tanpa lengkung 0,1 0,06
9 Tegak tanpa lengkung 0,07 0,06
10 Tegak satu lengkung 0,13 0,1
11 Tegak satu lengkung 0,1 0,1
12 Tegak satu lengkung 0,07 0,1
13 Tegak satu lengkung 0,13 0,08
14 Tegak satu lengkung 0,1 0,08
15 Tegak satu lengkung 0,07 0,08
16 Tegak satu lengkung 0,13 0,06
17 Tegak satu lengkung 0,1 0,06
18 Tegak satu lengkung 0,07 0,06
19 Tegak dua lengkung 0,13 0,1
20 Tegak dua lengkung 0,1 0,1
21 Tegak dua lengkung 0,07 0,1
22 Tegak dua lengkung 0,13 0,08
23 Tegak dua lengkung 0,1 0,08
24 Tegak dua lengkung 0,07 0,08
25 Tegak dua lengkung 0,13 0,06
26 Tegak dua lengkung 0,1 0,06
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
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
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
35
3. Desain Eksperimen
Penelitian ini menggunakan desain eksperimen sebagai berikut :
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
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
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
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.
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;
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)
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
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
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 )
Faktor C Laju Aliran
Luar ( lt/s )
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