Pengaruh panjang dan diameter…
20
PENGARUH PANJANG DAN DIAMETER PADA HEAT LOSS
ALIRAN FLUIDA PANAS DALAM PIPA
Sutrisno1, Taufiq Hidayat2 1)2)
TeknikMesin Universitas Nahdlatul Ulama Surakarta 1)
trisnowech_79@yahoo.co.id
ABSTRACT
In the industrialized world, especially in the plant-plant equipment is widely available that serves to support the process that takes place at the plant. To generate a production, then the performance of the equipment should be mutually supportive. If the equipment is damaged, the production process will be hampered. Among the existing equipment that generates very high heat and heat is supplied to the apparatus, where the heat is used for a process.
Heat transfer is the science which predicts the energy transfer occurs due to temperature differences between objects or materials. As for the heat loss that occurs in the pipeline is damage or loss of heat energy in the flow of fluid flowing in the pipe due to the heat transfer fluid in the pipe darisuatu air to the outside.
The purpose of this study was to determine the heat loss on a non-insulated pipe between the pipes insulated with some variation in the length of pipe and pipe diameter. It is also looking for a coefficient of friction of measurements and compared with the friction coefficient of the reference price. In the data collection required an equipment and supporting components to circulate fluid.
From the processing of data and graphs, obtained In and L / D are the same, the heat loss will increase with the increase in the price of the fluid viscosity.
Keywords: Heat loss, Heat Transfer,
PENDAHULUAN
Di dalam dunia industri,
terutama dipabrik-pabrik banyak
terdapat peralatan yang berfungsi
untuk menunjang proses yang
berlangsung di pabrik tersebut. Untuk menghasilkan suatu produksi, maka kinerja dari peralatan tersebut harus saling mendukung. Jika satu peralatan mengalami kerusakan maka proses produksi akan terhambat. Diantara
peralatan ada yang menghasilkan kalor yang sangat tinggi dan kalor tersebut dialirkan ke suatu peralatan, dimana kalor tersebut digunakan untuk suatu proses. Untuk mengalirkan kalor, maka digunakanlah pipa yang diisolasi oleh suatu lapisan isolasi agar kalor yang mengalir tidak mengalami penurunan suhu atau pengurangan kalor.
Dalam penerapannya untuk sistem yang diisolasi menyatakan
POLITEKNOSAINS VOL. XIV NO. 2 September 2015
Pengaruh panjang dan diameter…
21
bahwa energi dari sistem yang diisolasi adalah konstan. Tetapi tidak menutup kemungkinan adanya kehilangan energi panas atau heat loss akibat adanya kerusakan atau kebocoran yang terjadi pada isolator tersebut. Dengan adanya peristiwa tersebut di atas maka
penulis mencoba menganalisa
kehilangan energi panas (heat loss) yang terjadi pada pipa non isolasi diantara pipa yang berisolasi dengan variasi panjang dan diameter tertentu serta pengaruh luar dan dalam yang ditimbulkan
TINJAUAN PUSTAKA DAN
DASAR TEORI
Tri Istanto dan Wibawa Edra Juwana (2010) melakukan penelitian tentang karakteristik perpindahan panas penurunan tekanan dari susunan sirip-sirip pin silinder tirus dalam saluran udara segiempat. Hasil dari penelitian
menunjukkan bahwa pada kedua
susunan sirip pin, peningkatan bilangan Reynolds dan semakin kecil jarak Sy/D akan meningkatkan bilangan Nusselt,
yang berarti meningkatkan laju
perpindahan panas, dimana mencapai maksimum pada Sy/D = 2,36. Nilai penurunan tekanan dan faktor gesekan menurun dengan meningkatnya Sy/D.
Sutanto (2007) juga melakukan
penelitian tentang karakteristik
perpindahan panas dan perubahan tekanan pada heat exchanger dengan
variasi perubahan profil sirip
pendingin. Hasil penelitian
menunjukkan bahwa kalor yang diserap
oleh udara dapat meningkat sebesar 13,4% dibanding radiator standard serta diikuti pula daya untuk blower hisap sebesar 15%.
Pengaruh laju aliran pada
perpindahan kalor pendidihan di
vertical rectangular narrow gap diteliti oleh Kusuma dkk (2012). Hasil dari
penelitian Dari penelitian ini
menunjukkan bahwa pendinginan pelat bersuhu 600 0C dengan debit aliran air pendingin 0,1 liter/detik, 0,2 liter/detik, dan 0,3 liter/detik menghasilkan nilai fluks kalor kritis sebesar 213,27 kW/m2, 479,56 kW/m2, dan 547,50
kW/m2. Serta nilai koefisien
perpindahan kalornya sebesar 1,0422 kW/(m2. 0C), 2,1059 kW/(m2. 0C), dan 2,2177 kW/(m2. 0C).
Semakin besar debit aliran yang dialirkan ke permukaan pelat yang memiliki suhu sama pada vertical rectangular narrow gap, maka akan menghasilkan kenaikan nilai fluks kalor kritis dan koefisien perpindahan panasnya. Fenomena counter current flow yang terjadi selama pendinginan menghambat proses pendinginan pelat panas dan mengakibatkan kecilnya nilai fluks kalor
a. Heat Loss
Hukum ke-nol termodinamika
menyatakan bila ada dua buah benda yang masing-masing berada dalam keseimbangan panas dengan benda ketiga, maka ketiga-tiganya berada dalam keseimbangan panas yang satu dengan yang lainnya, sehingga ketiga benda itu berada pada suhu yang sama.
Pengaruh panjang dan diameter…
22
Berdasarkan pernyataan di atas, maka energi panas bergerak dari temperatur yang tinggi ke temperatur yang rendah.
Perpindahan panas (heat transfer)
ialah ilmu untuk meramalkan
perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material. Panas yang mengalir di dalam suatu pipa ke udara lingkungan seringkali disebut heat loss.
Berdasarkan pengertian diatas maka penulis dapat menyimpulkan bahwa
heat loss adalah kerugian atau kehilangan energi panas pada aliran
fluida yang mengalir di dalam pipa
akibat adanya perpindahan panas dari suatu fluida di dalam pipa ke udara luar.
Perpindahan Panas
Perpindahan panas konduksi
Perpindahan panas konduksi
dapat didefinisikan sebagai
perpindahan energi dari partikel yang mempunyai energi yang lebih besar ke partikel yang mempunyai energi yang lebih rendah dari suatu zat dengan interaksi antar partikel.
Perpindahan panas konduksi dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu konduksi stedi dan tak stedi. Disebut konduksi stedi jika beda suhu pada benda tidak sebagai fungsi waktu (beda suhu tetap sepanjang waktu). Sebaliknya
jika beda suhu pada benda
bergantung terhadap waktu maka disebut tak stedi.
Persamaan konduksi satu dimensi, dinyatakan dengan Hukum Fourier:
Gambar 1 Perpindahan panas konduksi
Perpindahan panas konveksi
Perpindahan panas konveksi
dapat diartikan sebagai
perpindahan energi karena gerakan acak dari molekul dari suatu zat. Di dalam perpindahan konveksi ada 2 mekanisme yang terjadi yaitu adveksi dan konveksi. Adveksi adalah gerakan difusi molekul karena beda temperatur, sedangkan
konveksi merupakan gerakan
agregat dari molekul karena beda temparatur. Persamaan konveksi antara benda padat dan fluida:
Q
h
.
A
T
w
T
U
U q wT
Gambar 2 Perpindahan panas
konveksi dari suatu plat
x T kA Q
POLITEKNOSAINS VOL. XIV NO. 2
Pengaruh panjang dan diameter…
Perpindahan panas radiasiPerpindahan panas radiasi merupakan perpindahan energi oleh rambatan foton yang tak terorganisir. Setiap
benda yang terus menerus
memancarkan foton-foton secara
serampangan dalam arah dan waktu. Energi-energi tersebut diperhitungkan sebagai kalor. Untuk persamaan radiasi antara dua benda adalah:
Q = Fe Fg A
(T14 – T24)Perpindahan Kalor Konduksi
Sistem Radial-Silinder
Gambar 3 merupakan suatu silinder panjang dengan jari-jari dalam ri, jari jari luar ro, dan panjang L. Silinder ini mengalami beda suhu Ti – To. Untuk silinder yang panjangnya sangat panjang
dibanding dengan diameternya,
dapat kita andaikan bahwa aliran
kalor berlangsung menurut arah
radial, sehingga koordinat ruang
yang kita perlukan untuk
menentukan sistem itu hanyalah jari-jari .
Gb. 3 Aliran panas satu-dimensi
Gambar 3. melalui silinder
berlubang dan analogi listriknya Sehingga perpindahan panas yang terjadi adalah :
OLITEKNOSAINS VOL. XIV NO. 2 September 2015
23
Perpindahan panas radiasi merupakan perpindahan energi oleh rambatan foton yang tak terorganisir. Setiap
benda yang terus menerus
foton secara
dan waktu. ut diperhitungkan
Perpindahan Kalor Konduksi
Gambar 3 merupakan suatu jari , dan panjang L. Silinder ini mengalami . Untuk silinder yang panjangnya sangat panjang
dibanding dengan diameternya,
dapat kita andaikan bahwa aliran berlangsung menurut arah ngga koordinat ruang
yang kita perlukan untuk
menentukan sistem itu hanyalah
dimensi
melalui silinder
Sehingga perpindahan panas yang
dr dT kA qr r karena Ar = 2rL, maka: dr dT krl qr 2
dT
l
k
dr
q
r.
.
.
2
dengan kondisi batas : T = Ti pada
r = ri
T = To pada r = ro
Maka penyelesaian persamaan
adalah: o i o i T T r r r
r
k
l
T
q
.
ln
]
2
.
.
.
]
) ln( ) ( 2 i o o i r r r T T kL q
kL r r R i o th . 2 ln
Konsep tahanan termal dapat juga digunakan untuk dinding lapis-rangkap berbentuk silinder, seperti halnya dengan dinding
datar. Dengan mengabaikan
resistansi kontak termal, maka untuk sistem tiga-lapis seperti pada
C B A o i r
k
r
r
k
r
r
k
r
r
T
T
L
q
3 4 2 3 1 2ln
ln
ln
)
(
.
2
Tahanan termalnya adalah:
L k r r L k r r L k r r R C B A i th . . 2 ln . . 2 ln . 2 ln 3 4 2 3 1 2
Pengaruh panjang dan diameter…
24
Gb. 4. Aliran panas satu-dimensi
Gambar 4. melalui penampang
silinder dan analogi listriknya
Koefisien Perpindahan Kalor
Menyeluruh
Aliran Kalor menyeluruh sebagai hasil gabungan proses konduksi dan konveksi bisa dinyatakan dengan
koefisien perpindahan kalor
menyeluruh U, yang dirumuskan dalam hubungan :
qUAT
METODE PENELITIAN Variabel Penelitian
Variable dari penelitian ini adalah temperature fluida, temperatur pipa, panjang dan juga diameter pipa yang digunakan.
Komponen.
1)
TermokopelTermokopel merupakan suatu
metode listrik yang paling umum
digunakan untuk pengukuran
suhu. Jenis termokopel ada 3 yaitu : termokopel jenis J, termokopel jenis K, dan termokopel jenis T.
Termokopel yang digunakan disini
merupakan termokopel jenis T
yang mempunyai spesifikasi
sebagai berikut ini :
- Material kawat terdiri dari
tembaga dan konstantan.
- Suhu yang dapat dicapai
antara –184,4oC sampai
371,1oC
2)
Pipa GalvanishPipa galvanish merupakan pipa
besi yang menggunakan
Aluminium sebagai lapisan luar
untuk mencegah terjadinya karat.
Pipa galvanish tersebut
mempunyai angka kekasaran
0,0005 ft atau 0,15 mm . 4. Display Termokopel
Display termokopel berfungsi sebagai sarana pembaca suhu yang terhubung dengan termokopel.
Display termokopel yang
digunakan mempunyai
kemampuan membaca angka
digital sebanyak 3 angka.
5. Heater
Heater yang penulis gunakan
disini mempunyai daya 1500 watt.
Fungsi utama heater untuk
memanaskan air di dalam
penampung sesuai dengan suhu yang diinginkan.
6. Pompa air
Fungsi utama pompa disini untuk mensirkulasikan aliran air dari penampung dan akan kembali ke penampung lagi melalui pipa. 7. Termokontrol
Termokontrol merupakan suatu
peralatan yang digunakan untuk mengatur suhu air didalam bak penampung sesuai dengan yang
kita inginkan. Termokontrol
tersebut dihubungkan dengan
heater. Apabila suhu yang dinginkan pada penampung air
POLITEKNOSAINS VOL. XIV NO. 2 September 2015
Pengaruh panjang dan diameter…
25
tercapai maka kerja heater di dalam penampung akan berhenti secara otomatis dan apabila suhu air yang diinginkan mulai turun maka heater akan bekerja kembali secara otomatis.
8. Asbes
Asbes merupakan salah satu jenis isolator yang berfungsi untuk
mengurangi laju perpindahan
panas fluida di dalam pipa ke
udara luar. Asbes tersebut
diletakkan sebelum dan sesudah pipa uji agar suhu dari penampung
ke pipa uji tidak banyak
berkurang.
b.Prosedur Pengujian.
Adapun prosedur dari pengujian yang dilakukan adalah sebagai berikut : 1. Mengisi air pada penampung
sebanyak 40 L.
2. Heater/pemanas dimasukkan ke dalam penampung yang berisi air sedalam kurang lebih ¾ dari logam heater tersebut.
3. Mengatur skala pada termokontrol sesuai suhu yang dibutuhkan : 4. Setelah air pada penampung
mencapai suhu sesuai dengan
termokontrol maka rangkaian
termokontrol akan menghentikan
kerja heater dan jika air pada penampung di bawah suhu pada
termokontrol maka rangkaian
termokontrol akan menghidupkan heater.
5. Pompa air dihidupkan untuk mensirkulasikan air. Setelah suhu yang diinginkan terpenuhi dan
aliran air menjadi konstan ( stedi ), kemudian air tersebut melalui orifice yang dihubungkan dengan
manometer tertutup yang
berfungsi untuk mengetahui
berapa debit air tiap detiknya. 6. Setelah air melewati orifice maka,
air mengalir melalui pipa non isolasi pada sesi 1. Di sesi tersebut akan dibaca :
- Manometer tertutup :
- untuk mengukur besarnya
tekanan pada sesi 1 dengan melihat ketinggian air pada papan manometer.
- Termokopel 1 : diletakkan di dalam pipa yang berfungsi sebagai pembaca suhu air dalam pipa pada sesi 1.
- Termokopel 2 : ditempelkan di
dinding luar pipa yang
berfungsi untuk membaca suhu dinding pipa pada sesi 1. 7. Kemudian setelah air melewati
sesi 2 maka air mengalir melewati pipa non isolasi pada sesi 2, di sesi tersebut akan dibaca :
- Manometer tertutup: untuk
mengukur besarnya tekanan pada sesi 2 dengan melihat ketinggian air pada papan manometer. - Termokopel 3: diletakkan di
dalam pipa yang berfungsi sebagai pembaca suhu air dalam pipa pada sesi 2.
- Termokopel 4: ditempelkan di dinding luar pipa yang berfungsi untuk membaca suhu dinding pipa pada sesi 2.
Pengaruh panjang dan diameter…
26
8. Kecepatan yang melewati pipa divariasikan menggunakan katup Gambar skema alat pengambilan data seperti gambar 5
Gambar 5 skema alat uji penelitian
HASIL DAN PEMBAHASAN
Data hasil pengujian untuk diameter 1 inchi, dengan panjang = 150 cm Tabel 1 data hasil pengujian
Nilai rata-rata Tdd1 ( 0C) Tdl1 ( 0C) Tdd1 ( 0C) Tdl2 ( 0C) TwB ( 0C) 1 72.6 61.4 68.4 56.4 32 2 73.8 61.0 69.8 55.3 32 3 74.3 64.0 70.0 57.1 32 4 73.4 62.3 69.1 56.1 32 5 73.3 62.9 68.9 57.0 32 6 73.9 61.5 69.7 52.5 32 Ket :
Tdd1 = suhu pipa di area 1 Tdd2 = suhu pipa di area 2
POLITEKNOSAINS VOL. XIV NO. 2 September 2015
Pengaruh panjang dan diameter…
27
Tdd1 = suhu fluida masuk di area 1
Tdl2= suhu fluida keluar area 2
TwB = suhu udara luar (suhu kamar)
Penghitungan heat loss
Untuk menghitung heat loss kita harus terlebih dahulu mengetahui harga
-harga laju aliran massa (
m
) dan hargaspesifik panas (cp) dari suhu air. Dari tabel karaketristik fluida, dengan interpolasi didapat harga
untuk air dengan suhu 72,6 0 C
adalah :
= 976,4 kg/m, k = 0,666 W/m.oC
= 3,93. 10-4 kg/m, Pr = 2,477 Cp = 4,187 kJ/kg. 0 C.Konduktivitas termal untuk pipa
galvanish adalah C
m
W 0
2.
73 .
Untuk diameter pipa 1 inch adalah : - Diameter dalam adalah : 2,93 cm - Diameter luar adalah : 3,26 cm Untuk harga kecepatan fluida didapat dari hasil perhitungan sebesar :
V = 0.3629 m/s
Maka harga dari laju aliran massa adalah :
m
=4
πd
v
ρ
2
=4
)
0293
,
0
(
14
,
3
3629
,
0
4
,
976
2
= 0,2387 kg/sUntuk menghitung kalor yang hilang ( heat loss ) dengan rumus : q=m
C
p
(
Tf
2
Tf
1)
= 0,2387 kg/s x 4,187 kJ/kg.0C x ( 68,4 0C – 72,6 0C ) = -4,15 kJ/s = -4.150 WTanda negatif (-) disini, bahwa kalor terbuang dari fluida keudara luar.
Dari hasil perhitungan seperti diatas kemudian data hasil perhitungan dibuat grafik seperti gambar 6 dan gambar 7. Dimana untuk T/To adalah perbandingan antara suhu fluida dengan suhu udara terbuka (suhu ruangan). Dan L/D adalah perbandingan panjang pipa dengan diameter pipa.
Pengaruh panjang dan diameter…
28
Gambar 6. grafik heat loss pada T/To = 2,4
Gambar 7. grafik heat loss pada T/To = 2,5 GRAFIK Q LOSS Pd T/To = 2,4
10000 100000 10000 100000 Re L/D = 89 L/D = 70 L/D = 67 L/D = 51 L/D = 40 L/D = 35.5 L/D = 31 L/D = 18 L/D = 13
GRAFIK Q LOSS Pd T/To = 2,5
10000 100000 10000 100000 Re L/D = 54 L/D = 41 L/D = 27 L/D = 20 L/D = 10
POLITEKNOSAINS VOL. XIV NO. 2 September 2015
Pengaruh panjang dan diameter…
29
Dari gambar 6 dan gambar 7, dapat diketahui bahwa :
Pada
,V ,D dan L/D yang sama,heat loss akan meningkat dengan
bertambahnya harga viskositas fluida dan begitu juga sebaliknya.
Pada
,V ,D yang sama,bilangan Reynolds akan mengalami
penurunan dengan bertambahnya
harga viskositas fluida. Sehingga heat
loss akan meningkat untuk perbandingan panjang dan diameter pipa (L/D) yang sama. Begitu juga sebaliknya, bilangan Reynolds akan meningkat pada harga viskositas fluida yang semakin kecil. Sehingga
heat loss akan mengalami penurunan
pada L/D yang sama.
Pada
,V ,D dan
yangsama, heat loss akan meningkat dengan bertambahnya perbandingan panjang dan diameter pipa (L/D).
Begitu juga untuk perbandingan
panjang dan diameter pipa (L/D) yang semakin kecil nilai heat loss akan mengalami penurunan.
KESIMPULAN
- Pada
,V ,D dan L/D yangsama, heat loss akan meningkat
dengan bertambahnya harga
viskositas fluida dan begitu juga sebaliknya.
- Pada
,V ,D dan
yang sama,heat loss akan meningkat dengan
bertambahnya perbandingan
panjang dan diameter pipa (L/D). Begitu juga untuk perbandingan
panjang dan diameter pipa (L/D) yang semakin kecil nilai heat loss akan mengalai penurunan.
DAFTAR PUSTAKA
Bambang Y, 1998, Perpindahan
Panas (Konduksi stedi dan tak stedi serta Radiasi Termal),
teknik Mesin fakultas Teknik
Universitas Diponegoro,
Semarang.
Holman J.P, 1984, Perpindahan
Kalor, Edisi Keenam, Diterjemahkan oleh Ir. E. Jasjfi MSc, Penerbit Erlangga
Istanto. T, Edra. W. J, Karakteristik
Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan Siripsirip Pin Silinder Tirus Susunan Segaris dan Selang-seling dalam Saluran Segi Empat,
Jurnal Teknik Mesin Vol 12 no 1 April.
Kern D. Q, 1986, Process Heat
Transfer, International Student
Edition, McGraw-Hill Book Company, London.
Kusuma.H.M, Juarsa.M, Riza. A. A, Pengaruh Laju Aliran pada Perpindahan Kalor Pendidihan di Vertical Rectangular Narrow
Gap, Seminar Nasional VIII
SDM Teknologi Nuklir
Yogyakarta, 31 Oktober 2012 ISSN 1978-0176
Reynolds C William, Perkins Henry
C, 1993, Termodinamika
Pengaruh panjang dan diameter…
30
Kusnul Hadi, Penerbit
Erlangga, Jakarta.
Robert l. Daughterty, A. B, M. E. Joseph B. Franzini, Ph. D., E John Finnemore, Ph. D., 1985,
Fluid Mechanics With Engineering Applications, Eight
Edition, McGraw-Hill Book Company, London.
Robert W. Fox, AlanT. McDonald, 1975, Introduction to Fluid
Mechanics, Third Edition, John
Wiley and, sons, New Tork – Chichester – Brisbanr – Toronto – Singapore.
Sutanto. R, 2007, Karakteristik
Perpindahan Panas dan Perubahan Tekanan Pada Heat Exchanger dengan Variasi Perubahan Profil Sirip Pendingin,
Warner F. Cecil, 1985, Dasar-Dasar
Thermodinamika untuk Insinyur, Alih Bahasa Ir.
Moedjijarto Pratomo, Msc,
Penerbit PN Balai Pustaka. William C. Reynold, . Henry C
Perkine, 1991, Termodinamika
Teknik, Alih Bahasa: Dr Ir.
Filino Harahap, M. Sc, Penerbit Erlangga, Jakarta
