JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2009

(1)

1

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH VARIASI

KETEBALAN TURBULATOR ( TIPE STRAIGHT TAPE STRIP )

TERHADAP KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS

PADA ALIRAN SILANG SUSUNAN SILINDER STAGGERED

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh : DARMAWAN NIM. I 1407502

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2009

(2)

v

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH VARIASI KETEBALAN TURBULATOR ( TIPE STRAIGHT TAPE STRIP ) TERHADAP KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS PADA ALIRAN SILANG

SUSUNAN SILINDER STAGGERED

Disusun Oleh Darmawan NIM. I 1407502 Dosen Pembimbing I Syamsul Hadi, ST. MT. NIP. 132 206 655 Dosen Pembimbing II Budi Kristiawan, ST. MT. NIP. 132 233 154

Telah dipertahankan di depan Tim Dosen Penguji pada hari Senin tanggal 29 Juni 2009.

1. Ir. Santoso, M. Eng, Sc.

NIP. 130 892 718 ...

2. Eko Prasetya Budiyana, ST. MT.

NIP. 132 230 849 ...

3. Wibawa Endra Juwana, ST. MT.

NIP. 132 258 059 ...

Mengetahui, Ketua Jurusan Teknik Mesin

Dody Ariawan, ST. MT. NIP. 132 230 848

Koordinator Tugas Akhir

Syamsul Hadi, ST. MT. NIP. 132 206 655

(3)

vi

PENGHARGAAN

ALLAH SWT

Terima kasih atas segala Kenikmatan

yang telah Engkau limpahkan kepadaku

Bapak & Ibu tersayang

Untuk cinta dan kasih sayang tak bertepi

yang kalian berikan di setiap hari-hariku

kakakku

Untuk doa dan dukungan

yang telah kau berikan

Bpk. Syamsul Hadi, ST., MT.

Untuk bimbingan dan kesabarannya

Bpk. Budi Kristiawan, ST., MT.

Untuk bimbingan dan kesabarannya

(4)

vii

MOTTO

“Berbuatlah yang terbaik untuk setiap detiknya Dan tak perlu kau pikirkan esok akan jadi apa”

”Ujilah batas kemampuan diri dan pastikan untuk selalu mendekatinya”

“marah lebih baik dari pada putus asa”

“tua sudah biasa tetapi dewasa adalah pilihan”

(5)

viii

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH VARIASI KETEBALAN TURBULATOR ( TIPE STRAIGHT TAPE STRIP ) TERHADAP KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS PADA ALIRAN SILANG

SUSUNAN SILINDER STAGGERED DARMAWAN

ABSTRAK

Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan studi eksperimental tentang pengaruh variasi ketebalan turbulator tipe pita lurus terhadap koefisien perpindahan panas konveksi, angka Nusselt dan penurunan tekanan pada susunan silinder staggered dengan arah aliran secara melintang.

Bahan yang digunakan adalah pipa tembaga f 7/8 inci, dengan aliran air panas bertemperatur ± 60oC. Material turbulator adalah sheet mika dengan panjang 150 mm dan lebar 5 mm, variasi ketebalan turbulator adalah 3,3 mm, 2,6 mm, 1,9 mm, 1,2 mm, 0,5 mm dan tanpa turbulator. Pemasangan turbulator dilakukan secara simetris pada sudut 70o terhadap arah aliran. Pengujian menggunakan Multi Purpose Air Duct dengan variasi kecepatan udara 1,0 m/s, 1,5 m/s, 2,0 m/s dan 2,5 m/s.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada ketebalan turbulator 0.5 mm memberikan peningkatan koefisien perpindahan panas konveksi terbaik untuk semua variasi kecepatan udara yaitu sebesar 299,86 W/m2.K, 449,82 W/m2.K, 599,92 W/m2.K dan 749,50 W/m2.K dengan prosentase peningkatan koefisien perpindahan panas konveksi sebesar 16,64 %, 16,80 %, 16,99 % dan 17,01 % terhadap variasi tanpa turbulator. Juga memberikan peningkatan angka Nusselt terbaik dengan perumusan empirik adalah Nu =0.02Re0.998Pr0.9825 yaitu sebesar 242,05, 363,58, 484,83 dan 606,01 dengan prosentase peningkatan angka Nusselt sebesar 16,78 %, 16,95 %, 17,02 % dan 17,01 % terhadap variasi tanpa turbulator. Dan juga memberikan penurunan tekanan terkecil yaitu sebesar 4,87 Pa, 9,74 Pa, 19,47 Pa dan 30,83 Pa, dengan prosentase peningkatan penurunan tekanan sebesar 25 %, 20 %, 20 % dan 11,8 % terhadap variasi tanpa turbulator.

Kata kunci : turbulator, tipe pita lurus, susunan selang-seling, aliran silang, koefisien perpindahan panas konveksi, angka Nusselt, penurunan tekanan

(6)

TURBULATOR ( TIPE STRAIGHT TAPE STRIP ) ON THE HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS IN CROSS FLOW OVER STAGGERED

TUBE BUNDLE DARMAWAN ABSTRACT

The purpose of this research was to know the effect of various thickness turbulator ( type straight tape strip ) to the convection heat transfer coefficient, Nusselt number and pressure drop in cross flow over staggered tube bundle.

The material of the cylinder was copper pipe diameter 7/8 inch, were hot water current temperature ± 60oC. The material of turbulator was made from mica, it were 150 mm length and 5 mm wide, with the various thickness of turbulator were 3.3 mm, 2.6 mm, 1.9 mm, 1.2 mm, 0.5 mm and various without turbulator. It was applied at angle of 70o symmetrically to the flow direction. The research used multi purpose air duct at 1.0 m/s, 1.5 m/s, 2.0 m/s and 2.5 m/s.

The results showed that at turbulator 0.5 mm thickness had the best convection heat transfer coefficient for all various air velocity, it were 299,86 W/m2.K, 449,82 W/m2.K, 599,92 W/m2.K and 749,50 W/m2.K respectively, with percentage of enhancement were 16,64 %, 16,80 %, 16,99 % and 17,01 % in comparison without addition of turbulator. Also had the best Nusselt number value, which empirical correlation obtained was Nu =0.02Re0.998Pr0.9825, it were 242,05, 363,58, 484,83 and 606,01 respectively, with percentage of enhancement were 16,78 %, 16,95 %, 17,02 % and 17,01 % in comparison without addition of turbulator. As well as provided smallest pressure drop, it were 4,87 Pa, 9,74 Pa, 19,47 Pa and 30,83 Pa respectively, with percentage of enhancement were 25 %, 20 %, 20 % and 11,8 % in comparison without addition of turbulator.

Keywords : turbulator, straight tape strip, staggered tube, cross flow, convection heat transfer coefficient, Nusselt number, pressure drop

(7)

Alkhamdulillaah, segala puji bagi Allah SWT, Tuhan Semesta Alam, yang telah memberikan Rahmat dan Hidayah-Nya kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan Skripsi yang berjudul “Studi Eksperimental Pengaruh Variasi

Ketebalan Turbulator (tipe Straight Tape Strip) Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas Pada Aliran Silang Susunan Silinder Staggered ” Sebagai

salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta.

Dalam kesempatan ini, penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah memberikan bantuan, doa, dukungan dan semangat, baik moril maupun materiil kepada :

1. Bapak Dody Ariawan, ST. MT., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS. 2. Bapak Syamsul Hadi, ST. MT. selaku Pembimbing I tugas akhir, atas

bimbingan, nasehat, kesabaran dan ilmu pengetahuan yang diajarkannya. 3. Bapak Budi Kristiawan, ST. MT. selaku Pembimbing II tugas akhir, atas

bimbingan, kesabaran, nasehat dan ilmu pengetahuan yang diajarkannya. 4. Bapak Budi Santoso, ST. MT. selaku Pembimbing Akademik 1, atas saran dan

nasehatnya selama ini.

5. Bapak Heru Sukanto, ST. MT. selaku Pembimbing Akademik 2, atas saran dan nasehatnya.

6. Bapak-bapak dosen dan staf karyawan di lingkungan Teknik Mesin UNS, atas didikan, nasehat, dan ilmu yang diajarkan.

7. Bapak dan Ibu, yang selalu mencintai, menyayangi, memperhatikan, melindungi, dan membimbingku dengan penuh kesabaran, keikhlasan, pengertian, pengorbanan dan selalu memenuhi kebutuhanku. Takkan pernah habis kata tuk haturkan terima kasih banyak.

(8)

Petrus, Henry, Sugiono, Sunaris dan juga temen –temen seperjuangan dilab Perpan, Eko, Adit, Safik, Mahmudin, Apras.

9. Teman-teman yang senantiasa memberi semangat untuk segera menyelesaikan skripsi ini.

10. Semua pihak yang belum sempat disebutkan, yang telah membantu penelitian dan penyusunan laporan tugas akhir ini.

Penulis menyadari akan masih banyaknya kekurangan dalam penulisan laporan Skripsi ini. Oleh karena itu, penulis sangat berharap akan adanya kritik, saran, maupun masukkan yang sifatnya membangun demi kesempurnaan laporan Skripsi ini.

Semoga laporan Skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Amin.

Surakarta, Juni 2009

(9)

DAFTAR ISI Halaman Judul ... i Halaman Pengesahan ... ii Penghargaan ... iii Motto ... iv Abstrak ... v

Kata Pengantar ... vii

Daftar isi ... ix

Daftar Tabel ... xii

Daftar Gambar ... xiii

Daftar Notasi ... xiv

Daftar Lampiran ... xvi

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 2

1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian ... 3

1.5 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Pustaka ... 4

2.2 Lapis Batas (Boundary layer)... 6

2.3 Angka Reynolds ... 8

2.4 Separasi ... 8

2.5 Reattachment ... 10

2.6 Turbulator ... 11

2.7 Karakteristik aliran melintasi staggered tube bundle secara cross flow ... 11

2.8 Penukar Kalor ... 13

2.9 Kalibrasi ... 15

2.10 Perpindahan Panas ... 16

2.11 Kajian Eksperimental Karakteristik Perpindahan Panas ... 17

2.11.1 Persamaan Untuk Variasi Tanpa Turbulator ... 17

2.11.1.1 Metode Pengukuran Temperatur Dinding ... 17

2.11.1.2 Metode Koefisien Pemisah ... 19

2.11.2 Persamaan Untuk Variasi Ketebalan Turbulator ... 22

(10)

3.1 Alat Penelitian ... 26

3.1.1 Multi Purpose Air Duct (MPAD) ... 26

3.1.2 Pemanas Air (boiler) ... 26

3.1.3 Automatic Thermo-Controller ... 26

3.1.4 Pompa Air ... 27

3.1.5 Rotometer ... 27

3.1.6 Instrumentasi dan Alat Ukur Temperatur... 27

3.1.7 Anemometer Digital ... 27 3.1.8 Manometer miring ... 27 3.1.9 Stopwatch ... 27 3.2 Bahan Penelitian ... 28 3.2.1 PipaTembaga ... 28 3.2.2 Akrilik ... 28 3.2.3 Sheet Mika ... 28 3.2.4 Gabus ... 28 3.2.5 Seksi Uji ... 28

3.3 Skema Susunan Pipa Pada Seksi Uji ... 29

3.4 Skema Pemasangan Turbulator ... 29

3.5 Pemasangan Thermokopel ... 30

3.6 Skema Prinsip Kerja Alat Uji ... 30

3.7 Tempat dan Waktu Penelitian ... 31

3.8 Alur Penelitian ... 32

3.9 Prosedur Dalam Pelaksanaan Penelitian ... 33

BAB IV ANALISA DATA 4.1 Kalibrasi ... 34

4.2 Perhitungan Eksperimental ... 36

4.2.1 Perhitungan Pada Variasi Tanpa Turbulator ... 36

4.2.2 Perhitungan Pada Variasi Ketebalan Turbulator 0.5 mm ... 41

4.2.3 Perhitungan Empirik ... 48

4.3 Analisa Hasil Percobaan ... 52

4.3.1 Pengaruh Variasi Ketebalan Turbulator Terhadap Koefisien Perpindahan Panas Konveksi ... 52

4.3.2 Pengaruh Variasi Kecepatan Udara Terhadap Koefisien Perpindahan Panas Konveksi ... 54

4.3.3 Pengaruh Variasi Ketebalan Turbulator Terhadap Angka Nusselt ... 56

4.3.4 Pengaruh Variasi Kecepatan Udara Terhadap Angka Nusselt ... 58

4.3.5 Pengaruh Variasi Ketebalan Turbulator Dan Variasi Kecepatan Udara Terhadap Penurunan Tekanan ... 59

(11)

5.1 Kesimpulan ... 61 5.2 Saran ... 61

DAFTAR PUSTAKA ... .... xvii LAMPIRAN

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Koefisien Perpindahan Panas, Angka

Nusselt Dan Pressure Drop ... 47

Tabel 4.2 Data-data Untuk Perhitungan Perumusan Empirik Angka

Nusselt Variasi Tanpa Turbulator ... 49

Tabel 4.3 Data-data Untuk Perhitungan Perumusan Empirik Angka

Nusselt Dengan Variasi Ketebalan Turbulator ... 50

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Nusselt number dan Heat transfer coefficient terhadap Re

(Pethkool Somsak, dkk, 2006) ... 4

Gambar 2.2 Perpindahan panas dan pressure drop pada circulat tube

(Hussein M Fahmy, dkk, 1989) ... 5

Gambar 2.3 Karakteristik lapis batas (Munson, B.R., dkk., 2002) ... 6

Gambar 2.4 Profil suhu lapis batas thermal

(Incropera, F.P., dan DeWitt, D.P., 1996) ... 7

Gambar 2.5 Karakteristik aliran melewati silinder

Gambar 2.6 Profil kecepatan aliran melewati silinder

Gambar 2.7 Pengaruh turbulensi terhadap titik separation

Gambar 2.8 Bubble separation aliran laminar dengan reattachment aliran

turbulent (Cesini, G., dkk, 2001) ... 10

(12)

Gambar 2.10 Jenis-jenis penukar kalor aliran silang

(Holman, J. P., 1994) ... 14

Gambar 3.1 Multi purpose air duct ... 26

Gambar 3.2 Instrumentasi dan alat pengukur temperatur ... 27

Gambar 3.3 Turbulator ... 28

Gambar 3.4 Gabus ... 28

Gambar 3.5 Seksi uji ... 28

Gambar 3.6 Skema susunan pipa pada seksi uji ... 29

Gambar 3.7 Skema pemasangan turbulator ... 29

Gambar 3.8 Gambar pemasangan thermokopel ... 30

Gambar 3.9 Skema prinsip kerja alat uji ... 30

Gambar 3.10 Skema alat uji ... 31

Gambar 4.1 Grafik koefisien perpindahan panas konveksi vs variasi ketebalan turbulator ... 52

Gambar 4.2 Grafik koefisien perpindahan panas konveksi vs angka Reynolds ... 54

Gambar 4.3 Grafik angka Nusselt empirik vs variasi ketebalan turbulator... 56

Gambar 4.4 Grafik angka Nusselt empirik vs angka Reynolds ... 58

Gambar 4.5 Grafik pressure drop vs angka Reynolds ... 59 DAFTAR NOTASI

A luas penampang duct (m2)

α diffusivitas thermal (m2/s)

ai luas sisi dalam pipa (m2)

ao luas sisi luar pipa (m2)

Cp panas jenis fluida (kJ/kgoK)

Di diameter dalam pipa (m)

Do diameter luar pipa (m)

h

D perbedaan ketinggian level oli

pada manometer miring (m)

P

D pressure drop (Pa)

LMTD T

D logarithmic mean temperature different ( oK )

g percepatan gravitasi (m/s2)

hi koefisient perpindahan panas konveksi

di dalam pipa (W/m2.K)

o

h koefisien perpindahan panas konveksi

rata-rata dinding luar pipa (W/m2 .K)

o

h' koefisien perpindahan panas konveksi dinding luar pipa dengan metode

separating coefficient (W/m2 .K) q

o

h koefisien perpindahan panas konveksi lokal

dinding luar pipa (W/m2 .K)

k konduktifitas termal material pipa (W/m.oK)

f

(13)

ki konduktifitas termal fluida di dalam pipa (W/m.oK)

l panjang pipa uji (m)

l lebar turbulator (m)

o

m laju aliran massa fluida (kg/s) µ viskositas dinamik fluida (N.s/m2) N jumlah pipa uji

n jumlah data

Nui angka Nusselt di dalam pipa

o

Nu angka Nusselt rata-rata dinding luar pipa

o

Nu' angka Nusselt dinding luar pipa dengan metode separating coefficient

q o

Nu angka Nusselt lokal dinding luar pipa Pri angka Prandtl di dalam pipa

Q(debit) debit aliran air di dalam pipa (m3/s) udara

Q besar perpindahan panas (Watt)

Rei angka Reynolds aliran di dalam pipa

ReD angka Reynolds

ReD, max angka Reynolds maximum

ri jari-jari dalam pipa (m)

ro jari-jari luar pipa (m)

ρ massa jenis fluida (kg/m3)

oli

r massa jenis oli pada manometer miring (kg/m3)

SL longitudinal pitch (mm)

ST transverse pitch (mm)

q

sin sudut manometer miring (deg)

c

T ≈T¥ temperatur rata-rata udara duct (oK) Tc in tempudara duct sebelum melewati seksi uji (oK)

Tc out temp udara duct setelah melewati seksi uji (oK)

f

T temperatur film (oK)

Th in temp air panas sebelum masuk seksi uji (oK)

Th out temp air panas setelah keluar seksi uji (oK)

wo

T temperatur permukaan dinding luar pipa (oK) wo

T temperatur rata-rata dinding luar pipa (oK) Uo koefisien perpindahan panas overall

berdasarkan permukaan luar pipa (W/m2.K)

V kecepatan fluida (m/s)

ν viskositas kinematik fluida (m2/s) Vmax kecepatan aliran udara maximum (m/s)

(14)

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Data Kalibrasi Pada Thermokopel Tcin dan Tcout

Lampiran 2 Data Kalibrasi Pada Thermokopel Tw 1 dan Tw 2

Lampiran 5 Data Kalibrasi Pada Thermometer digital Th 1 dan Th 2

Lampiran 6 Data-data Hasil Percobaan

Lampiran 7 Data-data Properties dan Hasil Perhitungan Lampiran 8 Grafik Kalibrasi Pada Thermokopel Tcin dan Tcout

Lampiran 9 Grafik Kalibrasi Pada Thermokopel Tw 1 dan Tw 2

Lampiran 12 Grafik Kalibrasi Pada Thermometer digital Th 1 dan Th 2

Lampiran 13 Tabel Properties Udara

(Incropera, F.P. and DeWitt, D.Pd, 1996)

Lampiran 14 Tabel Konduktivitas Thermal Material

Lampiran 15 Tabel Properties Air

Lampiran 16 Tabel Properties Air

(Holman, J. P., 1994)

Lampiran 17 Perbandingan Perhitungan Qair - Qudara

(15)

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Dalam dunia industri banyak peralatan – peralatan yang bekerja berdasarkan prinsip perpindahan panas (heat exchange), seperti ketel boiler, unit condenser & evaporator pada mesin chiller, heater dll. Dimana alat tersebut secara umum terdiri dari shell and tube. Telah banyak dikembangkan penelitian untuk meningkatkan efek perpindahan panas guna memperbesar efektivitas alat tersebut, baik pada struktur aliran secara searah (paralel flow), aliran berlawanan (counter flow), ataupun aliran melintang (cross flow). Untuk aliran melintang (cross flow) banyak dipakai dalam peralatan pemanas dan pendingin udara atau gas, dalam hal ini udara atau gas dialirkan menyilang terhadap pipa (tube) sedangkan fluida lain dialirkan di dalam pipa untuk memanaskan atau mendinginkan.

Untuk meningkatkan perpindahan panas pada struktur aliran melintang (cross flow) salah satu cara yang telah dikembangkan adalah dengan penambahan alat pengganggu aliran separasi yang disebut turbulator yang dipasangkan pada posisi depan daerah separasi, dengan alat ini aliran laminar dipaksa untuk berubah menjadi aliran turbulent sebelum terjadi separasi sehingga akan ada penambahan energi pada aliran yang menyebabkan aliran udara menjadi lebih sulit untuk terlepas dari permukaan silinder. Kondisi aliran pada susunan silinder tersebut dipengaruh oleh separasi lapis batas dan intensitas turbulensi, yang merupakan fungsi dari kecepatan fluida, ukuran, dan susunan silinder yang akan mempengaruhi besarnya perpindahan panas.

Sampai saat ini belum pernah ada penelitian yang dikembangkan mengenai pengaruh dari ketebalan turbulator tersebut. Oleh karena itu perlu dikembangkan penelitian lebih lanjut yang berhubungan dengan. pengaruh variasi

(16)

perpindahan panas pada aliran melintang (cross flow) susunan silinder staggered.

1.2. Perumusan Masalah

Dari latar belakang masalah di atas timbul permasalahan yaitu bagaimana pengaruh variasi ketebalan turbulator tipe pita lurus (straight tape strip) terhadap koefisien perpindahan panas konveksi, Nusselt number dan penurunan tekanan (pressure drop) pada susunan silinder staggered dengan arah aliran secara melintang (cross flow).

1.3. Batasan Masalah

Untuk menentukan arah penelitian yang baik, ditentukan batasan masalah sebagai berikut:

1. Alat uji yang digunakan dalam penelitian ini adalah Multi Purpose Air Duct. 2. Pipa yang digunakan untuk seksi uji adalah pipa tembaga dengan f 7/8 inci. 3. Susunan pipa adalah susunan staggered pipe dengan ST=3.0D dan SL=2.0D,

blockage ratio (D/W) = 0.2

4. Suhu air panas diset pada temperatur 60o C.

5. Variasi ketebalan turbulator { tipe pita lurus / straight tape strip} yang digunakan adalah tebal 0.5 mm, 1.2 mm, 1.9 mm, 2.6 mm, 3.3 mm (dengan lebar 5mm) dan tanpa turbulator.

6. Variasi kecepatan aliran udara adalah 1.0 m/s, 1.5 m/s, 2.0 m/s dan 2.5 m/s. 7. Pemasangan turbulator dilakukan secara simetris pada sudut 70o terhadap

arah aliran.

8. Konduktivitas termal material pipa (k) dianggap konstan. 9. Perpindahan panas keadaan tunak (steady state).

10. Pengaruh radiasi diabaikan.

11. Aliran udara masuk saluran udara secara uniform dengan suhu konstan. 12. Permukaan silinder sangat halus.

13. Isolasi terhadap seksi uji dianggap sempurna. 14. Analisa berdasarkan temperatur film.

(17)

1.4. Tujuan dan Manfaat Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian ini yaitu :

1. Mengetahui pengaruh variasi ketebalan turbulator dan variasi kecepatan udara terhadap koefisien perpindahan panas konveksi.

2. Mengetahui pengaruh variasi ketebalan turbulator dan variasi kecepatan udara terhadap angka Nusselt.

3. Mengetahui pengaruh variasi ketebalan turbulator dan variasi kecepatan udara terhadap penurunan tekanan (pressure drop).

Manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Diharapkan nantinya dapat menambah wawasan dan pengetahuan dalam bidang mekanika fluida khususnya aerodinamika dan perpindahan panas.

1.5. Sistematika Penulisan

Sistematika dalam penulisan tugas akhir ini adalah :

BAB I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian dan sistematika penulisan.

BAB II : Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan penelitian terdahulu, kajian teoritis boundary layer, angka Reynolds, separasi, reattachment, turbulator, karakteristik aliran melintasi staggered tube bandle secara cross flow, penukar kalor, kalibrasi, perpindahan panas dan kajian eksperimental karakteristik perpindahan panas.

BAB III : Metodologi penelitian, berisi tentang alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian, skema prinsip kerja alat uji, waktu dan tempat penelitian, alur penelitian yang dilakukan dan prosedur cara pelaksanaan penelitian,.

(18)

setelah melakukan penelitian dan analisa terhadap hasil-hasil yang diperoleh.

BAB V : Penutup, berisi kesimpulan dari hasil penelitian dan saran yang perlu diperhatikan untuk penelitian lebih lanjut.

(19)

BAB II DASAR TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka

Pethkool Somsak dkk, (2006), melakukan penelitian tentang pengaruh penambahan “Louvered” Strip pada a Concentric pipe heat exchanger terhadap perpindahan panas. Dari penelitian yang dilakukan diperoleh bahwa dengan penambahan “louvered” strip turbulator pada parallel-flow concentric double pipe heat exchanger dengan sudut 31° memberikan Nusselt number dan Heat transfer coefficient yang maksimum untuk semua variasi angka Reynolds dibandingkan dengan sudut 17° dan 26°, dengan trend line peningkatannya adalah linier, dimana Nusselt number terrendah terlihat pada plain tube (smooth-surface circular tube). Dengan penambahan “louvered” turbulator tersebut akan meningkatkan resirkulasi aliran turbulent dan meningkatkan gangguan pada lapis batas (boundary layer). Gambar 2.1. menunjukkan hasil dari Nusselt number vs angka Reynolds dan Heat transfer coefficient vs angka Reynolds. Dengan penambahan “louvered” strip turbulator juga akan meningkatkan pressure drop, dengan trend line non linear terhadap peningkatan angka Reynolds.

Gambar 2.1. Nusselt number dan Heat transfer coefficient terhadap Re Pethkool Somsak dkk, 2006

(20)

Yongsiri Kittisak dkk, (2006), melakukan penelitian tentang pengaruh dari aliran turbulent yang berputar terhadap peningkatan perpindahan panas dalam suatu tabung. Dari penelitian yang dilakukan diperoleh bahwa dengan pembangkitan pusaran akan menghasilkan aliran turbulent atau aliran yang berputar sehingga akan dapat memperpanjang waktu kontak udara dalam seksi uji dan dapat meningkatkan laju perpindahan panas. Diperoleh juga bahwa dengan penambahan D-nozzle turbulator maka Nusselt number terbesar terjadi pada pitch ratio turbulator yang terkecil.

Hussein M Fahmy dkk, (1989), melakukan studi eksperimental mengenai perpindahan panas dan penurunan tekanan untuk beberapa konfigurasi yang berbeda (surface extended) pada susunan rangkum tabung in-line dan staggered dengan arah aliran udara secara menyilang. Dari penelitian yang dilakukan diperoleh bahwa dengan perluasan area permukaan (surface extended) akan dapat meningkatkan perpindahan panas tetapi juga akan meningkatkan penurunan tekanan (pressure drop). Pada susunan silinder staggered, terjadi peningkatan perpindahan panas dan penurunan tekanan yang lebih tinggi dibandingkan dengan susunan silinder in-line seperti terlihat pada gambar 2.2. dibawah ini.

Gambar 2.2. Perpindahan panas dan pressure drop pada circular tube Hussein M Fahmy dkk, 1989

(21)

Anggoro Wisnu, (2008), melakukan penelitian tentang pengaruh letak turbulator terhadap perpindahan panas pada aliran silang susunan silinder staggered. Dengan penambahan turbulator tidak akan selalu dapat meningkatkan laju perpindahan panasnya, tetapi laju perpindahan panas akan bertambah nilainya jika turbulator ditempatkan pada sudut yang tepat yaitu antara 70° - 80° (sebelum separasi) dan pada kondisi kecepatan aliran udara yang rendah.

2.2. Lapis Batas (Boundary layer)

Boundary layer atau lapis batas pertama kali dikemukakan oleh Ludwig Prandtl pada Konggres Matematika di Heidelberg, Jerman pada tahun 1904. Ketika suatu aliran fluida mengalir melewati suatu permukaan dinding, fluida tersebut akan berkurang kecepatannya akibat adanya gaya geser antara fluida yang mempunyai viskositas dengan permukaan dinding. Bahkan kecepatan fluida tersebut adalah nol pada permukaan dinding. Namun tebal perbedaan kecepatan ini adalah sangat tipis dan inilah yang disebut boundary layer atau lapis batas. Profil kecepatan semakin menjauhi permukaan dinding maka kecepatannya akan mendekati kecepatan udara bebas yang bergerak tanpa terpengaruh adanya gesekan dengan permukaan dinding.

Gambar 2.3. Karakteristik lapis batas (Munson, B.R. dan Young, D.F., 2002)

(22)

Jadi lapis batas (Boundary layer) adalah lapisan tipis dari aliran fluida yang berdekatan dengan permukaan benda yang dilewatinya, dimana aliran menjadi lambat karena adanya gesekan antara fluida dan permukaan benda tersebut. Ketebalan lapis batas adalah jarak dari permukaan benda hingga kecepatan fluida 99% dari kecepatan fluida pada aliran bebas.

Lapis batas (boundary layer) mungkin dapat berupa aliran laminar atau turbulent ditentukan oleh besarnya bilangan Reynolds.

- Laminar Boundary Layer. Pada lapis batas laminar alirannya steady dan halus. Sebagai hasilnya, lapisannya sangat tipis, dan skin friction sangat kecil.

- Turbulent Boundary Layer. Pada lapis batas turbulent alirannya unsteady dan tidak halus, lapisannya sangat tebal dan skin friction besar.

Pada gambar 2.4. menunjukkan profil suhu lapis batas termal. Lapis batas termal (thermal boundary layer) didefinisikan sebagai daerah di mana terdapat gradien suhu. Gradien suhu terbentuk karena adanya proses pertukaran kalor antara fluida dan dinding. Pada bagian tepi muka, profil suhu seragam dengan T(y)

= T∞. Partikel-partikel fluida menukar energi dengan permukaan dan gradient suhu pada fluida berkembang. Dengan meningkatnya jarak dari tepi muka efek dari perpindahan panas menembus ke dalam aliran bebas dan lapis batas termal tumbuh.

Gambar 2.4. Profil suhu lapis batas termal (Incropera, F.P. and DeWitt, D.P., 1996)

(23)

m rV D D = Re n D V 2.3. Angka Reynolds

Dalam penelitiannya Reynolds melakukan visualisasi aliran cairan yang dilewatkan pada terowongan pipa, dimana terdapat lapisan tipis yang disebut sebagai dye. Dia menemukan bahwa, dye kadang-kadang mengalir melalui pipa sebagai aliran kontinue (laminar), tapi kadang-kadang menjadi rusak atau terjadi olakan (turbulent). Reynolds mengamati bahwa berat jenis, kekentalan, kecepatan fluida, dan diameter pipa berperan penting dalam menentukan aliran tersebut laminar atau turbulent.

Sehingga Reynolds menggabungkan pengaruh dari semua faktor tersebut menjadi satu parameter non dimensional atau disebut sebagai Reynolds number (Re). (1) = Dimana : ReD : angka Reynolds ρ : massa jenis (kg/m3) V : kecepatan fluida (m/s) D : diameter (m)

µ : viskositas dinamik fluida (N.s/m2) ν : viskositas kinematik fluida (m2

/s)

(Incropera, F.P. and DeWitt, D.P., 1996)

2.4. Separasi

Bila energi kinetik fluida di dalam lapis batas tidak mampu lagi mengatasi gradien tekanan dari arah yang berlawanan, maka akan terjadi pembalikan lokal aliran di dalam lapis batas tersebut, di dekat titik ini lapis batas akan memisahkan diri (separation). Di belakang titik perpisahan, aliran di dekat permukaan terdiri dari pusaran-pusaran yang sangat tidak teratur (turbulent). Pada umumnya, lapis batas turbulent ini tidak akan mudah berpisah seperti lapis batas laminar karena memiliki energi kinetik partikel-partikel fluida yang lebih besar daripada lapisan batas laminar.

(24)

Gambar 2.5. Karakteristik aliran melewati silinder (Incropera, F.P., dan DeWitt, D.P., 1996)

Gambar 2.5. dan gambar 2.6. menunjukkan aliran viskous pada suatu silinder, stream lines adalah simetris. Titik di mana profil kecepatan adalah nol adalah titik stagnasi dan distribusi tekanan adalah maksimal, selanjutnya akan membentuk suatu lapis batas. Dari titik stagnasi akan melintasi permukaan silinder dan terjadi kenaikkan kecepatan yang akan menyebabkan penurunan tekanan, selanjutnya pada suatu titik akan terjadi penurunan kecepatan yang berarti kenaikan tekanan. Di mana pada titik tersebut energi kinetik fluida di dalam lapis batas tidak mampu lagi mengatasi gradien tekanan dari arah yang berlawanan sehingga mengakibatkan terpisahnya lapis batas dari dinding dan terjadilah separasi lapis batas. Ketika aliran tersebut terus bergerak melewati titik pisah maka terjadi fenomena aliran balik yang pada akhirnya pada daerah bagian belakang silinder menjadi turbulen dan bergerak secara acak.

- Pada daerah favorable pressure gradient terjadi kenaikkan kecepatan (du∞/dx >0) yang akan menyebabkan penurunan tekanan (dp/dx < 0).

- Pada daerah adverse pressure gradient terjadi penurunan kecepatan (du∞/dx <0) yang berarti terjadi kenaikan tekanan (dp/dx > 0).

- Titik separasi terjadi apabila ( du/dy )s = 0.

Gambar 2.6. Profil kecepatan aliran melewati silinder (Incropera, F.P. and DeWitt, D.P., 1996)

(25)

Pada ReD ≤ 2.105 lapis batas adalah laminar dan titik separasi terjadi pada posisi sudut sekitar θ ≈ 80o yang diukur dari titik stagnasi. Pada bilangan Reynolds yang lebih besar daripada 105, titik separasi terjadi pada sudut θ ≈ 140o.

Gambar 2.7. Pengaruh turbulensi terhadap titik separation. (Incropera, F.P., dan DeWitt, D.P., 1996)

2.5. Reattachment

Lapis batas aliran udara laminar yang melewati permukaan silinder, umumnya pada titik tertentu akan mengalami transisi dari aliran laminar ke aliran turbulent. Pada daerah transisi ini seringkali diikuti terjadinya fenomena yang disebut sebagai gelembung separasi (bubble separation). Tiga karakteristik dari gelembung separasi adalah titik separasi, gelembung separasi dan titik reattachment. Gelembung separasi adalah gelembung yang disebabkan oleh terjadinya gradien tekanan aliran yang meningkat pada lapis batas.

Ketika separasi terjadi, gangguan pada lapis batas menjadi besar dan terbentuk bubble separation sementara gradien tekanan akan semakin besar, kemudian lapis batas akan menempel kembali ke permukaan silinder (reattachment) dalam bentuk aliran turbulent. Terjadinya gelembung separasi ini akan menambah gaya hambat bentuk (form drag) dan fenomena ini sering terjadi pada beberapa aplikasi dengan angka Reynolds yang rendah.

Gambar 2.8 Bubble separation aliran laminar dengan reattachment aliran turbulent.

(26)

2.6. Turbulator

Turbulator adalah sebuah alat pengganggu aliran. Dalam hal aliran laminar melintasi permukaan silinder, turbulator ditempatkan pada daerah sebelum separasi untuk memaksa aliran laminar terseparasi lebih awal hingga aliran akan menempel kembali ke permukaan (reattachment) dalam bentuk aliran turbulent.

2.7. Karakteristik aliran melintasi staggered tube bundle secara cross flow

Perpindahan panas aliran melewati berkas pipa (tube bundle) bergantung sebagian besarnya pada pola aliran serta derajad turbulensinya, yang pada gilirannya merupakan fungsi dari kecepatan fluida, ukuran serta susunan pipa-pipa tersebut. Karakteristik aliran didominasi oleh effect separasi lapis batas dan pengaruh dari wake dimana faktor tersebut mempengaruhi besarnya perpindahan panas.

Gambar 2.9. Pola aliran pada berkas pipa staggered (Incropera, F.P., dan DeWitt, D.P., 1996)

Pada gambar 2.9. terlihat pola aliran pada berkas pipa staggered yang lebih berliku-liku apabila dibandingkan pada susunan in-line (aligned) juga pada susunan staggered ini akan memberikan area permukaan untuk aliran yang lebih besar sehingga akan memberikan pengaruh perpindahan panas yang lebih baik terutama pada aliran dengan angka Reynold yang rendah.

Perhitungan besarnya angka Reynold (ReD) pada konfigurasi ini adalah berdasarkan atas kecepatan maximum yang terjadi pada tube bundle yaitu kecepatan yang melalui bidang aliran minimum.

(27)

n h D D Vmax max , Re = 2 2 2 1 2 2 S S D S S T T L D + > ú ú û ù ê ê ë é ÷ ø ö ç è æ + = V D S S V T T -= max duct keliling duct penampang luas P A 4 4 ₌

Sehingga rumusan ReD, maximum adalah :

(2)

Dimana :

ReD, max : angka Reynolds maximum

Vmax : kecepatan aliran udara maximum (m/s) Dh : diameter hidraulik (m)

:

(Holman, J. P., 1994 )

ν : viskositas kinematik fluida (m2/s)

(Incropera, F.P., dan DeWitt, D.P., 1996)

Apabila (3)

Maka kecepatan fluida maximum (Vmax) di hitung menggunakan rumus :

(4) Dimana : V : kecepatan fluida (m/s) D : diameter pipa (mm) ST : transverse pitch (mm) SL : longitudinal pitch (mm)

(28)

α v = Pr f k hD Nu= Cp k/ . / r r m = k Cp . m =

Parameter-parameter tanpa dimensi adalah parameter yang sangat penting dalam analisa perpindahan panas. Parameter-parameter ini digunakan untuk mencari nilai koefisien perpindahan panas. Dengan diketahuinya koefisien perpindahan panas maka keefektifitasan suatu alat penukar kalor dapat diketahui. Parametet-parameter terkait tersebut adalah :

1. Angka Reynolds (Reynolds Number)

Angka Reynolds dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya inersia dengan gaya kekentalan.

2. Angka Prandtl (Prandtl Number)

Bilangan Prandtl dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara diffusifitas momentum (v) dengan diffusifitas termal (a).

(5)

3. Angka Nusselt (Nusselt Number)

Angka Nusselt menyatakan gradien temperatur pada suatu permukaan. Angka ini menyediakan sebuah pertimbangan tentang transfer panas konveksi yang terjadi pada permukaan.

(6) (Incropera, F.P., dan DeWitt, D.P., 1996)

2.8. Penukar Kalor

Penukar kalor adalah sebuah alat dimana kalor dipindahkan dari fluida panas ke fluida dingin. Dalam hampir semua aplikasi, fluida-fluida tersebut tidak tercampur tetapi perpindahan panas melalui sebuah dinding pemisah dengan berbagai bentuk geometri. Klasifikasi penukar kalor berdasaran pola aliran fluida panas dan fluida dingin, dapat berupa penukar kalor aliran searah (parallel flow heat excharger), berlawanan arah (counter flow heat excharger), dan aliran silang (cross flow heat excharger).

(29)

Penukar kalor aliran silang banyak dipakai dalam pemanasan dan pendinginan udara atau gas. Pada penukar kalor aliran melintang dapat dibedakan menjadi single pass cross flow heat excharger with both fluids unmixed (kedua fluida tidak bercampur) dan cross flow heat excharger with one fluid mixed and the other unmixed (fluida satu campur dan fluida yang lain tak campur).

Pada gambar 2.9. menunjukkan alat penukar kalor aliran silang (a), fluida yang mengalir melintas tabung disebut arus campur (mixed stream), sedang fluida di dalam tabung disebut arus tak campur (unmixed).

Gas dikatakan bercampur karena dapat bergerak dengan bebas di dalam alat sambil menukar kalor. Fluida yang lain terkurung di dalam tabung saluran penukar kalor dan tidak dapat bercampur selama proses perpindahan panas. Penukar kalor aliran silang (b), gas mengalir melintas berkas tabung bersirip dan karena terkurung di dalam saluran-saluran di antara sirip-sirip, tidak tercampur pada waktu mengalir melalui penukar kalor.

(a) (b)

Gambar 2.10. Jenis-jenis penukar kalor aliran silang. (Holman, J. P., 1994)

Jika fluida tak campur, terdapat gradien suhu pada arah sejajar dengan aliran maupun arah normal terhadap aliran. Sedangkan jika fluida itu campur terdapat kecenderungan untuk suhu itu menjadi sama pada arah normal terhadap aliran, sebagai akibat dari percampuran.

(30)

b ax y= +

(

)(

)

(

)

å

-= ₂ 2 i i i i i i x x n y x y x n a

(

)

(

)

(

)(

)

(

)

å

-= ₂ 2 2 i i i i i i i x x n x y x x y b 2 1 2 , 2 1 _ú û ù ê ë é -= y x y r s s

(

)

12 1 2 1 ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ë é -=

å

= n y y n i m i y s ú û ù ê ë é -= @ y x y r 2 , 2 2 1 s s 2.9. Kalibrasi

Kalibrasi merupakan hal mendasar yang perlu dilakukan sebelum melaksanakan penelitian. Alat yang akan digunakan dalam penggambilan data pada penelitian harus terlebih dahulu melalui proses kalibrasi agar data yang dihasilkan akurat.Kalibrasi dapat dilakukan dengan membandingkan dua data dari dua alat yang berbeda (salah satu alat sebagai acuan), dan dicari dengan menggunakan metode least square, sehingga didapatkan persamaan :

(7) y adalah data dari alat acuan

x adalah data dari alat yang dikalibrasi

(Holman, J. P., 1994 )

Untuk a dan b diperoleh dari :

(8)

(9)

dimana : n : jumlah data

(Holman, J. P., 1994 )

Untuk mengecek keakuratan dari persamaan yang dihasilkan, kita perlu mencari koefisien korelasi (r) dan apabila r = 0 maka persamaan yang dihasilkan tidak akurat. Sedangkan apabila r mendekati 1 maka deviasi yang terjadi semakin kecil dan persamaan dapat dipergunakan. Koefisien korelasi (r) dapat didefinisikan sebagai :

(10)

(Holman, J. P., 1994 )

Untuk mencari s yang merupakan standar deviasi y menggunakan rumus : _y

(31)

L t kA q= D

(

Tw Tf

)

A h q= . . -n y y_m =

å

i

(

)

12 1 2 , 2 ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ë é -=

å

= n y y n i ic i x y s dimana untuk (12) (Holman, J. P., 1994 )

Dan untuk mencari s menggunakan rumus : _y,_x

(13)

dimana untuk y_ic adalah hasil perhitungan dari persamaan yang telah diperoleh

(Holman, J. P., 1994 )

2.10. Perpindahan Panas

Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari suatu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat beda temperature antara daerah-daerah tersebut.

1. Perpindahan panas konduksi (hantaran) adalah perpindahan panas melalui suatu bahan padat yang menyangkut pertukaran energi pada tingkat molekuler. Rumus dasar perpindahan panas konduksi :

(14)

2. Perpindahan panas konveksi adalah proses perpindahan panas yang terjadi antara permukaan dengan fluida yang mengalir apabila keduanya memiliki temperatur yang berbeda.

Perpindahan panas konveksi mempunyai rumus dasar :

(15)

3. Perpindahan panas radiasi adalah perpindahan panas melalui pancaran gelombang cahaya dari suatu zat ke zat yang lain tanpa memalui perantara.

(32)

udara udara dinding konveksi pipa dinding konduksi dinding panas fluida konveksi Q Q Q Q _- = = _- =

(

out in

)

o udarai m Cp T T Q = . . _¥ - _¥ udara udara dinding konveksi Q Q _- = A V m o . . r = o m

2.11. Kajian Eksperimental Karakteristik Perpindahan Panas.

Dalam pengujian karakteristik perpindahan panas konveksi menggunakan 2 metode pengolahan data yaitu metode pengukuran temperatur dinding (wall temperature measuring method) dan metode koefisien pemisah (separating coefficient method).

2.11.1. Persamaan Untuk Variasi Tanpa Turbulator

2.11.1.1. Metode Pengukuran Temperatur Dinding (wall temperature measuring method)

Dasar dari metode ini dalam menganalisa karakteristik perpindahan panas konveksi dinding luar pipa adalah proses perpindahan panas konveksi yang terjadi dari permukaan dinding luar pipa ke udara yang mengalir di dalam duct pada kondisi steady. Proses perpindahan panas pada kondisi steady state yang terjadi, dengan asumsi bahwa konduktivitas termal material pipa (k) dianggap konstan, isolasi pada seksi uji dianggap sempurna.

Dengan persamaan energinya adalah :

Besar perpindahan panas Q pada kondisi steady adalah konstan, maka besar perpindahan panas

Perumusan untuk mencari Qudara adalah :

(16)

(Holman, J. P., 1994 )

dan untuk mencari

o

m menggunakan rumus :

(17) Dimana :

udara

Q : besar perpindahan panas (Watt) : laju aliran massa udara duct (kg/s) Cp : panas jenis udara duct (kJ/kgoK)

out

T_¥ : temperature udara duct setelah melewati seksi uji = Tc out (oK)

in

(33)

(

¥

)

- =h A T -T

Q _konveksi_dinding _udara _o. _wo. wo

(

)

[

]

(

- ¥

)

= T T N l D Q h wo o udara o . . . . p q

å

= = N n o o h N h 1 1 q f o o o k D h Nu _q = q .

r : massa jenis udara duct (kg/m3 ) V : kecepatan fluida (m/s)

A : luas penampang duct (m2)

Perumusan untuk mencari Qkonveksi dinding – udara adalah :

(18)

(Holman, J. P., 1994 )

Untuk mencari koefisien perpindahan panas konveksi lokal dinding luar pipa adalah dengan mensubstitusikan persamaan 16 dan 18 :

(19)

Dimana : q

o

h : koefisien perpindahan panas konveksi lokal dinding luar pipa (W/m2 .K) Do : diameter luar pipa (m)

l : panjang pipa uji (m) N : jumlah pipa uji

wo

T : temperatur rata-rata dinding luar pipa (oK) ¥

T : temperatur rata-rata udara duct = T (c oK)

Sehingga koefisien perpindahan panas rata-rata dinding luar pipa dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut :

(20)

Perumusan untuk mencari angka Nusselt lokal dinding luar pipa adalah :

(21)

Dimana : q o

Nu : angka Nusselt lokal dinding luar pipa q

o

h : koefisien perpindahan panas konveksi lokal dinding luar pipa (W/m2.oK) Do : diameter luar pipa (m)

f

k : konduktivitas termal udara berdasarkan temp. film (W/m2.oK)

(34)

2 ¥ + = T T T_f wo

å

= = N n o o Nu N Nu 1 1 q

(

0.7 Pr 160,Re 10.000

)

Pr Re 023 . 0 0.8 0.3 > £ £ = i i i Nu i i i i D k Nu h = .

Untuk mencari temperatur film digunakan rumus :

(22)

Dan untuk mencari angka Nusselt rata-rata dinding luar pipa ditentukan dengan persamaan :

(23)

2.11.1.2. Metode Koefisien Pemisah ( sparating coefficient method )

Analisa karakteristik perpindahan panas konveksi dinding luar pipa yang dilakukan dengan metode ini dimulai dengan mengambil suatu persamaan empirik yang berlaku untuk perpindahan panas internal flow. Berdasarkan pada laju aliran air panas di dalam pipa uji dijaga konstan dan diset berupa fully developed turbulent flow in smooth tube ( Re > 10.000), sehingga angka Nusselt pada aliran dalam pipa (Nui ) dapat diperoleh dengan persamaan Dittus-Boelter :

(24)

(Holman, J. P., 1994 )

dimana :

Nui : angka Nusselt di dalam pipa

Rei : angka Reynolds di dalam pipa

Pri : angka Prandtl di dalam pipa

Koefisien perpindahan panas konveksi di dalam pipa ( hi ) dicari dengan

persamaan:

(25) dimana :

hi : koefisient perpindahan panas di dalam pipa (W/m2.K)

ki : konduktifitas termal fluida di dalam pipa (W/m.oK)

(35)

LMTD wo o A T U Q= . .D

(

)

[

o

]

LMTD o T N l D Q U D = . . . . p

(

) (

)

(

) (

)

[

hin cout hout cin

]

in c out h out c in h T T T T T T T T -/ ln : o i o o i o i o h r r l k a a a h U 1 ln . . . 2 1 1 + + = p i o o i i o o o r r l k a h a a U h ln . . . 2 1 1 1 ' p -=

Untuk mencari koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dinding luar pipa (Uo) dapat dihitung melalui besar perpindahan panas Q pada

kondisi steady :

(26)

(Holman, J. P., 1994 )

sehingga untuk mencari (Uo) persamaannya menjadi :

(27)

dimana :

Q : besar perpindahan panas (W)

Uo : koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan luar pipa

(W/m2.K)

Do : diameter luar pipa (m)

l : panjang pipa uji (m) N : jumlah pipa uji

LMTD T

D : logarithmic mean temperature different ( oK )

(28)

(Holman, J. P., 1994 )

Uo dapat dinyatakan dalam bentuk lain yaitu :

(29)

(Holman, J. P., 1994 )

sehingga untuk mencari koefisien perpindahan panas konveksi dinding luar pipa (h’o) adalah dengan memisahkan Uo dari persamaan (29) dan diperoleh persamaan

sebagai berikut :

(36)

q g. h.sin P= D D q r_oli.g .Dh.sin = f o o o k D h Nu' = ' . dimana : o

h' : koefisien perpindahan panas konveksi dinding luar pipa dengan metode separating coefficient (W/m2.K)

Uo : koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dinding luar

pipa (W/m2.K)

ao : luas sisi luar pipa (m2)

ai : luas sisi dalam pipa (m2)

ro : jari-jari luar pipa (m)

ri : jari-jari dalam pipa (m)

hi : koefisien perpindahan panas konveksi di dalam pipa (W/m2.K)

k : konduktivitas temal bahan pipa (W/m.oK) l : panjang pipa uji (m)

Sehingga angka Nusselt dinding luar pipa dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut :

(31) dimana :

o

Nu' : angka Nusselt dinding luar pipa dengan metode separating coefficient

o

h' : koefisien perpindahan panas konveksi dinding luar pipa dengan metode separating coefficient (W/m2.K)

f

k : konduktivitas termal udara berdasarkan temp. film rata-rata (W/m2.oK)

Untuk menghitung penurunan tekanan (pressure drop) dipergunakan rumus :

(34) dimana :

P

D : pressure drop

oli

r : massa jenis oli pada manometer miring (kg/m3 ) g : percepatan gravitasi ( 9.81 m/s2)

h

D : perbedaan ketinggian level oli pada manometer miring (m)

q

(37)

(

out in

)

o udarai m Cp T T Q = . . _¥ - _¥ udara udara dinding konveksi Q Q _- = A V m o . . r = o m

(

¥

)

- =h A T -T

Q _konveksi_dinding _udara _o. _wo. wo

(

) ( )

[

]

{

-

}

(

- ¥

)

= T T N l D Q h wo o udara o . . . 2 . . l p q

2.11.2. Persamaan Untuk Variasi Ketebalan Turbulator

2.11.2.1. Metode Pengukuran Temperatur Dinding (wall temperature measuring method)

Besar perpindahan panas Q pada kondisi steady adalah konstan, maka besar perpindahan panas

Perumusan untuk mencari Qudara adalah :

(35)

(Holman, J. P., 1994 )

dan untuk mencari

o

m menggunakan rumus :

(36) Dimana :

udara

Q : besar perpindahan panas (Watt) : laju aliran massa udara duct (kg/s) Cp : panas jenis udara duct (kJ/kgoK)

out

T_¥ : temperature udara duct setelah melewati seksi uji = Tc out (oK)

in

T_¥ : temperature udara duct sebelum melewati seksi uji = Tc in (oK)

r : massa jenis udara duct (kg/m3 ) V : kecepatan fluida (m/s)

A : luas penampang duct (m2)

Perumusan untuk mencari Qkonveksi dinding – udara adalah :

(37)

(Holman, J. P., 1994 )

Untuk mencari koefisien perpindahan panas konveksi lokal dengan pemasangan turbulator adalah dengan mensubstitusikan persamaan 35 dan 37 :

(38)

dimana : q o

h : koefisien perpindahan panas konveksi lokal dinding luar pipa dengan pemasangan turbulator (W/m2 .K)

(38)

å

= = N n o o h N h 1 1 q

å

= = N n o o Nu N Nu 1 1 q f o o o k D h Nu _q = q .

(

0.7 Pr 160,Re 10.000

)

Pr Re 023 . 0 0.8 0.3 > £ £ = _i _i i Nu

l : lebar turbulator (m) l : panjang pipa uji (m) N : jumlah pipa uji

wo

T : temperatur rata-rata dinding luar pipa (oK) ¥

T : temperatur rata-rata udara duct = T (c oK)

Sehingga koefisien perpindahan panas rata-rata dinding luar pipa dengan pemasangan turbulator dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut :

(39)

Perumusan untuk mencari angka Nusselt lokal dinding luar pipa dengan pemasangan turbulator adalah :

(40)

dimana : q o

Nu : angka Nusselt lokal dinding luar pipa dengan pemasangan turbulator q

o

h : koefisien perpindahan panas konveksi lokal dinding luar pipa dengan pemasangan turbulator (W/m2.oK)

f

k : konduktivitas termal udara berdasarkan temp.film (W/m2.oK)

Dan untuk mencari angka Nusselt rata-rata dinding luar pipa dengan pemasangan turbulator ditentukan dengan persamaan :

(41)

2.11.2.2. Metode koefisien pemisah ( sparating coefficient method )

Persamaan Dittus-Boelter adalah :

(42)

(39)

i i i i D k Nu h = .

(

) ( )

[

]

{

o

}

LMTD o T N l D Q U D -= . . . 2 . . l p

(

) ( )

[

]

{

}

(

)

{

[

(

) ( )

]

}

i o o i i o o o r r l k N l D h N l D N l D U h ln . . . . 2 . . 2 . . 1 . . . . . . 2 . . 1 1 ' p p p p l - l -= dimana :

Rei : angka Reynolds di dalam pipa

Pri : angka Prandtl di dalam pipa

Koefisien perpindahan panas konveksi di dalam pipa (hi) dicari dengan

persamaan:

(43) dimana :

hi : koefisient perpindahan panas di dalam pipa (W/m2.K)

ki : konduktifitas termal fluida di dalam pipa (W/m.oK)

Di : diameter dalam pipa ( m )

Untuk mencari koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dinding luar pipa (Uo) dengan pemasangan turbulator dapat dihitung dengan

persamaan :

(44)

dimana :

Q : besar perpindahan panas (W)

Uo : koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan luar pipa

dengan pemasangan turbulator (W/m2.K) Do : diameter luar pipa (m)

l : lebar turbulator (m) l : panjang pipa uji (m) N : jumlah pipa uji

LMTD T

D : logarithmic mean temperature different ( oK )

Untuk mencari koefisien perpindahan panas konveksi dinding luar pipa (h’o)

dengan pemasangan turbulator adalah dengan mengurangkan luas sisi luar pipa dengan luas pemasangan turbulator sehingga persamaan (30) menjadi :

(40)

n m C Nu= Re Pr Pr Re n Log Log m C Log Nu Log = + + f o o o k D h Nu' = ' . dimana : o

h' : koefisien perpindahan panas konveksi dinding luar pipa dengan pemasangan turbulator (metode separating coefficient) (W/m2.K) Uo : koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dinding luar

pipa dengan pemasangan turbulator (W/m2.K) Do : diameter luar pipa (m)

Di : diameter dalam pipa (m)

ro : jari-jari luar pipa (m)

ri : jari-jari dalam pipa (m)

l : lebar turbulator (m) l : panjang pipa uji (m) N : jumlah pipa uji

hi : koefisien perpindahan panas konveksi di dalam pipa (W/m2.K)

k : konduktivitas temal bahan pipa (W/m.oK)

Sehingga angka Nusselt dinding luar pipa dengan pemasangan turbulator dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut :

(47) dimana :

o

Nu' : angka Nusselt dinding luar pipa dengan pemasangan turbulator (metode separating coefficient)

o

h' : koefisien perpindahan panas konveksi dinding luar pipa dengan pemasangan turbulator (metode separating coefficient) (W/m2.K) Do : diameter luar pipa (m)

f

k : konduktivitas termal udara berdasarkan temp. film rata-rata (W/m2.oK)

2.11.3. Perhitungan Empirik

Rumus umum dari perhitungan angka Nusselt empirik diberikan dalam

bentuk : (48)

Untuk menyelesaikan persamaan diatas, maka dilakukan pelinieran terhadap persamaan tersebut menjadi :

(49) Dimana :

(41)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Alat Penelitian

3.1.1 Multi Purpose Air Duct (MPAD)

Multi purpose air duct adalah alat yang dapat dipakai untuk barbagai macam percobaan. Terbuat dari kayu dimana pada bagian permukaannya dilapisi dengan cat tahan panas. Ukuran penampang melintang saluran ini 300 mm x 150 mm. Multi purpose air duct dilengkapi dengan fan centrifugal tipe TKE dengan kapasitas 2500 ft3/menit pada tekanan Ps = 112,8 mm H2O. daya motor 1.1 kW, 3 f, 380 V, 2820 r/min

Gambar 3.1. Multi purpose air duct 3.1.2 Pemanas Air ( Boiler)

Digunakan sebagai penyedia air panas untuk proses perpindahan kalor. Boiler terbuat dari bahan stainless steel dengan ukuran 400mm x 400mm x 400mm. Dilengkapi dengan pemanas listrik sebesar 3 x 1 kW, 3 f, 380 V. 3.1.3 Automatic Thermo-Controller

Digunakan sebagai alat untuk setting temperatur air boiler, digunakan tipe-IL.70.110/220V dengan IL-80 EN Control egp, dilengkapi dengan magnetic contactor mitsubishi S-K20 dan 2 buah termometer digital untuk pengukuran temperatur air masuk dan keluar seksi uji, digunakan merek ST-2 dengan ketelitian 0,1 oC, Range -50oC s/d 70 oC.

(42)

3.1.4 Pompa air

Digunakan untuk mensirkulasikan air panas melewati alat uji. Pompa air yang digunakan adalah DAB, kapasitas 42 L/menit, heat total 33 m, daya 125 W, rpm 2850, 220V/50 Hz/1Ph.

3.1.5 Rotometer

Sebagai alat untuk mengukur debit aliran fluida panas. Rotometer yang digunakan adalah tipe SK-11.

3.1.6 Instrumentasi & Alat Pengukur Temperatur

Dalam penelitian ini digunakan 6 buah thermokopel untuk pengukuran temperatur dinding luar pipa dan 2 buah thermokopel untuk pengukuran temperatur udara duct. Thermokopel yang digunakan untuk adalah tipe T berdiameter 0.1 mm. Dilengkapi dengan conector, selector dan reader indikator temperatur merek OMEGA dengan ketelitian 0.1 oC.

Pemasangan thermokopel pada dinding luar pipa menggunakan lem Araldite yang terdiri dari pengeras (hardener) warna merah dan resin (warna putih).

Gambar 3.2. Instrumentasi dan alat pengukur temperatur 3.1.7 Anemometer Digital

Anemometer adalah alat untuk mengukur kecepatan udara. Spesifikasinya adalah :

- Merek : Testo 400 - Tipe : vane probe - Ketelitian : 0,1 m/s 3.1.8 Manometer miring

Digunakan untuk mengukur pressure drop dengan skala pembacaan Δ h 3.1.9. Stopwatch

(43)

3.2. Bahan Penelitian

3.2.1 Pipa Tembaga

Digunakan untuk membuat susunan pipa pada seksi uji, dengan Φ 7/8” 3.2.2. Akrilik

Digunakan untuk membuat seksi uji dengan ukuran penampang melintang 300 mm x 150 mm.

3.2.3 Sheet mika

Digunakan sebagai bahan untuk turbulator, dengan panjang 150 mm, lebar 5 mm, tebal 0.5 mm.

Gambar 3.3. Turbulator 3.2.4 Gabus

Digunakan sebagai isolator untuk mengisolasi sambungan pipa seksi uji.

Gambar 3.4. Gabus 3.2.5 Seksi uji

Dipergunakan sebagai alat penukar kalor untuk melakukan pengujian perpindahan panas konveksi paksa.

(44)

3.3 Skema Susunan Pipa Pada Seksi Uji

Gambar 3.6. Skema susunan pipa pada seksi uji

Seksi uji terbuat dari bahan akrilik, dengan dimensi dan konfigurasi adalah sebagai berikut :

1. Lebar : 150 mm 2. Tinggi : 300 mm 3. Panjang : 300 mm 4. Jumlah pipa : 18 buah 5. Diameter luar pipa : 22.2 mm 6. Diameter dalam pipa : 20 mm 7. Susunan pipa : Staggered

8. Jarak antar pipa : ST=3.0D ; SL=2.0D, (D/W) =0.2

9. Bahan pipa : Tembaga ( Copper )

3.4 Skema Pemasangan Turbulator

(45)

3.5 Pemasangan Thermokopel

Cara pemasangan thermokopel untuk mengukur temperatur dinding luar pipa adalah dengan membuat alur (titik lubang) pada permukaan pipa sebesar ujung dari thermokopel, setelah itu thermokopel ditempatkan pada alur tersebut kemudian direkatkan dengan lem Araldite.

Gambar 3.8. Gambar pemasangan thermokopel

3.6 Skema Prinsip Kerja Alat Uji

(46)

Keterangan : 1. Automatic thermo-controller 2. Heater 3. Boiler 4. Pompa 5. Rotometer

6. Th in temp. fluida masuk seksi uji 7. Seksi uji

8. Th out temp. fluida keluar seksi uji

Gambar 3.10. Skema alat uji

3.7 Tempat dan Waktu Penelitian

Tempat : Laboratorium Termodinamika dan Perpindahan Panas, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret.

(47)

tidak ya tidak Analisa Kesimpulan Selesai Mulai

Variasi awal ketebalan turbulator 3.3 mm.

ya

Memanaskan air hingga mencapai suhu ± 60° C

Δh manometer ; pengukuran (debit ? 350 L/jam); Th,i ; Th,o ; Tc,i ; Tc,o danTw out 1-6

Data

Variasi kecepatan udara : 1.5 m/s, 2.0 m/s, 2.5 m/s Mempersiapkan multi purpose air duct

dan alat-alat ukur percobaan.

Steady state

Menghidupkan fan centrifugal untuk variasi awal kecepatan udara 1 m/s Memasang seksi uji pada Multi Purpose Air Duct

Mempersiapkan seksi uji.

Variasi ketebalan : 2.6 mm, 1.9 mm, 1.2 mm, 0.5 mm dan tanpa turbulator

(48)

3.9 Prosedur Dalam Pelaksanaan Penelitian adalah sebagai berikut :

1. Mempersiapkan alat pembacaan (reader dan selector) thermokopel. 2. Mempersiapkan seksi uji (untuk perubahan variasi ketebalan turbulator) 3. Mempersiapkan seksi uji pada Multi Purpose Air Duct.

- Mengisolasi celah sambungan seksi uji dengan Multi Purpose Air Duct - Memasang isolator (gabus) pada kedua sisi sambungan pipa seksi uji. 4. Menghubungkan semua sistem dengan sumber listrik.

5. Menghidupkan heater pemanas air boiler dan mensetting Automatic thermo-Controller hingga temperatur fluida panas masuk seksi uji ± 60° C.

6. Menghidupkan pompa fluida panas dan mengatur debit (skala rotometer) dengan katup bay-pass hingga aliran dalam pipa adalah kembang penuh (pada 350 L/jam).

7. Menghidupkan fan centrifugal.

8. Mengatur bukaan damper (sesuai variasi kecepatan aliran udara duct) dengan skala pengukuran menggunakan anemometer.

9. Menunggu hingga sistem steady. 10. Mencatat ho manometer.

11. Mencatat h1 manometer.

12. Mencatat debit fluida panas ; Th in ; Th out ; Tc in ; Tc out dan Tw out 1-2 (sebagai

temp. pada θ= 90°), Tw out 3-4 (sebagai temp. pada θ= 0° / stagnasi), Tw out 5-6

(sebagai temp. pada θ= -90°) dalam selang waktu setiap 10 menit, hingga diperoleh 3 data steady.

13. Melakukan variasi kecepatan aliran udara, dengan mengulangi langkah percobaan pada no.8 s/d no. 12. (dilakukan variasi kecepatan aliran udara sebanyak 4 variasi)

14. Setelah selesai melakukan percobaan, mematikan sistem dan melepas sistem dari sumber listrik.

15. Mempersiapkan seksi uji untuk pengujian dengan variasi ketebalan turbulator yang berbeda, setelah itu mengulangi langkah percobaan pada no.3 s/d no.14. (dilakukan variasi ketebalan turbulator sebanyak 5 variasi dan 1 variasi tanpa turbulator).

16. Setelah semua data diperoleh, maka melakukan pengolahan data, analisa hasil dan penarikan kesimpulan.