1
HEAT CONDUCTIVITY ALUMINUM PIPE IN PIPE KONSENTRIKALIRAN UNIDIRECTIONAL ANDOPPOSITE
ENDRID GUSMAN, DR.IR.YANUAR,MSC,MENG Undergraduate Program, 2006
Gunadarma University http://www.gunadarma.ac.id
key words: heat exchanger, reynolds numbers, pipe concentric ABSTRACT :
Abstract. Heat exchanger (heat exchanger) with various types of machinery used in the system. The purpose of this research is to find the total heat transfer coefficient inside the pipe concentric with the flow direction and opposite direction. Koensentrik pipe with a diameter of 0.5 ins, one in outer pipe installed horizontally, with water circulating pump when hot water flows inside and outside cold water. Hot and cold water temperature was measured beforen entering and in measuring on the way out. The variation of the flow rate was measured with a measuring cup. Results are shown in the graph, where the flow rate or Reynolds numbers, the difference in temperature, pipe material, pipe diameter, number Nussalt very influential on heat transfer coefficient.
2 JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA
Endrid Gusman 20400417
JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS GUNADARMA
3
Abstraksi
Alat penukar kalor / panas(heat exchanger) dengan bermacam tipe digunkan dalam sistem permesinan. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mencari koefisien perpindhan panas total didalam pipa konsentrik dengan aliran sea rah dan berlawanan arah.
Pipa koesentrik dengan diameter dalam 0,5 in, diameter pipa luar 1 in dipasang secara horizontal, sirkulasi air dengan pompa dimana air panas mengalir di dalam dan air dingin diluar. Tempera rtur air panas dan air dingin di ukur sebelum masuk dan di ukur pada saat keluar. Variasi laju aliran di ukur dengan gelas ukur. Hasil di tunujkkan dalam grafik, dimana debit aliran atau angka bilangan Reynolds, selisih temperature, material pipa, diameter pipa, angka Nusselt sangat berpengaruh terhdap koefisien perpindahan panas.
Pendahuluan
Perkembangan teknologi saat ini sangat berkembang dengan pesat seiring dengan proses globalisasi dalam segala bidang, s a l a h s a t u n y a d a l a m b i d a n g i l m u pengetahuan dan teknolgi, terutama yang erat kaitannya dalam hal industri sehingga sangat di butuhkan temuan – temuan i n o v t i v e y a n g d a p a t m e n d u k u n g perkembangan industri tersebut yang dapat berupa teori – teori atau pun berupa alat – alat. Temuan tersebut tentu harus sudah melalui proses banyak penelitian dan percobaan untuk menghasilkan efesiensi yang besar.
Per masalahan dan Batasan M asalah
D alam perpindahan panas (heat exchanger) pada pipa kosentrik yang mana pipa – pipa tersebut terdiri dari pipa aluminium dan pipa pvc, yang digabungkan menjadi satu, yang mana fungsinya untuk mencari nilai koesifien perpindahan panas tersebut yang terjadi di dalam pipa aluminium. Sehingga kita menggunkan sebuah rumus perpindahan panas yang utama yaitu :
dq = U.d.A.ÄT
Dalam persamaan tersebut U adalah koefisien perpindahan panas yang tidak berdimensi.yang mana maksud dari
persamaan di atas tersebut adalah untui menentukan laju aliran perpindahan panas pada pipa kosentrik dan bentuk aliran fluida yang di gunakan adalah air panas yang dipanaskan terlebih dahulu sampai suhu 100ºC.
Untuk mempermudah penulisan
khususnya dalam perhitungan data maka dilakukan pembatasan – pembatasan masalah dan asumsi- asumsi. Pembatasan masalah dan asumsi tersebut antara lain:
1.Tipe alat penukar panas yang digunakan adalah sebuah pipa yang mana pipa yang digunakan adalah pipa pvc dan pipa aluminium yang merupakan cangkang.
2.Fluida yang digunakan adalah air panas.
3.Salah satu fluida (air) mengalir melalui pipa di dalamnya, fluida tersebut mengalir melalui cincin yang berbentuk silinder pipa, maupun silinder dalam dan silinder
luar.Karena kedua aliran fluida melintas penukar panas hanya sekali, maka dinamakan satu lintas saja(single pass), lalu dalam penelitian alat ini kedua fluida itu mengalir dalam arah yang sama atau berbarengan (parallel flow), dan juga terdapat al iran berlaw an arah(counter flow), yang mana terdapat beda suhu antara fluida yang panas dan fluida yang dingin tidak konstan nilainya pada
3
sepanjang pipa dan laju aliran panasanya akan berbeda- beda.
4.Dalam penelitian alai ini menggunkan sebuah pompa air yang jenis tipe semi jet pump. 5.Analisa penelitian menggunakan dasar- dasar teori termodinamika yang hanya
dipakai materinya yaitu konveksi dan konduksi, radiasi tidak dipakai materinya. Tujuan penelitian ini yang kita uji coba adalah untuk mencari nilai koefisien perpindahan panas total pada logam
4
aluminium (Al), dan (Cu) di dalam pipa kosentrik dengan aliran searah dan berlawanan arah dan perpindahan panas yang terjadi pada pipa pvc, yang mana di dalam pipa pvc terdapat pipa aluminium. Pada penelitian ini menggunkan air panas yang dipanaskan terlebih dahulu mencapi suhu 100°C.
Hasil Pembahasan
Desain alat yang digunakan pada penelitian ini dari panjang pipa pvc terhadap konduktivitas thermal nya dan nilai koefisien thermalnya. Alat yang dibuat desain yaitu suatu perpindahan panas yang dilakukan menggunakan pipa yang terbuat dari bahan a l u m i n i u m y a n g g u n a n n y a u n t u k
mengetahui konduktivitas thermal nya. U ntuk mendapatkan data yang benar penulis menggunakan sebuah rangakian atau instalasi pipa yang sederhana. Pada alat penelitian ini dipasang 3 buah katup, di setiap sambungan pipa pvc, yang mana fungsinya untuk mengatur tekanan air yang keluar di outlet pipa menuju ke bak penampung air dan pada percobaan ini menggunakan sebauh pompa sejenis jet pump yang gunanny auntuk untuk sebagai
5
proses sirkulasi air panas menjadi dingin, yang mana hasil proses sirkulsinya dapat diketahui di bak penampung air. Yang mana ember tersebut berukuran sedang. Pada instalasi pipa ini teradapat komponen – komponen di dalamnya yaitu:
-Strenggear. Yang gunannya untuk sebagai tempat kedudukan tangki buat air panas yang telah dipanaskan terlebih dahulu.
- Tangki air panas. Yang gunannya untuk menampung air panas pada suhu 100°C.
- Bak penampung awal. Yang gunannya untuk menampung air dingin yang di isi terlebih dahulu.Yang mana fungsinya untuk terjadinya proses sirkulasi air panas menjadi dingin.
6
- Bak penampung terakhir. Yang gunannya untuk menampung air yang keluar dari ujung outlet pipa aluminium.
- Pipa aluminium. Yang gunannya untuk pengam bi lan data. D engan berdiameter. 1 inch. - Pipa pvc. Yang gunannya untuk meng gabungkan pipa pvc dan pipa aluminium di jadi satu, yang fungsinya untuk menentukan cara proses kerja perpindahan panas(heat exchanger).
- P o mp a . Y a n g g u n a n n y a u n t u k mengalirkan air dingin dari bak penampung awal menuju ke sisitem pendingin dan untuk mempercepat tekanan air.
- Termometer digital Yang gunannya untuk mengukur suhu pada pipa pvc dan aluminium yang dari mana ketelitian bacanya 40 -150ºC (1 buah)
- Stopwatch Yang gunannya untuk mengukur waktu yang diperlukkan pada saat mengalirkan air menuju ke bak penampung.
- Gelas ukur. Yang gunannya untuk mengukur berapa liter air yang keluar dari outlet pipa aluminium.
7 Gambar 3.1 Set up alat uji pipa aluminium &
pipa pvc.
Pada G br 3.1. adalah sebuah rangkaian pipa atau instalasi pipa pvc dan pipa aluminium. Yang mana pada rangakian pipa tersebut gunannya untuk mengetahui cara perpi ndahan panas(hea t exchanger) ,dan m e n e n t u k a n n i l a i k o e f i s i e n p a n a s thermalnya. Pada pengolahan data ini kembali di lakukan langkah – langkah pengambilan data sebagai berikut :
1.Untuk menentukan nila Reynolds :
Keterangan Gbr: - Panjang pipa pvc =183 cm - Panjang pipaaluminium = 202 cm. ρ ud Re
8 Dimana :
Re =Renould number
ρ = Kerapatan fluida (kg/m3)
u = Kecepatan rata – rata terhadap waktu dalam arah (m/dt) d = Diameter pipa (m)
μ= Dinamika viskositas (Pa.dt).
2. Untuk menentukan aliran koefisien perpindahan panas : Dimana :
Nu =Nusslet number
h = Koefisien perpindahan panas konvek si.(W/m2K)
L = Signifikan panjang pipa (m)
k = Konduktivitas thermal (W/m2K) 4. Untuk menentukan waktu aliran air menuj u ke outlet pipa yaitu :
T max T min
= TmÄ − Ä
2 Dimana:
ΔTm =Beda temperatur rata – rata di dalam penukar kalor.
ΔT max =Beda temperatur maksimum (rad)
ΔT min = Beda temperatur minimum (rad)
Rekapitulasi Data.
U ntuk menentukkan temperatur pada penelitian alat ini yaitu :
3. Untuk menentukan nilai konveksi dari dalam yaitu :
Q =h.l.A(T2-T1) Δ Nu . h l = k
9 Dimana :
Q = Laju volume aliran fluida (air).(m3) h.l=Koefisien perpindahan panas fasa cair an (W/m2K)
T2= Temperatur awal (°C)
10
Th1: Temperatur air panas yang masuk
Th2: Temperatur air panas yang keluar
Tc1: Temperatur air dingin yang masuk
Tc2 :Temperatur air dingin yang masuk
Th : Temperatur air panas keseluruhan nya
Tc : Temperatur air dingin keseluruhan nya
11
Jumlah panas yang dibutuhkan d i d a l a m p er p i n d a h a n p a n a s ( He at exchanger ) dengan berbahan pipa PVC yang dilapisi pipa aluminium adalah dengan menghasilkan beda suhu rata – rata dalam penukar kalor dengan rumus sebagai berikut:
Untuk mencari perbedaan temperatur/ suhu rata – rata yaitu :
Δ + Δ Ti Te Δ = = Tm 2 Dimana: Th1 = 90°C + 273°K = 363 ° K. Tc1= 55°C + 273 °K = 328° K. Th2= 67°C + 273 °K = 357 ° K. Tc2= 32 °C + 273 °K 305 ° K. Th = 703 ° K. Tc = 633 ° K.
Sehingga kita dapat memasukkan data tersebut ke dalam rumus sebagai berikut:
ΔTi = Th1 − T c 2 dan ÄTe = Th2 − T c 1 = Ä Tm = = ÄTm=3 5 ( ° K ) . (°K) ΔTi + ΔTe 2
12
Didalam analisa ini tak lupa penulis kemukakan data dari penelitian yang penulis lakukan dengan menghitung / mengukur suatu penelitian yaitu:
D i m e t e r d a l a m p i p a (pipa
aluminium) = 0,5 inch , dimana diameter dalam tersebut satuannya dijadikan m (meter).
Sehingga : 1 inch = 2,54 cm.
1 / 2 i n c h = 2 , 5 4 : 2 =1,27cm = 0,0127 m.
Diameter luar pipa (pipa PVC ) = 1 inch = 0,0254 m
Luas penampang pipa aluminium = 8,05 m2 , dimana di dapat dari ru m us : A
= ð.d.L jadi luas
penampang dapat kita hjitung dengan menggunakan rumus tersebut , hitungannya sebagai berikut:
Dimana :
A= Luas penampang pada perpinda han kalor (m2)
π= Jari – jari silender pada ujung pipa (rad) d = diameter dalam pipa .(rad)
13 Sehingga hasil yang didapat pada data diatas yaitu:
A = ð .d. L
= 3,14 x 0,0127m.2,02m = 8,05m2.
Panjang pipa Aluminium = 202 cm = 2,02 m.
Perhitunganuntuk mencari konduktivitas panas (k), pada pipa aluminium pada pipa konsetrik yaitu :
k = A xQ
(Th1−Th2)
L
= 290 (W/m2 °k ).
Perhitungan untuk mencari koefisien panas yang terjadi pada pipa kosentrik yaitu :
Diketahui:
k = 290 (W/m° K) .
A = 8,05 (m2).
Jadi dari data diatas dapat kita masukkan kedalam rumus koefisien thermal dibawah ini :
k h = A = 36 (W/m2°K). 290 = 8,05
Perhitungan untuk mencari perpinda han kalor pada pipa kosentrik.
Dimana untuk menghitung perpindahan kalor pada pipa kosentrik di dapatkan ru mus sebagai berikut :
q = U.A.ÄTm = 1123 W/m2x 8,05 m2.x (35° K) = 316,4 Watt. k (W/m2 °K). A h =
14 Dimana :
U = Koefisien perpindahan kalor menye luruh
A = Luas permukaan perpindahan kalor yang sesuai dengan definisi U ΔTm= Beda suhu rata – rata.
Diketahui :
U = 1123 W/m2°K A = 8,05 m2.
15
h.l
Dimana untuk menghitung laju aliran V = 4 x q / ð× D2 panas didapatkan rumus sebagai berikut
:
dq = U (Th–Tc) dA
dimana subskrip h dan c masing – masing menandai fluida – panas dan fluida dingin
= 4 × 316,4 m2/dt / 3,14 × (0,0254)2m. = 624,74 m /dt.
Perhitungan untuk mencari Nusselt
Diketahui : Nu = h.l
U = 1123 W/m °K
Th = 706° K.
Tc = 633° K.
Sehingga dari data diatas mendapatkan hasil berikut :
dq = U (Th–Tc) dA
= 1123(703 K – 671 K) 0,0127 x 8, = 367,39 W/m2° K
Nu = Perhitungan untuk mencari kecepatan
aliran pada pipa kosentrik. =
= 0,250 Watt
V = 4 × q / ð × D2. Perhitungan untuk mencari Reynolds yaitu : Diketahui: UxD Re = q = 316,4 m2/dt. D = 0,0254 m. π = 3,14
Dari data di atas mendapatkan hasilnya seba gai berikut : Diketahui: k Diketahui : h = 36,0 W/ m2K L = 2,02 m. k = 290 W/m ° K.
Sehingga dari data di atas mendapatkan hasil sebagai berikut :
k
,02 36,0x2
16 U = 1123 W /m2°K
D = 0,02542 m.
μ = 20,92 x 106(m2/dt)
(V iskositas kinematik dari tabel A4) D ari data di atas mendapatkan hasilnya sebagai berikut :
Re = Ux.d 1123 0 , 0254 x
= 6,815 x 108
Kesi mpulan.
1. Konduktivitas panas pada pipa alumini um terlihat konstan, mungkin disebabkan selisih temperatur dan laju aliran yang ren dah
2. N ilai koefisien panas, (h) sangat di penga ruhi oleh laju aliran air dingin dan selisih temperatur.
Saran.
1. Perlu di buat alat yang lebih baik agar pe ngukuran temperature dan laju aliran lebih akurat
2. H arus dibuat selisih temperatur yang bes ar, panjang pipa, debit aliran agar mudah mendapatkan data.
2
4
4.1 Tabulasi Hasil Dari Pengambilan Data Keseluruhannya.
Th1(° k) 363 342 333 TC1(°K) 328 321 295 Th2(°K) 340 331 329 TC2(°K) 310 305 297 TC(°K) 633 625 604 Th (°K) 703 689 678 q (Watt) 316 250 307 k (W/m °K) 290 270 230 h (W/m2°K) 36,0 34,0 32,0 Re 6,815 x108 6,421x108 5,931 x107 ΔTm (°K) 35 32 29 Daftar Pustaka
1. J.P. Holman “Heat Transfer”, 6th,ed, McGraw-Hill Book Company,1987. 2. Frank Kreith Arko Prijono M .sc,”Prinsip – prinsip Perpindahan Panas “edisi Ke 3,
Jakarta Timur, 1994.
3. J.P Holman E. Jasjfi, “Perpindahan Kalor”,ed Ke-6, Jakarta Timur, 1995
4. Sears.Zemansky,”Fisika M ekanika Panas dan Bunyi “,(The City Collage of The City of The New York, Inc,1962.
5. P. K T ata McGraw-Hill “Heat Transfer”, 13th(T ata McGraw – Hill Publishing Company Limited, 7 West Patel Nagar, New Dehli, 2004
