PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS
DAN PENURUNAN TEKANAN DARI INLINE CYLINDRICAL
PIN FIN ARRAY DALAM RECTANGULAR CHANNEL
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh:
MAHMUDIN HUDA NIM: I0404048
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS
DAN PENURUNAN TEKANAN DARI INLINE CYLINDRICAL PIN FIN ARRAY DALAM RECTANGULAR CHANNEL
Disusun oleh:
Mahmudin Huda NIM. I0404048
Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II
Tri Istanto, S.T., M.T. Wibawa Endra J., S.T., M.T. NIP. 19730820 200012 1 001 NIP. 19700911 200003 1 001 Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari Selasa tanggal 28 Juli 2009.
1. Ir. Santoso, M.Eng.Sc. ... NIP. 19450824 198012 1 001
2. Syamsul Hadi, S.T., M.T. ... NIP. 19710615 199802 1 002
3. Eko Prasetya Budiana, S.T., M.T. ... NIP. 19710926 199903 1 002
Mengetahui:
Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir
Dody Ariawan, S.T., M.T. Syamsul Hadi, S.T., M.T. NIP. 19730804 199903 1 003 NIP. 19710615 199802 1 002
PERSEMBAHAN
Kepada mereka yang telah berjasa, kepada mereka pula aku persembahkan hasil jerih payahku selama menempuh jenjang S1 ini yaitu sebuah skripsi yang akan menjadi karya terbesarku selama ini sehingga aku lulus dari Universitas Sebelas Maret ini dengan gelar Sarjana Teknik. Mereka adalah:
1. Dengan nama-Nya yang telah menciptakan alam semesta dan seisinya. Segala puji bagi Allah, tidak ada daya dan upaya kecuali dengan-Nya. Allahlah pemilik segala keagungan, kemuliaan, kekuatan dan keperkasaan. 2. Bapak Sumadi, Ibu Siti Maryam, karena beliaulah penulis terlahir di dunia
dengan kelebihan dan kekurangannya.
3. Adikku Khoirun Nisa dan kakakku Nur Qomarudin (kalian adalah harta yang tak ternilai).
4. Mr. 3G and Prof. Bawa, yang telah mensupport material (makan-makan), spiritual, dan membimbing tanpa rasa letih dan selalu ceria.
5. Semua orang yang dekat dan kenal dengan penulis (mereka yang pernah bersama memberi pengalaman yang berarti, memberikan nasehat serta dukungan dalam kehidupan penulis).
MOTTO
“Demi masa. Sesungguhnya manusia itu benar-benar dalam kerugian,
Kecuali orang-orang yang beriman dan mengerjakan amal saleh dan nasehat menasehati
supaya mentaati kebenaran dan nasehat menasehati supaya menetapi kesabaran.”
(Q.S. Al-‘Ashr: 1-3)
“Maka sesungguhnya bersama kesulitan pasti ada kemudahan,
maka bersama kesulitan pasti ada kemudahan”
(Q.S. Al-Insyirah: 5-6)
“Kamu adalah umat terbaik yang dilahirkan untuk manusia,
menyuruh yang ma’ruf dan mencegah dari yang munkar dan beriman kepada Allah.”
(Ali Imran: 110)
“Mukmin yang kuat lebih baik dan lebih dicintai Allah daripada mukmin yang lemah;
pada keduanya ada kebajikan.”
(HR. Muslim)
“Cogito, ergo sum. (I think, therefore I am).”
(Renè Descartes)
“If i die tomorrow
I'd be allright
Because i believe
That after we're gone
The spirit carries on”
(Dream Theater)
“Kalau bisa dikerjakan sekarang, kenapa harus besok?”
“Aku hidup di masa sekarang untuk menuju masa depan, bukan masa lalu.”
“Jika dengan mengenang kegagalan bisa membuat hari esok lebih baik, kenanglah.
Namun jika tidak, buanglah.”
“Selalu berpikir ke depan dan optimis.”
“Doa, usaha, dan tawakal.”
(From the deepest of my heart)
vi
Investigation on Heat Transfer
and Friction Factor Characteristics of Inline Cylindrical Pin Fin Array in Rectangular Channel
Mahmudin Huda
Mechanical Engineering Departement Sebelas Maret University
Surakarta, Indonesia E-mail: nolizarduarsa@yahoo.com
Abstract
Surface heat transfer extension using fins often used in heat exchanger equipment to enhance heat transfer. This research was conducted to investigate the characteristics of heat transfer and pressure drop as well as thermal performance of inline cylindrical pin fin assembly in rectangular channel. It was used cylindrical pin fins with 12.7 mm of diameter and 75 mm of height. The parameters of this research were Reynolds number (3,000 – 37,500), depending on the averaged inlet air velocity and hydraulic diameter, the interfin pitch distance in the spanwise direction (Sx/D) which was kept constant at 2.95 and the interfin pitch distance in the streamwise direction (Sy/D = 1.97 – 3.94).
The experimental result shown that increasing Reynolds number (Re) and decreasing the interfin pitch distance in the streamwise direction (Sy/D) increased the average convection heat transfer coefficient (h) and Nusselt number (Nu). The pressure drop (∆P) and friction factor (f) decreased while the interfin pitch distance in the streamwise direction (Sy/D) increased. Increasing Reynolds number would decrease thermal performance (η). At Sy/D = 1.97 for Re > 24,900, and
Sy/D > 1.97 for Re > 12,400, the values of ηwere less than 1, i.e. the used of pin fin assembly would cause an energy loss rather than gain. The net energy gain (η was greater than 1) was only at Sy/D = 1.97 for Re < 24,900, and at Sy/D > 1.97 for
Re < 12,400. A net energy gain up to 28 % was achieved at Sy/D = 1.97 for Re = 3,076.
Key words: pin fin, rectangular channel, Reynolds number, friction factor, thermal performance.
vii
Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas
dan Penurunan Tekanan dari Inline Cylindrical Pin Fin Array dalam Rectangular Channel
Mahmudin Huda
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta, Indonesia E-mail: nolizarduarsa@yahoo.com
Abstrak
Perluasan permukaan perpindahan panas menggunakan sirip-sirip sering digunakan dalam peralatan penukar panas untuk meningkatkan perpindahan panas. Penelitian ini dilakukan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly yang disusun secara segaris dalam saluran segiempat. Digunakan sirip-sirip pin silinder dengan diameter 12,7 mm dan tinggi 75 mm. Parameter-parameter dalam penelitian ini adalah bilangan Reynolds (3.000 – 37.500) berdasarkan kecepatan udara masuk rata-rata dan diameter hidrolik, jarak antar titik pusat sirip dalam arah melintang aliran udara (Sx/D) yang dibuat konstan sebesar 2,95 dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (Sy/D = 1,97 – 3,94).
Hasil pengujian menunjukkan bahwa peningkatan bilangan Reynolds (Re) dan semakin kecilnya jarak antar titik pusat sirip arah aliran udara (Sy/D) akan meningkatkan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) dan bilangan Nusselt (Nu). Nilai penurunan tekanan (∆P) dan faktor gesekan (f) semakin menurun dengan meningkatnya nilai Sy/D. Meningkatnya bilangan Reynolds akan menurunkan unjuk kerja termal (η).Untuk Sy/D = 1,97 pada Re > 24.900, dan Sy/D > 1,97 pada Re > 12.400, nilai-nilai η lebih kecil dari 1, yang berarti bahwa pemakaian pin fin assembly akan menyebabkan kehilangan energi daripada perolehan energi. Perolehan energi netto (nilai η lebih besar dari 1) hanya untuk
Sy/D = 1,97 pada Re < 24.900, dan Sy/D > 1,97 pada Re < 12.400. Perolehan energi netto dapat dicapai hingga 28 % untuk nilai Sy/D = 1,97 pada Re = 3.076. Kata kunci: sirip pin, saluran segiempat, bilangan Reynolds, faktor gesekan,
viii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas segala limpahan rahmat dan Karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan skripsi ”Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan dari Inline Cylindrical Pin Fin Array dalam Rectangular Channel” ini dengan baik.
Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Dalam penyelesaian skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung maupun tidak langsung. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan skripsi ini, terutama kepada:
1. Bapak Dody Ariawan, S.T., M.T, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS Surakarta.
2. Bapak Tri Istanto, S.T., M.T. selaku Pembimbing I atas bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
3. Bapak Wibawa Endra J, S.T., M.T. selaku Pembimbing II yang telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.
4. Bapak Teguh Triyono, S.T., M.T. selaku Pembimbing Akademis yang telah berperan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas Sebelas Maret ini.
5. Bapak Syamsul Hadi, S.T,. M.T. selaku koordinator Tugas Akhir.
6. Bapak Budi Kristiawan, S.T., M.T. dan Ibu Eliza yang telah banyak membantu meminjami alat-alat pendukung penelitian.
7. Seluruh dosen serta staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1.
8. Ayah, Ibu, kakak, dan adikku, atas doa restu, motivasi, dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir.
9. Rekan Skripsi: Apras, Adit, Doddy, Aji’, Teddy, Wisnu, mas Fendy, dan mas Giyono yang telah bersama-sama mengerjakan penelitian ini, terima kasih atas bantuan kalian semua.
ix
10.Rekan Asisten Lab. Konversi Energi: Ridho, Syafiq-jembe, Rian, paijo Bisyri, Ervan, Jihad-jae gepok, Tendy; dan juga rekan asisten lab 2005: Zaki, Yusno, duet Indri-Topan, Ahmad yang telah menemani, merepotkan dan direpotkan dalam pembuatan alat penelitian ini. Terima kasih yang tak terkira atas bantuan kalian semua.
11.Rekan-rekan Teknik Mesin semua, khususnya angkatan 2004 terima kasih atas kerja samanya selama ini.
12.Facebook dan Jamaah Facebookiyah yang selalu menemaniku dan menyemangatiku selama mengambil data dan menyelesaikan laporan ini. 13.Semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu yang telah
membantu pelaksanaan dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini.
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna, maka kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan untuk kesempurnaan skripsi ini.
Semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu pengetahuan dan kita semua. Amin.
Surakarta, Juli 2009
x DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN ... iii
PERSEMBAHAN... iv
MOTTO ... v
ABSTRAK ... vi
KATA PENGANTAR ... viii
DAFTAR ISI... x
DAFTAR TABEL... xii
DAFTAR GAMBAR ... xiii
DAFTAR NOTASI ... xv
DAFTAR LAMPIRAN... xvii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.4 Tujuan dan Manfaat ... 3
1.5 Sistematika Penulisan ... 4
BAB II DASAR TEORI ... 5
2.1 Tinjauan Pustaka ... 5
2.2 Dasar Teori... 6
2.2.1 Sirip... 6
2.2.2 Sirip Pin... 11
2.2.3 Macam-Macam Bentuk Sirip pin ... 12
2.2.3.1 Silinder ... 12
2.2.3.2 Kubus ... 12
2.2.3.3 Oblong... 13
2.2.3.4 Ellips ... 13
2.2.4 Aplikasi Sirip pin ... 14
2.2.5 Perpindahan Panas ... 15
2.2.6 Parameter Tanpa Dimensi... 16
2.2.7 Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada Pin-Fin Assembly... 17
xi
2.2.7.1 Perhitungan Perpindahan Panas (HeatTransfer) 17
2.2.7.2 Perhitungan Faktor Gesekan (FrictionFactor)... 22
2.2.7.3 Perhitungan Unjuk Kerja Termal pada Pin-Fin Assembly... 22
BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 24
3.1 Tempat penelitian... 24 3.2 Alat penelitian ... 24 3.3 Spesimen ... 28 3.4 Pelaksanaan Penelitian ... 30 3.4.1 Tahap Persiapan ... 30 3.4.2 Tahap Pengujian... 30
3.5 Teknik Analisis Data... 31
3.6 Diagram Alir Penelitian ... 32
BAB IV DATA DAN ANALISIS... 33
4.1 Data Hasil Pengujian... 33
4.2 Perhitungan Data... 39
4.3 Analisis Data ... 47
4.3.1 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip dalam Arah Streamwise terhadap Karakteristik Perpindahan Panas ... 47
4.3.2 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip dalam Arah Streamwise terhadap Karakteristik Penurunan Tekanan... 49
4.3.3 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip dalam Arah Streamwise terhadap Unjuk Kerja Termal ... 51 BAB V PENUTUP... 53 5.1 Kesimpulan ... 53 5.2 Saran... 53 DAFTAR PUSTAKA ... 54 LAMPIRAN... 56
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Spesifikasi spesimen penelitian ... 29
Tabel 4.1 Data hasil pengujian spesimen 1 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 1,97) ... 34
Tabel 4.2 Data hasil pengujian spesimen 2 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 2,36) ... 35
Tabel 4.3 Data hasil pengujian spesimen 3 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 2,95) ... 36
Tabel 4.4 Data hasil pengujian spesimen 4 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 3,94) ... 37
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Beberapa contoh jenis extended surface: (a) sirip longitudinal
dengan profil segiempat (b) pipa silindris dengan sirip berprofil segiempat (c) sirip longitudinal dengan profil trapesium (d) sirip longitudinal dengan profil parabola (e) pipa silindris dengan sirip radial berprofil segiempat (f) pipa silindris dengan sirip radial berprofil trapesium (g)
cylindrical spine (h) truncated conical spine (i) truncated
parabolicspine... 7
Gambar 2.2 Beberapa contoh jenis permukaan penukar panas kompak: (a) pipa silinder (b) pipa silinder dengan sirip-sirip radial (c) flat tube dengan sirip-sirip kontinyu (d) sirip plat (plate fin) (e) offsetplatefin (f) crossedrodmatrix... 8
Gambar 2.3 Perbedaan-perbedaan gradien temperatur dalam sirip ... 9
Gambar 2.4 Sebuah susunan sirip pin... 11
Gambar 2.5 Susunan sirip pin (a) inline (b) staggered... 12
Gambar 2.6 Perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip pin silinder berfillet ... 12
Gambar 2.7 Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin kubus dan sirip pin diamond ... 13
Gambar 2.8 Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin oblong . 13 Gambar 2.9 Ukuran relatif dari circularfin, SEF dan Nfin. ... 13
Gambar 2.10 Potongan melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam (internalcooling) ... 14
Gambar 2.11 Susunan sirip pin dalam suatu saluran udara segiempat dengan clearance nol ... 19
Gambar 3.1 Skema alat penelitian ... 24
Gambar 3.2 Satu set alat uji inline cylindrical pin fin assembly... 24
Gambar 3.3 Pelurus aliran udara (flowstraightener)... 25
Gambar 3.4 Fan hisap... 25
Gambar 3.5 Rheostat... 25
xiv
Gambar 3.7 Pemanas listrik (electric heater) ... 26
Gambar 3.8 Regulator pengatur tegangan listrik yang masuk heater... 26
Gambar 3.9 Multitester digital... 27
Gambar 3.10 Amperemeter... 27
Gambar 3.11 Manometer U dan posisi titik pengukuran tekanan... 27
Gambar 3.12 Termokopel tipe T... 28
Gambar 3.13 Thermocouplereader... 28
Gambar 3.14 Dimensi dan tata nama spesimen ... 28
Gambar 3.15 Model spesimen ... 29
Gambar 3.16 Spesimen 1 ... 29
Gambar 3.18 Spesimen 2 ... 29
Gambar 3.18 Spesimen 3 ... 30
Gambar 3.19 Spesimen 4 ... 30
Gambar 4.1 Posisi titik pengukuran (a) temperatur udara masuk saluran (b) temperatur base plate dan (c) temperatur udara keluar saluran. ... 33
Gambar 4.2 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata pada Sx/D = 2,95... 47
Gambar 4.3 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap bilangan Nusselt pada Sx/D = 2,95 ... 48
Gambar 4.4 Pengaruh nilai Sy/D terhadap bilangan Nusselt pada Sx/D = 2,95... 49
Gambar 4.5 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap penurunan tekanan pada Sx/D = 2,95... 50
Gambar 4.6 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor gesekan pada Sx/D = 2,95 ... 50
Gambar 4.7 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap unjuk kerja termal pada Sx/D = 2,95 ... 51
xv
DAFTAR NOTASI
A = luas penampang saluran udara (m2)
Afront =luas frontal dari sirip-sirip (m2)
As = luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara dari susunan sirip pin (m2)
Cp = panas jenis udara (J/kg.K)
D, d = diameter sirip pin (m)
Dh = diameter hidrolik dari saluran udara (m)
f = faktor gesekan
fs = faktor gesekan untuk spesimen tanpa sirip
fa = faktor gesekan untuk spesimen dengan sirip
h = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (W/m2.K)
ha = koefisien perpindahan panas konveksi spesimen dengan sirip (W/m2.K)
hs = koefisien perpindahan panas konveksi spesimen tanpa sirip (W/m2.K)
H = tinggi saluran udara atau sirip pin (m)
k = konduktivitas termal udara (W/m.K)
L = panjang plat dasar untuk susunan sirip pin (m) Lt = panjang seksi uji (m)
m& = laju aliran massa udara (kg/s)
Nu = duct Nusselt number
NuD = pin Nusselt number
Nf = jumlah total sirip pin dalam susunan sirip pin ∆P = perbedaan tekanan statik (N/m2)
s
P
∆ = penurunan tekanan tanpa halangan (N/m2) a
P
∆ = penurunan tekanan dengan halangan (N/m2)
Q = laju perpindahan panas (Watt)
Qelect = laju aliran panas dari listrik (W)
Qconv = laju perpindahan panas konveksi (W)
Qloss = laju aliran panas yang hilang dari sistem (heatloss) (W)
Qrad = laju perpindahan panas radiasi (W)
Qcond = laju perpindahan panas konduksi (W)
xvi
Re = duct Reynolds number
Res = bilangan Reynolds untuk spesimen tanpa sirip
Rea = bilangan Reynolds untuk spesimen dengan sirip
Sy = jarak antar titik pusat sirip sepanjang arah aliran (streamwisedirection) (mm)
Sx = jarak antar titik pusat sirip yang diukur tegak lurus terhadap arah aliran (spanwisedirection) (mm)
in
T = temperatur inlet dari aliran udara (K)
out
T = temperatur outlet dari aliran udara (K)
b
T = temperatur base plate (K)
T = temperatur (K)
Tp = temperatur intermediate (K)
Ts = temperatur lingkungan (K)
Tf = temperatur udara rata-rata (K)
V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s)
Vmax =kecepatan udara maksimum yang melalui sirip pin (m/s) a
V& = laju aliran volumetrik di atas plat dengan halangan (blocks) (m3/s) s
V& = laju aliran volumetrik di atas plat tanpa halangan (blocks) (m3/s)
Wb = lebar plat dasar untuk susunan sirip pin (m)
x = ketebalan bahan (m)
γ = sudut orientasi pada susunan sirip pin oblong (o)
ε = emisivitas
η = unjuk kerja termal (%)
µ = viskositas dinamik udara (kg/m.s)
ν = viskositas kinematik udara (m2/s)
ρ = massa jenis udara (kg/m3)
xvii
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A. Data hasil pengujian
Lampiran B. Properti berbagai jenis material Lampiran C. Hasil perhitungan data pengujian
1 BAB I
1 PENDAHULUAN I
1.1 Latar Belakang
Perluasan permukaan perpindahan panas menggunakan sirip-sirip (fins) sering digunakan dalam peralatan penukar panas yang bertujuan untuk meningkatkan perpindahan panas antara permukaan utama dan fluida di sekitarnya. Sirip-sirip tersebut menonjol keluar dari sebuah permukaan dasar segiempat atau silindris. Berbagai tipe sirip alat penukar panas, mulai dari bentuk yang sederhana, seperti sirip segiempat (rectangular), silindris, annular, tirus (tapered) atau pin, sampai kombinasi dari berbagai geometri yang berbeda telah digunakan. Tipe sirip yang digunakan tergantung dari proses permesinan dan ruang yang tersedia dalam peralatan pembangkit panas yang terlibat dalam proses pendinginan.
Salah satu tipe sirip alat penukar panas yang biasa digunakan adalah sirip pin. Sirip pin adalah elemen berbentuk silinder atau bentuk lainnya yang dipasang secara tegak lurus terhadap dinding alat penukar panas, dengan fluida pendingin mengalir dalam arah aliran melintang (crossflow) terhadap elemen tersebut. Sirip-sirip pin yang menonjol dari sebuah permukaan yang dipanaskan dapat meningkatkan luasan permukaan disipasi panas, sehingga meningkatkan unjuk kerja disipasi panas yang berdampak pada meningkatnya ketahanan (reliability) dan umur peralatan. Terdapat berbagai parameter yang menggolongkan sirip pin, seperti bentuk, tinggi, diameter, perbandingan tinggi-diameter (H/D) dan sebagainya. Sirip-sirip pin dapat disusun secara segaris (inline) maupun selang-seling (staggered) terhadap arah aliran.
Karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan dalam sistem sirip pin telah menjadi bahan penelitian secara luas karena perannya yang penting dalam berbagai aplikasi keteknikan. Sirip pin dengan perbandingan tinggi-diameter (H/D) antara 0,5 – 4 dikategorikan sebagai sirip pin pendek (short pin fin), sedangkan sirip pin panjang (long pin fin) memiliki perbandingan tinggi diameter > 4. Perbandingan tinggi-diameter yang besar merupakan bagian yang menarik dalam aplikasi alat penukar panas dalam hal pencapaian koefisien perpindahan panas yang sangat tinggi. Sirip pin banyak digunakan dalam berbagai
2 aplikasi industri, khususnya dalam alat penukar panas kompak (compact heat exchanger), trailing edge sudu turbin gas, dan beberapa sistem elektronik modern.
Laju perpindahan panas dari suatu rakitan sirip pin (pin fin assembly) ke lingkungan tergantung pada distribusi temperatur pada sirip pin dan plat dasar (base plate), geometri sirip pin, shroud clearance (jarak antara ujung sirip pin dengan permukaan atas saluran udara), sifat-sifat fluida dan sirip pin, laju aliran udara, jarak antar titik pusat sirip (interfinpitch), susunan sirip pin, dan orientasi dari penukar panas (terutama untuk laju aliran udara yang rendah). Untuk plat dasar dengan temperatur tertentu, laju perpindahan panas dapat ditingkatkan dengan menaikkan koefisien perpindahan panas rata-rata, menaikkan luas permukaan perpindahan panas atau kedua-duanya. Kenaikan perpindahan panas dapat dicapai dengan cara konveksi paksa (forced convection) atau mengubah konfigurasi geometri dari alat penukar panas. Dalam praktiknya, cara-cara ini dibatasi oleh penurunan tekanan maksimum yang diijinkan melalui susunan sirip pin tersebut karena kenaikan perpindahan panas akan disertai penurunan tekanan. Energi yang hilang karena penurunan tekanan dapat melebihi energi yang didapatkan dari usaha peningkatan perpindahan panas tersebut.
Penelitian ini bertujuan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly yang disusun secara segaris (inline) dalam saluran segiempat (rectangular channel). 1.2 Perumusan Masalah
Bagaimanakah pengaruh bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise direction) terhadap karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin
assembly yang disusun secara segaris (inline) dalam saluran segiempat
(rectangularchannel). 1.3 Batasan Masalah
Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut:
1. Material sirip pin dan baseplate yang digunakan adalah duralumin. 2. Dimensi baseplate yang digunakan adalah; panjang 200 mm, lebar 150
3 3. Dimensi pinfin yang digunakan adalah; tinggi 75 mm dan diameter 12,7
mm, atau H/D = 5,9.
4. Jarak antara ujung sirip pin dengan permukaan atas saluran udara (shroudclearance) adalah nol.
5. Penelitian menggunakan alat saluran udara segiempat yang terdiri dari:
9 Saluran udara segiempat berdimensi penampang 150 mm x 75 mm.
9 Fan hisap.
9 Pemanas (heater).
9 Pelurus aliran udara (flowstraightener).
9 Manometer U.
6. Permukaan dalam saluran udara dilapisi dengan bahan melamin yang halus, sehingga faktor gesekan diabaikan.
7. Permukaan luar saluran udara dimana seksi uji diletakkan diisolasi dengan glasswool dan styrofoam sehingga perpindahan panas ke lingkungan diabaikan.
8. Parameter yang dibuat konstan yaitu temperatur permukaan base plate
sebesar 60 oC, temperatur udara masuk, jarak antar titik pusat sirip dalam arah melintang (spanwise direction) sebesar 37,5 mm.
9. Parameter yang divariasi adalah kecepatan aliran udara masuk yaitu sebesar 0,5 m/s, 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s serta jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise
direction) yaitu sebesar 25 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm.
10.Pengujian karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly dilakukan pada kondisi tunak (steadystate).
11.Penelitian dilakukan dalam keadaan diam (static experiment) dan pada temperatur kamar.
1.4 Tujuan dan Manfaat
Penelitian ini bertujuan untuk:
1. Mengetahui pengaruh bilangan Reynolds terhadap karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan dari cylindrical pin fin assembly dengan susunan sirip inline dalam rectangularchannel.
4 2. Mengetahui pengaruh jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara
(streamwise direction) terhadap karakteristik perpindahan panas dan
penurunan tekanan dari cylindrical pin fin assembly dengan susunan sirip inline dalam rectangularchannel.
3. Mengetahui pengaruh variasi bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara terhadap unjuk kerja termal dari
cylindrical pin fin assembly dengan susunan sirip inline dalam
rectangularchannel.
Hasil penelitian yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut:
1. Mampu memberikan pengetahuan baru yang berguna dalam ilmu perpindahan panas, khususnya mengenai karakteristik perpindahan panas dan unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly dengan susunan sirip inline dalam rectangularchannel.
2. Dapat diterapkan dalam sistem pendinginan sudu-sudu turbin gas dan sistem elektronik modern.
1.5 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:
BAB I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian.
BAB II : Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan pengujian susunan sirip pin, dasar teori tentang sirip pin dan teori perhitungan perpindahan panas, penurunan tekanan dan unjuk kerja termal dari susunan sirip pin dalam saluran segiempat.
BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan tempat dan pelaksanaan penelitian, peralatan yang digunakan, langkah-langkah penelitian dan pengambilan data.
BAB IV : Data dan analisis, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan data hasil pengujian serta analisis hasil dari perhitungan.
5 BAB II
2 DASAR TEORI I
2.1 Tinjauan Pustaka
Solid block dapat meningkatkan perpindahan panas dari sebuah plat secara
signifikan karena meningkatnya luasan permukaan perpindahan panas, tetapi menimbulkan energi yang terbuang karena adanya penurunan tekanan (pressure drop) yang lebih besar dalam aliran dan lebih sedikitnya aliran udara yang kontak dengan plat. Selain itu, meningkatnya bilangan Reynolds menyebabkan menurunnya unjuk kerja termal (Sara,1999).
Tahat, M. et al. (2000) melakukan penelitian tentang perpindahan panas kondisi tunak pada alat penukar panas tipe plat bersirip pin yang tersusun secara
inline dan staggered untuk menentukan desain optimum alat penukar panas
tersebut. Dalam penelitian tersebut menggunakan spesimen berupa plat datar berdimensi 250 mm x 300 mm yang diberi sirip pin berbentuk silinder pejal dengan diameter 8 mm dan panjang 90 mm dengan jarak antar titik pusat sirip,
Sx/D = 9,86 – 63,44 dan Sy/D = 1,09 – 83,92. Spesimen diletakkan pada saluran udara segiempat (rectangular channel) yang berdimensi 405 mm x 100 mm x 3.000 mm dengan variasi kecepatan aliran udara 6 m/s, 7 m/s dan 7,8 m/s. Dari penelitian tersebut diperoleh bahwa laju panas yang hilang meningkat seiring dengan meningkatnya bilangan Reynolds, namun menurun seiring dengan meningkatnya jarak antar titik pusat sirip pin untuk arah streamwise dan spanwise.
Bilen, K. et al. (2001) melakukan penelitian tentang karakteristik perpindahan panas, faktor gesekan (friction factor) dan unjuk kerja termal pada suatu permukaan bersirip di dalam saluran udara segiempat. Pada penelitian tersebut menggunakan spesimen berupa plat datar berdimensi 180 mm x 300 mm x 2 mm yang diberi sirip pin berbentuk silinder pejal dengan diameter 17 mm dan panjang 100 mm yang disusun secara inline dan staggered dengan jarak antar titik pusat sirip, Sx/D = 2,2 dan Sy/D = 1,96 – 4,41. Spesimen diletakkan dalam saluran udara segiempat (rectangular channel) yang berdimensi 180 mm x 100 mm x 2.000 mm. Pengujian dilakukan dengan variasi bilangan Reynolds sebesar 3.700 – 30.000. Dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa dengan meningkatnya bilangan Reynolds akan meningkatkan bilangan Nusselt, yang berarti
6 meningkatkan perpindahan panas. Tetapi dengan meningkatnya bilangan Reynolds, peningkatan perpindahan panas (heat transfer enhancement) dan unjuk kerja termal semakin menurun, dimana perpindahan panas maksimum terjadi pada variasi Sy/D = 2,94. Penambahan sirip pin pada suatu permukaan meningkatkan perpindahan panas dari permukaan tersebut sebagai hasil dari kenaikan luasan permukaan perpindahan panas, tetapi disertai dengan adanya penurunan tekanan yang lebih besar dalam saluran.
Sahin, B. dan Demir, A. (2008) melakukan penelitian tentang peningkatan perpindahan panas dan penurunan tekanan pada plat bersirip pin di dalam suatu saluran udara segiempat. Penelitian dilakukan dengan menggunakan spesimen berupa plat datar berdimensi 250 mm x 250 mm x 6 mm yang diberi sirip pin berbentuk silinder pejal dengan diameter 15 mm dan panjang 100 mm yang disusun secara inline dan staggered dengan jarak antar titik pusat sirip, Sx/D = 2,2 dan Sy/D = 1,208 – 3,417. Spesimen diletakkan pada saluran udara segiempat yang berdimensi 250 mm x 100 mm x 3.140 mm dengan clearance ratio sebesar 0, 0,33 dan 1. Pengujian dilakukan dengan variasi bilangan Reynolds sebesar 13.500 – 42.000. Dari penelitian tersebut diperoleh bahwa penggunaan sirip pin berpenampang lingkaran dapat meningkatkan perpindahan panas. Efisiensi meningkat seiring dengan menurunnya bilangan Reynolds. Faktor gesekan dan bilangan Nusselt meningkat seiring dengan meningkatnya jarak antar titik pusat sirip pin dan clearance ratio. Parameter terpenting yang mempengaruhi perpindahan panas adalah bilangan Reynolds, tinggi sirip pin dan jarak antar titik pusat sirip pin, dimana perpindahan panas dapat ditingkatkan dengan mengontrol parameter-parameter tersebut.
2.2 Dasar Teori 2.2.1 Sirip
Permukaan perpindahan panas yang diperluas (extended surface heat
transfer) adalah studi tentang komponen-komponen perpindahan panas berunjuk
kerja tinggi yang berkenaan dengan berat, volume, dan biaya yang semakin kecil, dan perilakunya dalam berbagai kondisi lingkungan termal. Komponen-komponen tertentu telah diterapkan dalam berbagai macam aplikasi seperti dalam proses-proses kimia, refrigerasi, dan kriogenika, dalam peralatan listrik dan elektronika,
7 dalam tungku konvensional dan turbin gas, dalam proses pembuangan panas pada boiler, dan dalam modul bahan bakar nuklir.
Dalam desain dan konstruksi dari berbagai macam peralatan perpindahan panas, bentuk-bentuk sederhana seperti silinder, batang dan plat biasa diterapkan pada aliran panas antara sumber panas dan penyerap panas (heatsource and heat sink). Permukaan-permukaan penyerap panas maupun pembuang panas masing-masing dikenal sebagai permukaan utama (prime surface). Apabila permukaan utama diperluas dengan permukaan tambahan seperti dalam gambar 2.1, maka gabungan antara kedua permukaan tersebut dinamakan permukaan yang diperluas
(extended surface). Elemen yang digunakan untuk memperluas permukaan utama
dikenal sebagai sirip (fin). Jika elemen sirip tersebut berbentuk kerucut atau silinder, sirip tersebut dinamakan spines atau pegs.
(a) (b) (c) (d)
(e) (f) (g) (h) (i) Gambar 2.1 Beberapa contoh jenis extended surface: (a) sirip longitudinal
dengan profil segiempat (b) pipa silindris dengan sirip berprofil segiempat (c) sirip longitudinal dengan profil trapesium (d) sirip longitudinal dengan profil parabola (e) pipa silindris dengan sirip radial berprofil segiempat (f) pipa silindris dengan sirip radial berprofil trapesium (g) cylindricalspine (h)
truncatedconicalspine (i) truncatedparabolicspine
Kebutuhan untuk perlengkapan turbin gas, pengkondisian udara, dan kriogenika telah mendapatkan perhatian khusus dalam hal keringkasan permukaan alat penukar panas, terutama pada permukaan yang mengalami gradien tekanan yang kecil dalam fluida yang bersirkulasi melaluinya. Beberapa diantaranya ditunjukkan dalam gambar 2.2. Keringkasan (compactness) mengacu pada perbandingan luas permukaan perpindahan panas per satuan volume alat penukar panas.
8
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Gambar 2.2 Beberapa contoh jenis permukaan penukar panas kompak: (a) pipa silinder (b) pipa silinder dengan sirip-sirip radial (c) flat tube dengan sirip-sirip kontinyu (d) sirip plat (platefin) (e) offsetplatefin (f) crossedrod matrix
Definisi awal dari Kays dan London (1950) menetapkan bahwa elemen alat penukar panas kompak adalah alat penukar panas yang mempunyai kelebihan 245 m2 per meter kubik alat penukar panas. Elemen alat penukar panas kompak telah
tersedia lebih dari 4.100 m2 per meter kubik dibandingkan dengan 65 – 130 m2 per meter kubik untuk alat penukar panas konvensional dengan pipa 5/8 – 1 in. Kebanyakan elemen alat penukar panas kompak terdiri dari plat-plat permukaan utama atau pipa-pipa yang dipisahkan oleh plat, batang atau spines, yang juga bertindak sebagai sirip. Seperti pada gambar 2.2(d), setiap sirip dapat diperlakukan sebagai sirip tunggal dengan tinggi sirip sama dengan setengah dari jarak plat pemisah dan dengan plat pemisah bertindak sebagai permukaan utama. Sehingga, alat penukar panas kompak dipandang sebagai bentuk lain dari permukaan yang diperluas (extended surface).
Apabila sirip dan permukaan utamanya ditempatkan pada lingkungan termal yang seragam, efektivitas permukaan sirip lebih kecil daripada permukaan utama. Hal ini dapat dilihat pada plat dengan sirip memanjang (longitudinal) pada penampang melintang segiempat pada gambar 2.3.
9
Gambar 2.3 Perbedaan-perbedaan gradien temperatur dalam sirip
Permukaan plat bagian dalam membuang panas dari sumber panas dengan koefisien perpindahan panas seragam dan temperatur T1, sedangkan permukaan plat bagian luar dan sirip membuang panas tersebut ke lingkungan sekelilingnya yang lebih dingin dengan koefisien perpindahan panas seragam dan temperatur Ts. Permukaan plat yang lebih dingin berada pada temperatur intermediate Tp, dan panas dari sumber panas meninggalkan plat karena adanya gradien temperatur, Tp
– Ts. Dengan cara yang sama, permukaan sirip dengan temperatur tertentu T, dan panas meninggalkan sirip karena adanya gradien temperatur T – Ts. Panas memasuki sirip melalui dasarnya (base), dan bergerak berpindah secara kontinyu melalui sirip secara konduksi. Hampir dalam setiap kasus, temperatur dasar sirip akan sangat mendekati sama dengan Tp. Panas yang diserap oleh sirip melalui dasarnya dapat mengalir menuju ujung sirip hanya jika ada gradien temperatur dalam sirip, yakni Tp lebih besar dari T. Untuk kondisi ini, karena temperatur T bervariasi dari dasar hingga ujung sirip, gradien temperatur T– Tsakan lebih kecil daripada Tp – Ts, sehingga satu satuan luas permukaan sirip akan kurang efektif dibandingkan dengan satu satuan luas permukaan plat atau permukaan utama.
Efisiensi sirip didefinisikan sebagai perbandingan antara panas aktual yang hilang dari sirip terhadap panas ideal yang hilang jika temperatur seluruh permukaan sirip sama dengan temperatur dasarnya. Sirip dengan ukuran, bentuk, dan material tertentu memiliki efisiensi sirip yang berbeda-beda, dan efisiensi sirip akan bervariasi terhadap konduktivitas termal dan cara perpindahan panasnya berkenaan dengan lingkungannya. Saat ini telah terdapat beberapa referensi yang dibuat mengenai permukaan yang diperluas yang berisikan beberapa tipe
Ts (Surroundings) Source (T1) Hot face of plate TP TP Fin T T
10 permukaan utama dan beberapa tipe sirip. Banyak pengetahuan mengenai aliran panas, profil temperatur, efisiensi dan optimasi parameter-parameter sirip dapat diperoleh dari analisis tiga geometri dasar sirip yang ditunjukkan dalam gambar 2.1 yaitu sirip longitudinal, sirip radial dan spines.
Sirip dengan berbagai macam geometri dan konduktivitas termal akan memberikan tanggapan yang berbeda terhadap sumber panas dan penyerap panas
(source and sink) yang seragam dan identik. Sebaliknya, terdapat banyak hal
mengapa temperatur dan koefisien perpindahan panas dari sumber panas dan penyerap panas bisa bervariasi. Hal penting dalam menganalisis geometri sirip adalah asumsi-asumsi yang diambil untuk menentukan dan membatasi masalah dan tentunya menyederhanakan penyelesaiannya. Analisis dari tiga geometri dasar sirip dapat dilakukan dengan mengacu pada asumsi Murray-Gardner, yaitu:
1. Aliran panas dalam sirip dan temperaturnya tetap konstan terhadap waktu.
2. Material sirip adalah homogen, konduktivitas termal sama di segala arah, dan tetap konstan.
3. Koefisien perpindahan panas konveksi di permukaan sirip konstan dan seragam di keseluruhan permukaan sirip.
4. Temperatur dari medium lingkungan sirip konstan.
5. Ketebalan sirip adalah kecil, dibandingkan dengan tinggi dan panjangnya, sehingga gradien temperatur melewati ketebalan sirip dan perpindahan panas dari tepi sirip dapat diabaikan.
6. Temperatur dasar sirip adalah seragam.
7. Tidak ada tahanan kontak dimana dasar sirip digabung dengan permukaan utama.
8. Tidak ada sumber panas di dalam sirip itu sendiri.
9. Panas yang ditransfer melalui ujung sirip diabaikan dibandingkan dengan panas yang meninggalkan permukaan lateralnya.
10.Perpindahan panas ke atau dari sirip sebanding terhadap kelebihan temperatur antara sirip dan medium sekitar.
11 2.2.2 Sirip Pin
Sirip pin adalah elemen berbentuk silinder atau bentuk lainnya yang dipasang secara tegak lurus terhadap dinding alat penukar panas, dengan fluida pendingin mengalir dalam arah aliran melintang (crossflow) terhadap elemen tersebut. Terdapat berbagai parameter yang menggolongkan sirip pin, seperti bentuk, tinggi, diameter, perbandingan tinggi-diameter (H/D) dan sebagainya. Sirip pin dengan perbandingan tinggi-diameter (H/D) antara 0,5 – 4 dikategorikan sebagai sirip pin pendek (shortpinfin), sedangkan sirip pin panjang (longpinfin) memiliki perbandingan tinggi-diameter > 4. Perbandingan tinggi-diameter yang besar merupakan bagian yang menarik dalam aplikasi alat penukar panas dalam hal pencapaian koefisien perpindahan panas yang sangat tinggi.
Gambar 2.4 Sebuah susunan sirip pin
Sirip pin dapat disusun dalam dua arah utama. Pada gambar 2.5 sirip-sirip pin ditunjukkan dalam susunan segaris (inline) dan selang-seling (staggered). Sx adalah jarak antar titik pusat sirip yang diukur normal/tegak lurus terhadap arah aliran (spanwise direction), sedangkan Sy adalah jarak antar titik pusat sirip sepanjang arah aliran (streamwisedirection).
12
(a) (b) Gambar 2.5 Susunan sirip pin (a) inline (b) staggered 2.2.3 Macam-Macam Bentuk Sirip Pin
2.2.3.1 Silinder
Silinder lurus merupakan geometri sirip pin yang paling umum. Geometri sirip pin yang lain adalah silinder lurus dengan ujung difillet (filletedpinfin) dan silinder tirus (tapered cylindrical pin fin). Hubungan antara geometri sirip pin silinder lurus dengan geometri sirip pin silinder berfillet ditunjukkan dalam gambar 2.6.
Gambar 2.6 Perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip pin silinder berfillet
2.2.3.2 Kubus
Sirip pin berbentuk kubus (cubic pin fin) dapat disusun secara segiempat maupun diamond berdasarkan arah aliran. Diamond merupakan susunan segiempat yang diputar 45o. Gambar 2.7 menunjukkan sketsa kedua tipe susunan.
Sy
Sy
Sx
13
Gambar 2.7 Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin kubus dan sirip pin diamond
2.2.3.3 Oblong
Sirip pin oblong merupakan perpaduan antara bentuk silinder dan bentuk kubus. Sirip pin oblong tersusun pada sudut orientasi yang berbeda, γ, berdasarkan arah aliran. Gambar 2.8 menunjukkan tata nama yang digunakan dalam sirip pinoblong.
Gambar 2.8 Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin oblong
2.2.3.4 Ellips
Sirip pin ellips adalah bentuk silinder yang direntangkan dalam satu arah garis diameternya. Gambar 2.9 menunjukkan sketsa geometri circular fin dan dua bentuk sirip pin ellips. Dalam menguji sirip pin ellips, sumbu utama (major axis) segaris dengan arah aliran.
14 Bentuk-bentuk sirip pin ellips dapat dijelaskan sebagai berikut:
a. StandardEllipticalFin (SEF)
Sirip pin ini mempunyai standar penampang ellips dengan panjang sumbu minor sama dengan diameter circular fin dan panjang sumbu utama adalah 1,67 kali panjang sumbu minor. Luas permukaan dari SEF dihitung 1,35 kali luas permukaan circularfin, tetapi luas frontal efektif sama dengan circular fin
karena panjang sumbu minor sama dengan diameter circularfin. b. Nfin
Bentuk sirip ini diturunkan dari seri airfoil simetris 4 digit NACA. Panjang sumbu minor sama dengan diameter circularfin dan panjang sumbu utama 2,5 kali panjang sumbu minor. Luas permukaan N fin dihitung 1,85 kali lebih besar daripada luas permukaan circularfin. Luas frontal efektif adalah sama dengan circularfin.
2.2.4 Aplikasi Sirip Pin
Perpindahan panas dari susunan sirip pin merupakan subjek yang sangat penting dengan banyak aplikasi keteknikan. Aplikasi tersebut mulai dari alat penukar panas kompak, boiler untuk turbin uap dan pendinginan internal secara konveksi dari turbin gas. Seperti pada gambar 2.10, sirip pin biasanya dimasukkan dalam ruang pendinginan dalam (internal cooling) dekat trailing edge dari sudu turbin untuk meningkatkan perpindahan panas. Hal ini memungkinkan sudu beroperasi dalam temperatur tinggi tanpa mengalami kerusakan, sehingga meningkatkan efisiensi termal dan daya output.
Gambar 2.10 Potongan melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam
15 Oleh karena pertimbangan aerodinamis, seperti pada gambar 2.10, trailing edge dari sudu menuntut profil yang semakin mengecil. Untuk itu, ruang pendinginan dalam daerah ini harus dengan bentuk penampang trapesium. Pendingin dari pangkal sudu (blade base) bergerak memutar ke samping kemudian dikeluarkan dari slot ujung sudu, atau melalui saluran sirip pin kemudian keluar dari slot sepanjang trailing edge sudu. Namun, kebanyakan penelitian yang dilakukan adalah untuk sirip pin yang menggunakan saluran segiempat (rectangularchannel) dengan aliran keluar yang lurus.
2.2.5 Perpindahan Panas
Perpindahan panas adalah ilmu yang mempelajari tentang cara untuk meramalkan perpindahan (distribusi) energi berupa panas yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur di antara benda atau material. Perpindahan panas dapat dibagi menjadi tiga macam, yaitu perpindahan panas secara konduksi, konveksi dan radiasi.
Perpindahan panas secara konduksi adalah distribusi energi berupa panas yang terjadi pada benda atau medium yang diam (padat) bertemperatur tinggi ke bagian benda yang bertemperatur rendah atau terdapat gradien temperatur pada benda tersebut. Untuk menghitung perpindahan panas konduksi dapat dipergunakan rumus: x T A k Q= ∆ (2.1)
dimana: Q = laju perpindahan panas (Watt)
k = konduktivitas termal (W/m.oC)
A = luasan perpindahan panas arah normal Q (m2)
∆T = beda temperatur (oC)
x = ketebalan bahan (m)
Perpindahan panas konveksi adalah distribusi energi berupa panas yang terjadi karena terdapat aliran fluida. Perpindahan panas konveksi dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut:
T A h
Q= ∆ (2.2)
16 Perpindahan panas konveksi ada dua macam, yaitu:
1. Konveksi alami(naturalconvection)
Adalah perpindahan panas konveksi yang terjadi karena berubahnya densitas fluida tersebut yang disebabkan adanya pemanasan.
2. Konveksi paksa(forced convection)
Adalah perpindahan panas konveksi konveksi yang berlangsung dengan bantuan peralatan mekanis, misalnya udara yang dihembuskan di atas plat oleh kipas.
Perpindahan panas radiasi adalah distribusi energi berupa panas yang terjadi melalui pancaran gelombang cahaya dari suatu zat ke zat yang lain tanpa zat perantara. Untuk menghitung besarnya panas yang dipancarkan digunakan rumus:
4 T A
Q=
ε
σ
(2.3)dimana: Q = panas yang dipancarkan (Watt)
ε = emisivitas (0 s.d. 1)
A = luas perpindahan panas (m2) T = temperatur (K)
σ = konstanta Stefan-Boltzmann = 5,669 x 10-8 W/m2.K4 Khusus untuk benda hitam sempurna menurut hukum Stefan-Boltzmann:
4 T A
Q=
σ
(2.4)2.2.6 Parameter tanpa Dimensi
Persamaan perpindahan panas konveksi berkaitan dengan variabel penting yang dinamakan parameter tanpa dimensi (dimensionless). Parameter tanpa dimensi dalam kaitannya dengan perpindahan panas konveksi adalah:
a. Bilangan Reynolds (Reynolds Number)
Bilangan Reynolds didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya inersia dengan gaya kekentalan, di dalam lapis batas kecepatan. Untuk kontrol volume yang berbeda pada lapis batas ini, gaya inersia diasosiasikan dengan sebuah kenaikan momentum dari fluida yang bergerak melewati kontrol volume.
17 Gaya inersia dalam bentuk ∂
[
(ρu)u]
/∂x dapat didekati dengan persamaan:.
2 L
V
ρ
FI = Gaya kekentalan diwakili dengan gaya geser dalam bentuk
(
)
[
µ u y]
y, τyx ∂y =∂ ∂ ∂ ∂∂ dapat didekati dengan persamaan: Fs=µV L2. Perbandingan kedua gaya tersebut dapat ditulis:
L s I Re µ VL ρ L V µ L V ρ F F = = = 2 2 (2.5)
b. Bilangan Nusselt (Nusselt Number)
Bilangan Nusselt adalah bilangan tanpa dimensi yang menyatakan perbandingan antara koefisien perpindahan panas konveksi terhadap konduktivitas termal fluida. Bilangan ini menyediakan sebuah perhitungan tentang perpindahan panas konveksi yang terjadi pada permukaan. Bilangan Nusselt dirumuskan:
k d h
Nu= (2.6)
2.2.7 Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada Pin Fin Assembly
2.2.7.1 Perhitungan Perpindahan Panas (Heat Transfer)
Kesetimbangan energi kondisi tunak (steady state) untuk permukaan uji yang dipanaskan secara elektrik adalah sebagai berikut:
loss conv
elect Q Q
Q = + (2.7)
dimana: Qelect = laju aliran panas dari listrik (W)
Qconv = laju perpindahan panas konveksi (W)
Qloss = laju aliran panas yang hilang dari sistem (W)
Input panas listrik dapat dihitung dari tegangan listrik dan arus listrik yang
disuplai ke permukaan. Kehilangan panas (heat loss) dari sistem dapat disebabkan karena radiasi dari permukaan maupun konduksi melalui dinding-dinding saluran ke atmosfer. Sehingga persamaan (2.7) dapat ditulis menjadi:
cond rad
conv
elect Q Q Q
Q = + + (2.8)
dimana: Qrad = laju perpindahan panas radiasi (W)
18 Pada penelitian yang serupa, Naik et al (1987) dan Hwang dan Liou (1995) melaporkan bahwa total heat loss radiasi dari permukaan uji yang serupa adalah sekitar 0,5% dari total input panas listrik, sehingga radiative heat loss diabaikan.
Heat loss karena konduksi dari sisi dinding-dinding dapat diabaikan dibandingkan dari permukaan bawah dari seksi uji, karena luas total sisi plat yang dipanaskan jauh lebih kecil dari luas permukaan bawah. Pada penelitian ini, permukaan bawah dari plat uji tidak dipapar ke aliran, dan disolasi dengan kombinasi lapisan isolator dan lapisan kayu, sehingga heat loss konduksi dapat diabaikan. Analisis data akan memuaskan jika persentase total heat loss,
conv conv elect Q Q Q − kurang dari 10% (Naphon, P., 2007).
Maka persamaan (2.8) menjadi:
conv
elect Q
Q = (2.9)
Panas yang dipindahkan dari permukaan bersirip dengan cara konveksi adalah:
⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + − = 2 . . in out b s conv T T T A h Q (2.10)
dimana: Qconv = laju perpindahan panas konveksi (W)
h = koefisien perpindahan panas konveksi rata - rata (W/m2.K)
As = luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara dari susunan sirip pin (m2)
b
T = temperatur base plate (K)
in
T = temperatur inlet dari aliran udara (K)
out
T = temperatur outlet dari aliran udara (K) Dari persamaan (2.10), Qconv dapat juga dinyatakan dengan:
(
out in)
p
conv m C T T
Q = &. . − (2.11)
dimana: m& = laju aliran massa udara (kg/s)
Cp = panas jenis udara (J/kg.K)
in
T = temperatur inlet dari aliran udara (K)
out
19 Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) dapat dihitung menggunakan kombinasi persamaan (2.10) dan (2.11), sehingga didapatkan bahwa:
(
)
(
)
(
)
[
2]
. . . in out b s in out p T T T A T T C m h + − − = & (2.12)Dari persamaan (2.12), laju aliran massa udara, ,m& dapat dihitung dengan persamaan:
V A
m& =ρ. . (2.13)
dimana: ρ = massa jenis udara (kg/m3)
A = luas penampang saluran udara (m2)
V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s)
Gambar 2.11 Susunan sirip pin dalam suatu saluran udara segiempat dengan
clearance nol
Untuk clearance nol seperti pada gambar 2.11, maka Adihitung dengan rumus:
b W H
A= . (2.14)
As adalah luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara dari susunan sirip pin atau luas permukaan total dari permukaan plat dasar dan sirip, dan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
4 . . . . . . 2 f f b s N d π N H d π L W A = + − (2.15) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − + = 4 . . . .L π d N H d W As b f (2.16)
20 dimana: Wb = lebar plat dasar untuk susunan sirip pin (m)
L = panjang plat dasar untuk susunan sirip pin (m)
d = diameter sirip pin (m)
Nf = jumlah total sirip pin dalam susunan sirip pin
H = tinggi saluran udara atau sirip pin (m)
Dari persamaan (2.12), nilai-nilai Tb, Tin dan Tout diukur dari penelitian yang
dilakukan menggunakan termokopel. Sedangkan sifat termofisik dari udara Cp dihitung berdasarkan temperatur udara rata-rata, Tf =
(
Tin+Tout)
2 menggunakan persamaan sebagai berikut:(
)
2] 10 J kg.K 10 7 , 7 8185 , 9 [ + −4 + −2 = x T T x Cp in out (2.17)Persamaan (2.17) berlaku untuk udara pada 400K 2
K
250 ≤Tin +Tout ≤ dan pada tekanan atmosfer.
Parameter tanpa dimensi yang digunakan dalam perhitungan perpindahan panas untuk permukaan bersirip dihitung sebagai berikut:
a. Bilangan Reynolds (Re)
Dua jenis bilangan Reynolds digunakan untuk menggolongkan kondisi aliran. Pertama adalah bilangan Reynolds berdasarkan kecepatan rata-rata (V) dalam saluran halus (smooth duct) dan diameter hidrolik dari saluran (Dh) dan dinyatakan dengan: ν D V Re= . h (2.18) µ D V ρ Re= . . h (2.19)
dimana: Re = duct Reynolds number
V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s)
Dh = diameter hidrolik dari saluran udara (m) ν = viskositas kinematik udara (m2/s)
ρ = massa jenis udara (kg/m3)
21 Kedua adalah bilangan Reynolds berdasarkan kecepatan maksimum melalui sirip pin dan ketebalan dari sirip pin, yaitu:
µ ρ V d Re maks D . . = (2.20)
Vmaks dihitung dengan menggunakan persamaan:
V A A A V front maks ⎟⎟. ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = (2.21)
dimana: ReD = pin Reynolds number
Vmaks = kecepatan udara maksimum yang melalui sirip pin (m/s)
d = diameter sirip pin (m)
A = luas penampang saluran udara (m2)
Afront = luas frontal dari sirip-sirip (m2)
ReDtelah digunakan secara luas dalam banyak studi perpindahan panas pada sirip pin, dan ReD tergantung pada jumlah pin dalam arah spanwise dan tinggi dari sirip pin. Re di atas biasa disebut sebagai duct Reynolds number dan ReD disebut sebagai pin Reynolds number.
b. Bilangan Nusselt (Nu)
Seperti pada definisi bilangan Reynolds, bilangan Nusselt rata-rata juga dinyatakan dengan duct Nusselt number dan pin Nusselt number, dimana berturut-turut dinyatakan dengan persamaan:
k D h Nu= . h (2.22) k d h NuD = . (2.23)
dimana: Nu = duct Nusselt number
NuD = pin Nusselt number
Dh = diameter hidrolik dari saluran udara (m)
k = konduktivitas termal udara (W/m.K)
d = diameter sirip pin (m)
h = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (W/m2.K)
22 Untuk saluran udara segiempat, diameter hidrolik dihitung dengan persamaan:
(
b)
b h W H W H P A D + = = 2 . . 4 . 4 (2.24)Sifat fisik udara, µ dan k dihitung berdasarkan temperatur udara rata-rata,
(
in out)
2f T T
T = + menggunakan persamaan sebagai berikut:
(
)
6 2 2] 10 10 483 , 4 9934 , 4 [ + − + − = x Tin Tout x µ kg/m.s (2.25)(
)
3 2 2] 10 10 495 , 7 7415 , 3 [ + − + − = x T T x k in out W/m.K (2.26)Persamaan 2.25 dan 2.26 berlaku untuk udara pada 400K 2
K
250 ≤Tin+Tout ≤ dan
pada tekanan atmosfer.
2.2.7.2 Perhitungan Faktor Gesekan (Friction Factor)
Penelitian penurunan tekanan (pressure drop) sepanjang seksi uji dalam saluran bersirip diukur di bawah kondisi aliran panas. Pengukuran ini dikonversi ke faktor gesekan (friction factor), f. Faktor gesekan ditentukan dari nilai pengukuran penurunan tekanan, ∆P, sepanjang seksi uji menggunakan persamaan:
⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = 2 ∆ 2 V ρ D L P f h t (2.27)
dimana: f = faktor gesekan
∆P = perbedaan tekanan statik (N/m2)
Lt = panjang seksi uji (m)
Dh = diameter hidrolik (m) ρ = massa jenis udara (kg/m3)
V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s)
2.2.7.3 Perhitungan Unjuk Kerja Termal pada Pin-Fin Assembly
Peningkatan perpindahan panas dicapai dengan disertai penurunan tekanan. Dalam banyak aplikasi praktis hal tersebut diperbolehkan, sehingga perlu untuk menentukan keuntungan ekonomis karena peningkatan perpindahan panas dan pengaruh sirip pin dan susunannya terhadap unjuk kerja energi menyeluruh dari sistem perpindahan panas sekarang melalui sebuah analisis unjuk kerja termal.
23 Daya pemompaan (pumping power) adalah daya yang dibutuhkan untuk mengalirkan fluida pendingin ke susunan sirip pin, dalam hal ini adalah daya
blower. Untuk sebuah daya pemompaan yang konstan, efektivitas peningkatan
perpindahan panas dari permukaan bersirip dibandingkan dengan permukaan halus dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
a a s
s P V P
V& .∆ = & .∆ (2.28)
dimana V&s dan V&a berturut-turut adalah laju aliran volumetrik di atas plat tanpa halangan (blocks) dan laju aliran volumetrik di atas plat dengan halangan, sedangkan ∆Ps dan ∆Pa berturut-turut adalah penurunan tekanan tanpa halangan dan penurunan tekanan dengan halangan. Menggunakan persamaan Darcy untuk penurunan tekanan dan bilangan Reynolds untuk masing-masing geometri, dari hubungan antara permukaan dengan sirip dan permukaan halus untuk daya pemompaan yang sama, persamaan (2.31) dapat ditulis ulang menjadi:
3 a a 3 s s Re f Re f . = . (2.29)
Unjuk kerja termal peningkatan perpindahan panas untuk suatu daya pemompaan yang konstan dapat dinyatakan sebagai berikut:
(
h
ah
s)
p=
η
(2.30)dimana: ha = koefisien perpindahan panas konveksi dengan sirip (W/m2.K)
hs = koefisien perpindahan panas konveksi tanpa sirip (W/m2.K)
Jika nilai η ≥ 1, teknik yang dipakai untuk menaikkan laju perpindahan panas adalah menguntungkan dari sudut pandang energi. Jika η ≤ 1, energi yang digunakan untuk menaikkan laju perpindahan panas lebih besar daripada yang diperoleh.
24 BAB III
3 METODOLOGI PENELITIAN I
3.1 Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan Termodinamika, Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta.
3.2 Alat Penelitian
Gambar 3.1 Skema alat penelitian
Gambar 3.2 Satu set alat uji inline cylindrical pin fin assembly
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah: a. Saluran udara segiempat (rectangularchannel)
Saluran udara segiempat terbuat dari kayu yang permukaan bagian dalam dan luarnya dilapisi melamin. Dimensi penampang bagian dalam dari saluran udara segiempat adalah 150 mm x 75 mm x 2.000 mm.
25 b. Pelurus aliran udara (flowstraightener)
Pelurus aliran udara tersusun dari sedotan plastik berdiameter 5 mm, panjang 200 mm sehingga dimensi keseluruhan dari pelurus aliran udara adalah 150 mm x 75 mm x 200 mm.
Gambar 3.3 Pelurus aliran udara (flowstraightener) c. Fan hisap
Fan hisap merupakan modifikasi dari blower, sedemikian rupa sehingga
blower dapat menghisap udara.
Gambar 3.4 Fan hisap d. Rheostat
Rheostat digunakan untuk mengatur putaran fan hisap agar didapatkan kecepatan udara yang diinginkan.
26 e. Anemometer
Anemometer digunakan untuk mengukur kecepatan aliran udara yang masuk ke dalam saluran udara segiempat.
Gambar 3.6 Anemometer f. Pemanas listrik (electric heater)
Pemanas terbuat dari pita nikelin dengan panjang 4.000 mm, lebar 3 mm dan tebal 1,3 mm yang dililitkan pada kertas mika tahan panas dengan dimensi panjang 200 mm, lebar 150 mm dan tebal 1 mm.
Gambar 3.7 Pemanas listrik (electric heater) g. Regulator
Regulator digunakan untuk mengatur tegangan listrik yang dialirkan ke
heater sehingga temperatur base plate dapat dijaga konstan pada setiap variasi kecepatan dan variasi jarak antar titik pusat sirip pin arah
streamwise.
27 h. Multitester digital
Multitester digital digunakan untuk mengukur besarnya tegangan listrik yang dibutuhkan pemanas listrik untuk mencapai temperatur base plate
yang diinginkan.
Gambar 3.9 Multitester digital i. Amperemeter
Amperemeter digunakan untuk mengukur besarnya arus listrik yang dibutuhkan pemanas listrik untuk mencapai temperatur base plate yang diinginkan.
Gambar 3.10 Amperemeter j. Manometer U
Manometer terbuat dari selang plastik berdiameter 5 mm yang kedua ujungnya ditempatkan pada awal dan akhir dari seksi uji, sehingga dapat mengukur besarnya beda tekanan yang terjadi antara keduanya. Fluida yang digunakan dalam manometer ini adalah solar.
28 k. Termokopel
Menggunakan termokopel tipe T sebanyak 17 buah, dimana 3 buah termokopel digunakan untuk mengukur temperatur udara inlet, 5 buah termokopel untuk mengukur temperatur udara outlet dan 9 buah termokopel untuk mengukur temperatur base plate yang direkatkan dengan lem Araldite.
Gambar 3.12 Termokopel tipe T
l. Thermocouplereader
Alat ini digunakan untuk menunjukkan temperatur yang terukur oleh sensor termokopel.
Gambar 3.13 Thermocouplereader 3.3 Spesimen
Spesimen berupa pin fin assembly dengan dimensi base plate panjang 200 mm, lebar 150 mm dan tebal 6,5 mm, sedangkan profil sirip adalah silinder pejal dengan diameter sirip 12,7 mm dan tinggi sirip 75 mm. Bahan baseplate dan sirip adalah duralumin.
29
Gambar 3.15 Model spesimen Spesifikasi spesimen adalah sebagai berikut:
Tabel 3.1 Spesifikasi spesimen penelitian
Spesimen Sx Sy H Wb L 1 37,5 mm 25 mm 75 mm 150 mm 200 mm 2 37,5 mm 30 mm 75 mm 150 mm 200 mm 3 37,5 mm 37,5 mm 75 mm 150 mm 200 mm 4 37,5 mm 50 mm 75 mm 150 mm 200 mm 5 Plat tanpa sirip
Gambar 3.16 Spesimen 1 Gambar 3.17 Spesimen 2
30 3.4 Pelaksanaan Penelitian
Pengujian dilakukan pada keadaan diam (statis). Sistem beroperasi pada temperatur udara masuk yang konstan sebesar 26 oC dan temperatur base plate
yang konstan sebesar 60 oC. Alat penelitian harus dinetralkan terlebih dahulu seperti pada kondisi pengujian sebelumnya (kondisi awal) untuk periode pengujian selanjutnya. Pengambilan data penelitian berupa temperatur dilakukan hingga semua temperatur udara keluar seksi uji mencapai kondisi steady state. Data-data temperatur dan beda tekanan pada keadaan steady state inilah yang akan digunakan untuk analisis data penelitian. Dalam setiap pencatatan data akan diperoleh 17 data temperatur (3 data temperatur udara masuk seksi uji, 5 data temperatur udara keluar seksi uji dan 9 data temperatur base plate).
3.4.1 Tahap Persiapan
Memastikan bahwa seluruh alat yang digunakan dalam pengujian, seperti
fan hisap, saluran udara, seksi uji, heater, regulator, rheostat, manometer dan alat pendukung lainnya telah terpasang dengan benar dan berfungsi dengan baik. Memastikan termokopel pengukur temperatur udara masuk dan keluar telah terhubung ke thermocouple reader serta termokopel pengukur temperatur permukaan baseplate spesimen telah terpasang dengan benar.
3.4.2 Tahap Pengujian
1. Memasang spesimen ke dalam saluran udara.
2. Menghubungkan semua termokopel pengukur temperatur base plate
dengan thermocouple reader.
3. Menyalakan heater sebagai pemanasan awal (preheating) sebesar 70 oC. 4. Menghidupkan fan hisap.
5. Mengatur kecepatan udara sebesar 0,5 m/s dengan mengatur putaran fan
menggunakan rheostat.
6. Mengatur temperatur baseplate pada temperatur 60 oC.
7. Mencatat seluruh data temperatur dan tekanan setiap 10 menit sampai didapatkan temperatur steady.
8. Mencatat tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan
hisap.
31 10.Mematikan heater setelah selesai mengambil data.
11.Mematikan fan.
12.Mengulangi pengujian untuk variasi kecepatan udara yang lain (1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s).
13.Mengulangi langkah (3) – (11).
14.Mengulangi pengujian untuk variasi jarak antar titik pusat sirip pin arah
streamwise, Sy yang lain (30 mm, 37,5 mm dan 50 mm). 15.Mengulangi langkah (1) – (11).
16.Mengulangi pengujian untuk spesimen tanpa sirip. 17.Mengulangi langkah (1) – (4).
18.Mengatur daya pemompaan. 19.Mengulangi langkah (6) – (11). 3.5 Proses Analisis Data
Berdasarkan data hasil pengujian, yaitu berupa kecepatan aliran udara, temperatur rata-rata udara masuk seksi uji, temperatur rata-rata udara keluar seksi uji, temperatur rata-rata base plate, beda tekanan serta tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater, maka dapat dilakukan perhitungan dan analisis mengenai karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari inline cylindrical pin fin assembly. Dari hasil perhitungan tersebut akan dibuat grafik-grafik yang menunjukkan pengaruh jarak antar titik pusat sirip pin dalam arah aliran (streamwise direction, Sy/D) terhadap koefisien perpindahan panas rata-rata (h) dengan bilangan Reynolds (Re), bilangan Nusselt (Nu) dengan bilangan Reynolds, faktor gesekan (f) dengan bilangan Reynolds, dan efisiensi (η)dengan bilangan Reynolds, serta grafik bilangan Nusselt dengan Sy/D. Kemudian dari grafik-grafik tersebut akan dilakukan analisis.
