PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI STAGGERED CYLINDRICAL PIN FIN ARRAY DALAM RECTANGULAR CHANNEL SKRIPSI

PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN  DARI STAGGERED CYLINDRICAL PIN FIN ARRAY DALAM RECTANGULAR CHANNEL

SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat  untuk memperoleh gelar  Sarjana Teknik   Oleh : Aditya Hidayanto NIM : I 0404011 JURUSAN TEKNIK MESIN  FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2009

PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN 

TEKANAN DARI STAGGERED CYLINDRICAL PIN FIN ARRAY DALAM 

RECTANGULAR CHANNEL

Disusun oleh : Aditya Hidayanto NIM. I0404011 Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II        Wibawa Endra J., ST., MT          __Tri Istanto, ST., MT__        NIP. 197009112000031001       NIP. 19730820200121001 Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari ... tanggal ... 2009        1. Rendy Adhi Rachmanto   , ST.,MT    ……… NIP.  2. Budi Kristiawan, ST.,MT.    ………... NIP.  3. Eko Prasetyo, P. B, ST.,MT.    ……… NIP. 19710926199903 Mengetahui: Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir    

Dody Ariawan, ST, MT     Syamsul H   adi, ST., MT       NIP .                 NIP. 

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 sehingga  aku lulus dari Universitas Sebelas Maret ini dengan gelar Sarjana Teknik. Mereka adalah:

1. Sang   Maha   Pencipta   alam   semesta   ini   yang   telah   memberikan   berjuta   kenikmatan   kepada  penulis, Subhanalloh….. 2. Keluarga besar Slamet Rodhi (Bapak : Slamet, Ibu : Siswarni, karena beliaulah penulis terlahir  didunia serta cinta dan kasih merekalah penulis merasakan kasih sayang yang paling tulus.), serta  segenap keluarga yang telah memberikan dukungan, baik spiritual maupun material. 3. Kang Very and kang Wahyu serta Ivan dan Putri, terima kasih tuk semua dukungan, kritikan  pedas, saran, serta bantuan yang sudah diberikan. 4. MR.3G and Prof. Bawa, yang telah mensupport segala materi Tugas Akhir serta tuk kesabaran  dan kerja keras yang telah mereka dedikasikan untuk para mahasiswanya. 5. Segenap keluarga besar Teknik Mesin UNS. 6. Semua orang yang dekat  dan kenal dengan penulis (mereka yang pernah bersama memberi  pengalaman yang berarti, memberikan nasehat serta dukungan dalam kehidupan penulis ). 7. CB blalang tempurq yang senantiasa menemaniq disaat susah, sedih, susah banget dan juga  senang. Apapun kata orang u always be my first ride….,thanks bro..!!!

Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan dari Staggered Cylindrical  Pin Fin Array dalam Rectangular Channel Aditya Hidayanto Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia E­mail : hi   day_mech04@yahoo.com    Abstrak Penelitian ini dilakukan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan  serta unjuk kerja termal dari  cylindrical pin fin assembly  yang disusun secara selang­seling  dalam  saluran segiempat Sirip­sirip pin terbuat dari bahan duralumin dengan dimensi diameter 12,7 mm dan  tinggi 75 mm, dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah melintang aliran udara dibuat konstan sebesar  Sx/D   =   2,95.   Parameter­parameter   dalam   penelitian   ini   adalah   bilangan   Reynolds   3.000   –   37.700  berdasarkan kecepatan udara masuk rata­rata dan diameter hidrolik, dan jarak antar titik pusat sirip arah  aliran udara (Sy/D = 1,97 – 3,94). 

Hasil penelitian menunjukkan  bahwa bilangan Nusselt meningkat dengan  kenaikan bilangan  Reynolds   (Re),   tetapi   kenaikan   Sy/D   menaikkan   bilangan   Nusselt   hingga   Sy/D   =   2,36   setelah   itu  kenaikan Sy/D menyebabkan bilangan Nusselt menurun.  Nilai penurunan tekanan (∆ P) dan faktor  gesekan (f) menurun dengan meningkatnya Sy/D. Unjuk kerja termal meningkat dengan kenaikan Sy/D  hingga Sy/D = 2,36 dan kemudian menurun dengan kenaikan Sy/D lebih lanjut. Meningkatnya bilangan  Reynolds akan menurunkan unjuk kerja termal (η ) untuk keseluruhan Sy/D. Perolehan energi  netto  hingga 47% dapat dicapai untuk nilai Sy/D = 2,36 pada Re = 3.760. Kata kunci :  Sirip pin, bilangan Reynolds, bilangan Nusselt, faktor gesekan, unjuk kerja termal Investigation on Heat Transfer and Friction Factor Characteristics of Staggered Cylindrical Pin  Fin Array in Rectangular Channel

Aditya Hidayanto Mechanical Engineering Departement Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia E­mail : hiday_   mech04@yahoo.com    Abstract This research was conducted to examine the characteristics of heat transfer and pressure drop as  well as the thermal performance of staggered cylindrical pin fin assembly in the rectangular channel.  Pin fins were made of duralumin having the dimension of 12.7 mm diameter and 75 mm height, and the  distance inter­fin picth in the spanwise direction was kept constan at Sx/D = 2.95. The parameters of  this research were Reynolds number 3,000 – 37,700 based on averaged inlet air velocity and hydraulic  diameter, and the distance between the inter­fin pitch in the streamwise direction (Sy/D = 1.97 – 3.94). The research result  shown that Nusselt number increased with increasing Reynolds number, but  increasing  Sy/D   increased  Nusselt   number  till   Sy/D   =   2.36  after   which   it   cause   Nusselt   number  decreased.  The pressure drop (∆ P) and friction factor  (f) decreased  with  increasing  Sy/D.  Thermal  performance increased with increasing Sy/D till Sy/D = 2.36 and then it decreased with furthermore  increasing of Sy/D. Increasing Reynolds number would decrease thermal performance (η ) for all Sy/D  . A net energy gain up to 47 % was achieved for Sy/D = 2.36 and Re = 3,760.

MOTTO

Sesungguhnya jika kamu bersyukur , pasti Kami akan menambah (nikmat) kepadamu,dan jika kamu mengingkari nikmat-Ku, maka

sesungguhnya azab-Ku sangat pedih (Q.S. Ibrahim:7)

“ Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan” (Q.S. Al-Insyirah: 6)

“Allah Ta’ala berfirman: Aku sesuai dengan persangkaan hamba-Ku terhadap-Ku dan Aku selalu bersamanya ketika dia mengingat-Ku….,

(Kitab Sahih Muslim no. 4832)

Lebih baik berani mencoba kemudian gagal daripada sukses tapi hanya dalam angan-angan,

namun kan lebih indah jika kita berani mencoba lalu berhasil

Hidup merupakan suatu pilihan,

baik dan buruk hanyalah bagian dari keputusan yang kita ambil, lakukan yang terbaik…..!

lalu serahkan segalanya pada kehendak Sang Pencipta

Talk Less Do More (Class Mild)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat ALLAH SWT, Tuhan Yang Maha Esa atas segala limpahan  rahmat dan  Karunia­Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan Skripsi “Pengujian Karakteristik  Perpindahan   Panas   Dan   Penurunan   Tekanan   Dari   Staggered   Cylindrical   Pin   Fin   Arrays   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 ataupun 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: 4. Bapak Dody Ariawan, ST., MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS Surakarta. 5. Bapak Wibawa Endra J, ST. MT, selaku Pembimbing I atas bimbingannya   hingga penulis  dapat menyelesaikan Skripsi ini. 

6. Bapak   Tri   Istanto,   ST.   MT,   selaku   Pembimbing   II   yang   telah   turut   serta   memberikan  bimbingan yang berharga bagi penulis. 7.Bapak Eko Surojo, ST. MT, selaku Pembimbing Akademis yang telah memberikan pengarahan  selama menempuh studi di Universitas Sebelas Maret ini.   8. Bapak Syamsul Hadi, ST. MT, selaku koordinator Tugas Akhir 9. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik penulis  hingga menyelesaikan studi S1. 10. Ayah, Ibu, mas Very dan mas Wahyu, Ivan, Putri, dan segenap keluarga atas do’a restu,  motivasi, dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir. 11. Rekan Skripsi : Nidum Yess dan Mbah Apras serta semua personil tim “Sirip Pin” tuk semua  dukungan, sindiran, kritikan, serta bantuan yang sangat berarti dalam mengerjakan penelitian  ini.

12. Dody,   Rosyid,   Eko,   Syafiq,   Ryan,   Susi,   Wisnu,   Gama   dan   semua   penghuni   malam   lab  konversi energi yang sudah menemani waktu mengambil data.

13. Semua temen – temen penghuni teknik mesin UNS  khususnya angkatan 2004.

selama ini. 15. 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 penulis harapkan untuk kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu pengetahuan dan kita semua Amin. Surakarta,16 Juli  2009          Penulis

DAFTAR ISI Halaman Halaman Judul ... i Halaman Pengesahan ... ii Halaman Motto ... iii Halaman Abstrak  ...  iv Halaman Persembahan ... vi Kata Pengantar ... vii Daftar Isi  ... ix Daftar Tabel  ... xi Daftar Gambar  ... xii 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  ... 4 BAB II LANDASAN TEORI 2.1.Tinjauan Pustaka  ... 5 2.2. Dasar Teori  ... 7 2.2.1. Sirip ...7 2.2.2. Sirip Pin ...12 2.2.3. Macam­Macam Bentuk Sirip Pin... 13 h. Kubus ...13 i. Silinder... 13 j. Ellips ...14 k. Oblong... 15 2.2.4. Aplikasi Sirip Pin... 16 2.2.5. Perpindahan Panas... 17

2.2.6. Parameter Tanpa Dimensi... 18 2.2.7. Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan  pada Pin Fin Assembly... 20 2.2.7.1. Perhitungan Perpindahan Panas (Heat Transfer)  ... 20 2.2.7.2. Perhitungan Faktor Gesekan (Friction Factor)... 25 2.2.7.3. Perhitungan Unjuk Kerja Termal Pin Fin Assembly... 25 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Lokasi dan Waktu Penelitian  ... 27 3.2. Spesimen Penelitian... 27 3.3. Alat Penelitian  ... 29 3.4. Pelaksanaan Penelitian ...  35 3.4.1. Tahap Persiapan  ... 35 3.4.2. Tahap Pengujian  ... 35 3.5. Metode Analisis Data ...  36 3.6. Diagram Alir Penelitian  ... 38 BAB IV DATA DAN ANALISIS 4.1 Data Hasil Pengujian ... 39 4.2  Perhitungan Data... 45 4.3  Analisis Data ... 52 4.3.1 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah  Streamwise Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas ... ...52 4.3.2 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah  Streamwise Terhadap Karakteristik Penurunan Tekanan ... ...54 4.3.3 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah  Streamwise Terhadap Unjuk Kerja Termal ... ...56 BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan ... 63 5.2. Saran  ...63

Daftar Pustaka  ... 65 Lampiran  ... 66 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 3.1. Spesifikasi spesimen penelitian ... 28 Tabel 4.1.  Data hasil pengujian spesimen 1 (Sx/D = 2,95 ; Sy/D = 1,97). . 40 Tabel 4.2.  Data hasil pengujian spesimen 2 (Sx/D = 2,95 ; Sy/D = 1,97). . 41 Tabel 4.3.  Data hasil pengujian spesimen 3 (Sx/D = 2,95 ; Sy/D = 1,97). . 42 Tabel 4.4.  Data hasil pengujian spesimen 4 (Sx/D = 2,95 ; Sy/D = 1,97). . 43 Tabel 4.5.  Data hasil pengujian spesimen 5 (Sx/D = 2,95 ; Sy/D = 1,97). . 44 Tabel 4.6.  Perhitungan spesimen 1... 58 Tabel 4.7.  Perhitungan spesimen 1 (Lanjutan) ... 58 Tabel 4.8.  Perhitungan spesimen 2... 59 Tabel 4.9.  Perhitungan spesimen 2 (Lanjutan) ... 59 Tabel 4.10.  Perhitungan spesimen 3... 60 Tabel 4.11.  Perhitungan spesimen 3 (Lanjutan) ... 60 Tabel 4.12.  Perhitungan spesimen 4... 61 Tabel 4.13.  Perhitungan spesimen 4 (Lanjutan) ... 61 Tabel 4.14.  Perhitungan spesimen 5... 62 Tabel 4.15.  Perhitungan spesimen 5 (Lanjutan) ... 62

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1.  Beberapa contoh jenis extended surface... 8

Gambar 2.2. Beberapa contoh jenis permukaan penukar kalor kompak... 9 Gambar 2.3. Perbedaan­perbedaan gradien  temperatur dalam sirip... 10 Gambar 2.4. Sebuah susunan sirip pin... 12 Gambar 2.5. Susunan sirip pin... 13 Gambar 2.6. Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin kubusdan sirip pin diamond 13... Gambar 2.7. Perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip pin silinder berfillet... 14

Gambar 2.8.  Ukuran relatif dari circular fin, SEF dan N fin...  14

Gambar 2.9.  Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin  oblong  15 Gambar 2.10.  Potongan melintan sudu turbin dengan pendinginan dalam  (internal cooling)   16 Gambar 2.11.  Pin fin assembly dalam suatu saluran udara segiempat dengan clearance nol 22 Gambar 3.1.  Sketsa Spesimen Penelitian (a) Pin yang menancap pada base plate... 27

(b) Base plate ... 27 (c) Sketsa spesimen keseluruhan ... 28 Gambar 3.2.  Spesimen 2 ... 29 Gambar 3.3.  Spesimen 3 ... 29 Gambar 3.4.  Spesimen 4 ... 29 Gambar 3.5.  Spesimen 5 ... 29 Gambar 3.6.  Alat penelitian ... 30 Gambar 3.7.  Skema alat penelitian... 30 

Gambar 3.8.  Pelurus aliran udara (flow straightener)...  30

Gambar 3.9.  Fan hisap...  31

Gambar 3.10.  Heater... 31

Gambar 3.11.  Manometer tipe U... 32

Gambar 3.13. Posisi 3 buah termokopel untuk mengukur temperatur inlet... 32

Gambar 3.14 Posisi 5 buah termokopel untuk mengukur temperatur outlet  32 Gambar 3.15 Pemasangan termokopel pada base plate... 33

Gambar 3.16 Display termokopel ... 33

Gambar 3.17 Anemometer ... 33 Gambar 3.18 Slide regulator ... 34 Gambar 3.19.Voltmeter ... 34 Gambar 3.20.Amperemeter ... 34 Gambar 4.1.  Posisi titik pengukuran  ... 39 Gambar 4.2. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap bilangan  Nusselt pada Sx/D = 2,95... 52 Gambar 4.3. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien   Perpindahan panas konveksi rata­rata pada Sx/D = 2,95... 53 Gambar 4.4. Grafik pengaruh nilai Sx/D terhadap bilangan Nusselt pada  Sx/D = 2,95 54 Gambar 4.5. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap penurunan  tekanan  pada Sx/D = 2,95... 55 Gambar 4.6. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor  gesekan  pada Sx/D = 2,95... 56 Gambar 4.7. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap unjuk kerja  termal  pada Sx/D = 2,95... 57

DAFTAR NOTASI

Lt = Panjang seksi uji ( m )

H = Tinggi sirip ( m )

Wb = Lebar specimen ( m )

L = Panjang specimen ( m )

dbase = base diameter sirip ( m )

Afront = Luas frontal dari sirip – sirip ( m2 ₎ As = Luas total permukaan perpindahan panas ( m2 ₎ At = Luas penampang melintang saluran udara ( m2 ₎ Dh = Diameter hidrolik ( m ) in T = Temperatur rata – rata udara masuk saluran udara ( o_K ) out T = Temperatur rata – rata udara keluar saluran udara ( o_K ) b T = Temperatur udara rata – rata base plate ( o_K ) Tf = Temperatur film ( o_K ) V = Kecepatan rata­ rata dalam saluran udara (m/s) Vmaks = Kecepatan uadara maksimum yang melalui sirip pin (m/s) ρ = massa jenis udara (kg/m3₎ ν = viskositas kinematik udara (m2_/s) µ = viskositas dinamik udara (kg/m.s) CP = Panas jenis udara (kJ/kg.o_C)

Qelect = Laju aliran panas dari heater (W)

m _{= Laju aliran masa udara ( kg/s )} Qconv = Laju perpindahan panas konveksi (W) Qloss = Heat losses yang terjadi pada seksi uji ha = Koefisien perpindahan panas konveksi rata – rata dengan sirip (W/m2_.K) hs = Koefisien perpindahan panas konveksi rata – rata tanpa sirip (W/m2_.K) Nu = Bilangan Nusselt saluran udara ( Duct Nusselt number ) NuD = Bilangan Nusselt pada pin ( Pin Nusselt number )

Re = Bilangan Reynold saluran udara ( Duct Reynold number ) ReD = Bilangan Reynold pada pin ( Pin Reynold number )

P

∆ = Penurunan tekanan

f = Faktor gesek

η = Unjuk kerja termal

Vh = Tegangan listrik heater ( V )

Ih = Arus listrik heater ( A )

Vf = Tegangan listrik  fan ( V )

If = Arus listrik fan ( A ) ϕ

cos _{= Faktor daya listrik 2} phase

Pfan = Daya listrik fan ( pumping power ) ( W )

DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1.  Data spesimen 1 kecepatan 0,5 m/s dan 1 m/s ... 66 Lampiran 2.  Data spesimen 1 kecepatan 2 m/s dan 3 m/s ... 67 Lampiran 3.  Data spesimen 1 kecepatan 4 m/s dan 5 m/s ... 68 Lampiran 4.  Data spesimen 1 kecepatan 5,5 m/s dan 6 m/s ... 69 Lampiran 5.  Data spesimen 2 kecepatan 0,5 m/s dan 1 m/s ... 70 Lampiran 6.  Data spesimen 2 kecepatan 2 m/s dan 3 m/s ... 71 Lampiran 7.  Data spesimen 2 kecepatan 4 m/s dan 5 m/s ... 72 Lampiran 8.  Data spesimen 2 kecepatan 5,5 m/s dan 6 m/s ... 73 Lampiran 9.  Data spesimen 3 kecepatan 0,5 m/s dan 1 m/s ... 74 Lampiran 10. Data spesimen 3 kecepatan 2 m/s dan 3 m/s ... 75 Lampiran 11. Data spesimen 3 kecepatan 4 m/s dan 5 m/s ... 76 Lampiran 12. Data spesimen 3 kecepatan 5,5 m/s dan 6 m/s ... 77 Lampiran 13. Data spesimen 4 kecepatan 0,5 m/s dan 1 m/s ... 78 Lampiran 14. Data spesimen 4 kecepatan 2 m/s dan 3 m/s ... 79 Lampiran 15. Data spesimen 4 kecepatan 4 m/s dan 5 m/s ... 80 Lampiran 16. Data spesimen 4 kecepatan 5,5 m/s dan 6 m/s ... 81 Lampiran 17. Data spesimen 5 kecepatan 0,5 m/s dan 1 m/s ... 82 Lampiran 18. Data spesimen 5 kecepatan 2 m/s dan 3 m/s ... 83 Lampiran 19. Data spesimen 5 kecepatan 4 m/s dan 5 m/s ... 84 Lampiran 20. Data spesimen 5 kecepatan 5,5 m/s dan 6 m/s ... 85

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Sirip   digunakan   dalam   banyak   alat   penukar  kalor   untuk   meningkatkan  luasan   perpindahan   panas.  Sirip   sering   digunakan   dalam   sistem   pendingin  ruangan, peralatan elektronik, motor pembakaran dalam, trailing edge sudu turbin  gas, alat penukar kalor kompak (compact heat exchanger) dan sebagainya,  dengan  udara merupakan media perpindahan panasnya. Berbagai tipe sirip alat penukar  kalor,   mulai   dari   bentuk   yang   relatif   sederhana   seperti   sirip   segiempat  (rectangular), silindris, annular, tirus (tapered) atau  pin, sampai kombinasi dari  berbagai geometri yang berbeda telah digunakan. 

Bentuk sirip yang cukup sering digunakan dalam alat penukar kalor adalah  sirip pin. . Sirip pin merupakan elemen silinder atau bentuk lainnya yang dipasang  secara tegak lurus terhadap dinding alat penukar panas, dengan fluida pendingin  mengalir secara bersilangan (crossflow) terhadap elemen tersebut. Sirip pin dapat  disusun dalam susunan segaris (inline) maupun selang­seling (staggered) terhadap  arah aliran. Susunan segaris maupun selang­seling dari suatu sirip pin   silinder  yang pendek dengan bentuk penampang (cross­section) melingkar adalah salah  satu yang sering digunakan dalam alat pendinginan pada sudu turbin.

Sirip   pin   yang   menonjol   keluar   dari   permukaan   pemanasan   dapat  meningkatkan luasan permukaan dissipasi dan mengakibatkan percampuran aliran  yang turbulen sehingga meningkatkan performa dissipasi panas dan meningkatkan  ketahanan (reliability) serta umur pemakaian dari suatu alat. Karakteristik dari  suatu sirip pin berdasarkan beberapa parameter, seperti bentuk, tinggi, diameter,  dan perbandingan tinggi terhadap diameter (H/D), dan lain sebagainya. Sirip pin  dengan perbandingan tinggi terhadap 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 terhadap diameter > 4. 

Terdapat beberapa parameter yang mempengaruhi laju perpindahan panas dari suatu rakitan  sirip pin (pin fin assembly) ke lingkungan, yaitu : 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), sifat­sifat fluida dan sirip pin, laju aliran udara, jarak antar titik pusat sirip (inter­fin 

pitch), 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  rata­rata,  menaikkan luas permukaan  perpindahan  panas  atau  kedua­duanya. Kenaikan  perpindahan  panas  dapat  dicapai  dengan cara  konveksi  paksa 

(forced convection) atau mengubah konfigurasi geometri dari alat penukar panas. Dalam praktiknya, 

cara­cara 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 selang­seling (staggered)  dalam saluran segiempat (rectangular channel). 

1.2 Perumusan Masalah 

Bagaimanakah  pengaruh    bilangan Reynolds dan  jarak  antar titik pusat  sirip  dalam arah  aliran udara terhadap karakteristik perpindahan   panas   dan   penurunan   tekanan   serta unjuk kerja  termal dari cylindrical pin fin assembly yang disusun secara berselang­seling (staggered) dalam saluran  segiempat (rectangular channel). 

1.3 Batasan  Masalah 

Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut: 

1. Material pin fin dan base plate yang digunakan adalah duralumin.

2. Dimensi base plate yang digunakan adalah : panjang 200 mm, lebar 150 mm dan tebal 6,5 mm  3. Dimensi pin fin 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 (shroud clearence) adalah 

nol.

 Saluran udara segiempat berdimensi penampang 150 mm x 75 mm  Pemanas listrik (electric heater) 

 Fan hisap

 Pelurus aliran udara (flow straightener)   Manometer tipe 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, temperatur  udara masuk, jarak antar titik pusat sirip dalam   arah   melintang  (spanwise direction) sebesar  37,5 mm.

9. Parameter yang divariasi adalah kecepatan 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 dan 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 (steady state).

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 staggered dalam 

rectangular channel 

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 staggered dalam rectangular channel. 

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 

staggered dalam rectangular channel

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 staggered dalam rectangular channel.

2. Dapat diterapkan dalam sistem pendinginan sudu­sudu turbin gas, sistem elektronik   modern  dan  industri  pesawat  terbang.  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, , langkah­langkah penelitian dan pengambilan data.  BAB IV   :  Data  dan  analisis,  menjelaskan  data  hasil  pengujian,  perhitungan data hasil pengujian  serta analisis hasil dari perhitungan.  BAB V    :  Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran. 

BAB IV

DATA DAN ANALISIS

Pada   bab   ini   akan   dianalisis   mengenai   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 selang­seling (staggered) dalam saluran segiempat (rectangular channel).

Pengujian dilakukan dengan variasi kecepatan aliran udara masuk antara 0,5 – 6 m/s, dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran  udara (streamwise direction) yaitu sebesar 25 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm. Data yang diperoleh dalam pengujian ini, yaitu kecepatan  aliran udara masuk, temperatur udara masuk seksi uji, temperatur udara keluar seksi uji, temperatur base plate, penurunan tekanan serta  tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan hisap. Sistem dijalankan sampai didapatkan temperatur pada kondisi steady 

pada tiap variasi pengujian. Proses pengambilan data adalah setiap 10 menit hingga tercapai kondisi steady. 4.1  Data Hasil Pengujian

Pengujian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan Termodinamika Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas  Sebelas Maret Surakarta.

(a)        (b)      (c)

Gambar 4.1 Posisi titik pengukuran (a) temperatur udara masuk seksi uji (b) temperatur  base plate dan (c) temperatur udara keluar seksi uji

Dari hasil pengamatan temperatur udara masuk  seksi uji, temperatur udara keluar   seksi uji, temperatur  base plate, penurunan  tekanan, kecepatan aliran udara masuk serta tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater dan  fan  hisap saat pengujian pada  kondisi steady, diperoleh data seperti pada tabel 1 – 4

(d) Spesimen 1

Tabel 4.1. Data hasil pengujian spesimen 1 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 1,97)  Kecepatan aliran udara (m/s)

0,5 1 2 3 4 5 5,5 6

Tegangan heater   (V) 43 56 71 79 86 92 96 98 Arus heater     (A) 2,2 2,9 3,6 4.1 4,5 4,7 4,8 4,9 Tegangan fan     (V) 90 106 120 135 147 162 186 240 Arus fan     (A) 1,2 1,3 1,5 1,7 1,8 1,9 2 2,1 Beda tinggi fluida  manometer      (mm) 0,75 1,3 2,3 3,2 4 5 5,75 6,5 Tin,1  (oC) 25,8 25,9 26,1 26,2 26 26,1 26 26 Tin,2  (oC) 25,8 25,9 25,9 26,1 25,9 26,1 25,9 26 1 2 3 7 8 9 4 5 6 1 3 5 4 2 1 2 3 53

Tin,3  (oC) 25,7 25,8 25,8 26,1 25,8 26 25,9 25,9 Tin,rata­rata       (oC) 25,77  25,87 25,93 26,13 25,9 26,07 25,93 25,97 Tbase,1  (oC) 60,6 62,3 63,4 62,9 63,4 63,9 64,5 61,6 Tbase,2  (oC) 59,4 60,3 60,5 59,5 59 59,9 59,9 57,9 Tbase,3  (oC) 59,1 58,9 59,3 58,6 58,1 57 57,4 58,3 Tbase,4  (oC) 59,2 58,8 60,5 60,3 61,9 62,2 63,1 58,5 Tbase,5  (oC) 58 59,7 59,3 58,8 58,9 58,3 58,5 57,7 Tbase,6  (oC) 59,3 59,7 60,2 57,8 59,8 60,6 60,3 60 Tbase,7  (oC) 61,3 61,9 60 63,8 61 61,4 61,8 62 Tbase,8  (oC) 59 59,6 58,6 59,4 58,7 57,6 57,5 58,1 Tbase,9  (oC) 61,7 61,9 61,3 62,2 62,7 61,1 60,2 63,9 Tbase, rata­rata  (oC) 59,73 60,34 60,34 60,37 60,39 60,22 60,36 59,78 Tout,1  (oC) 36,1 34,7 32,6 32 30,9 30,7 30,2 30 Tout,2  (oC) 35,9 34,1 32,3 31,8 30,8 30,4 29,9 29,7 Tout,3  (oC) 36,5 34,9 32,9 31,9 31,1 30,8 30,3 30,`1 Tout,4  (oC) 37,7 36,3 34,4 33,9 33,3 33,1 32,8 32,5 Tout,5  (oC) 36,8 35,1 33,4 32,1 31,3 31,1 30,4 30,2 Tout, rata­rata    (oC) 36,6 35,02 33,12 32,34 31,44 31,02 30,72 30,5 54

(e) Spesimen 2

Tabel 4.2. Data hasil pengujian spesimen 2 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 2,36) Kecepatan aliran udara (m/s)

0,5 1 2 3 4 5 5,5 6

Tegangan heater   (V) 42 54 69 76 83 90 93 96 Arus heater     (A) 2,2 2,8 3,4 3,9 4,3 4,6 4,7 4,8 Tegangan fan     (V) 90 105 120 134 147 162 185 230 Arus fan     (A) 1,2 1,3 1,5 1,65 1,8 1,9 2 2,1 Beda tinggi fluida  manometer      (mm) 0,5 1 2 2,7 3,25 4 4,75 5,5 Tin,1  (oC) 26,2 26 26,1 26,3 26,1 26,1 26,1 26 Tin,2  (oC) 26 26 26 26,2 26 26,1 26 26 Tin,3  (oC) 26 25,9 26 26,2 25,9 26 25,9 25,9 Tin,rata­rata       (oC) 26,07 25,97 26.0₃ 26,2₃ 26 26,07 26 25,97 Tbase,1  (oC) 60,2 58,9 57,8 59,2 59,7 60,2 59,8 59 Tbase,2  (oC) 60,4 60,1 58,2 59,7 59,8 60,5 59,7 59,4 Tbase,3  (oC) 57,1 57,8 57,4 58,7 58,7 56,7 58,9 57,2 Tbase,4  (oC) 58,7 59,1 58,7 56,9 56,6 57,3 56,8 56,6 Tbase,5  (oC) 59,1 59,1 57,5 58,6 58,4 58,5 59,2 59,2 Tbase,6  (oC) 59,9 59,1 64,6 61 61,6 63,5 56,5 57 Tbase,7  (oC) 61,3 62,7 62,5 64,1 64,1 61,2 64,3 64,7 Tbase,8  (oC) 61 60,7 61 62,3 61,9 61,7 64,1 64,2 Tbase,9  (oC) 61,3 60,6 61,3 62,7 62,3 63,7 63,6 63,3 Tbase, rata­rata  (oC) 59,8₉ 59,7₉ 59,8₉ 60,3₆ 60,34 60,37 60,3₂ 60,07 55

Tout,1  (oC) 36 33,8 32,3 31,8 31,2 30,9 30,7 30,5 Tout,2  (oC) 35,8 33,2 31,6 31,2 30,4 29,7 29,5 29,4 Tout,3  (oC) 36,4 34,5 32,4 31,6 30,8 30,4 30 29,8 Tout,4  (oC) 38 36,8 34,8 33,6 32,9 32,5 32 31,8 Tout,5  (oC) 37,4 34,6 32,5 31,9 30,9 30,5 30,4 30,1 Tout, rata­rata    (oC) 36,72 34,58 32,72 32,0₂ 31,24 30,8 30,5₂ 30,3 56

(f) Spesimen 3

Tabel 4.3. Data hasil pengujian spesimen 3 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 2,95) Kecepatan aliran udara (m/s)

0,5 1 2 3 4 5 5,5 6

Tegangan heater   (V) 38 50 60 70 76 81 82 86 Arus heater     (A) 2 2,5 3 3,55 3,9 4,15 4,3 4,4 Tegangan fan     (V) 88 105 120 130 145 162 175 200 Arus fan     (A) 1,2 1,3 1,5 1,7 1,8 1,9 2 2,1 Beda  tinggi fluida  manometer         (mm) 0,5 0,9 1,7 2,25 2,75 3,5 4 4,5 Tin,1  (oC) 25,9 26,2 26,1 26,1 26,2 26,2 26,3 26,2 Tin,2  (oC) 25,9 26,1 26,1 26,1 26,1 26,2 26,2 26,2 Tin,3  (oC) 25,8 25,8 26 25,9 26,1 26,1 26,1 26,1 Tin,rata­rata       (oC) 25,87 26,0₃ 26,07 26,0₃ 26,13 26,17 26,2 26,17 Tbase,1  (oC) 60,2 59,8 60,3 60,5 61,4 60,6 59,2 59,1 Tbase,2  (oC) 60,5 60,3 61 60,8 60,2 59,9 60,1 60 Tbase,3  (oC) 59,1 60,2 59,9 60,4 60 59,6 59,3 59,4 Tbase,4  (oC) 61,4 60 59,3 60,2 61,5 60,8 58,4 58,3 Tbase,5  (oC) 58,6 58,5 58,6 59,1 58,7 58,5 59,2 59,5 Tbase,6  (oC) 60,9 62 61,8 62,1 61 61,2 64,9 65,5 Tbase,7  (oC) 61,7 62,1 60,7 62,1 63,6 63,6 60,6 60,5 Tbase,8  (oC) 58,4 58,8 57,9 57,4 57,3 57,6 58,5 59 Tbase,9  (oC) 60,4 61,2 59,9 60,6 60,7 62,2 63,3 64,3 Tbase, rata­rata  (oC) 60,13 60,3₂ 59,9₃ 60,3₆ 60,4₉ 60,4₄ 60,3₉ 60,62 57

Tout,1  (oC) 34 33,1 31,1 30,3 29,8 29,4 29,2 29,1 Tout,2  (oC) 33,6 32,4 30,9 30 29,5 29,2 29,1 29 Tout,3  (oC) 34,4 32,6 31,4 30,4 30,1 29,8 29,6 29,4 Tout,4  (oC) 35,4 34,2 32,5 32,1 31,8 31 30,9 30,7 Tout,5  (oC) 35,1 33,7 31,9 31 30,7 30,4 30,2 30,1 Tout, rata­rata    (oC) 34,5 33,2 31,56 30,76 30,3₈ 29,2₆ 29,8 29,66 58

(g) Spesimen 4

Tabel 4.4. Data hasil pengujian spesimen 4 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 3,94) Kecepatan aliran udara (m/s)

0,5 1 2 3 4 5 5,5 6

Tegangan heater   (V) 34 44 56 63 69 73 75 77 Arus heater     (A) 1,85 2,25 2,85 3,1 3,55 3,75 3,85 4 Tegangan fan     (V) 87 100 120 130 145 158 166 190 Arus fan     (A) 1,18 1,3 1,5 1,65 1,75 1,85 1,9 2 Beda tinggi fluida  manometer      (mm) 0,4 0,7 2 1,75 2 2,5 3 3,5 Tin,1  (oC) 26,2 26,3 26 26,3 26,2 26,3 26,2 26 Tin,2  (oC) 26,1 26,2 25,9 26,2 26,2 26,3 26,1 25,9 Tin,3  (oC) 26,1 26 25,9 26,2 26,1 26,2 26 25,9 Tin,rata­rata       (oC) 26,13 26,17 25,9₃ 26,2₃ 26,13 26,27 26,1 25,93 Tbase,1  (oC) 60,7 59,2 60,4 59,2 58,6 58,8 58,7 58,5 Tbase,2  (oC) 55,6 56,8 55,5 57 56,4 57,9 56,8 57,3 Tbase,3  (oC) 61 59,6 60,2 58,6 61,2 62,5 62,3 62,1 Tbase,4  (oC) 61,5 60,5 62,8 61,9 61,2 61,6 62,5 62,2 Tbase,5  (oC) 58,1 56 56,2 56,7 57,2 57,1 56,9 57,9 Tbase,6  (oC) 59,1 57,3 57,1 56,8 57,3 57,4 57,5 58,1 Tbase,7  (oC) 61,2 61,8 62,6 62,1 62,6 63,1 62,1 62,2 Tbase,8  (oC) 63,9 62,9 62,5 61,5 61,3 61,4 61,2 61 Tbase,9  (oC) 63,3 63,3 63,7 62,4 63,7 63,5 63,4 63,1 Tbase, rata­rata  (oC) 60,4₉ 59,71 60,11 59,5₈ 59,94 60,37 60,16 60,27 59

Tout,1  (oC) 32,5 31,7 30 29,5 29,3 28,9 28,8 28,6 Tout,2  (oC) 32,3 31 29,7 29,2 29 28,8 28,5 28,2 Tout,3  (oC) 33,5 32 30,3 29,8 29,4 29,3 28,9 28,7 Tout,4  (oC) 34,8 33,2 32,2 31,4 30,8 30,5 30 29,8 Tout,5  (oC) 33,1 31,6 30,2 30 29,5 29,4 29,1 28,8 Tout, rata­rata    (oC) 33,2₄ 31,9 30,4₈ 29,9₈ 29,6₄ 29,3₈ 29,0₆ 28,82 60

(h) Spesimen 5

Tabel 4.5. Data hasil pengujian spesimen 5 (pelat tanpa sirip) Kecepatan aliran udara (m/s)

0,5 1 2 3 4 5 5,5 6

Tegangan heater   (V) 20 27 34 39 44 47 49 51 Arus heater     (A) 1,25 1,5 1,85 2,1 2,3 2,5 2,6 2,65 Tegangan fan     (V) 90 105 120 134 147 162 185 240 Arus fan     (A) 1,2 1,3 1,6 1,65 1,8 1,9 2 2,1 Beda  tinggi fluida  manometer      (mm) 0,2 0,25 0,3 0,5 0,75 1 1,2 1,4 Tin,1  (oC) 26,2 26,2 26,1 26,1 26 26 25,9 25,9 Tin,2  (oC) 26,1 26 26,1 26 26 25,9 25,9 25,8 Tin,3  (oC) 26 25,9 26 25,9 25,9 25,9 25,8 25,7 Tin,rata­rata       (oC) 26,1 26,0₃ 26,07 26 25,97 25,9₃ 25,87 25,8 Tbase,1  (oC) 60,4 59,8 60,5 60,7 60,8 60 57,1 57 Tbase,2  (oC) 58,4 57,9 58,4 57,8 57,4 56,8 56,7 57,2 Tbase,3  (oC) 58,5 58 58,4 57,7 57,3 57,7 57,7 56,4 Tbase,4  (oC) 59,9 59,2 58,7 58,6 60,1 63 63,3 62 Tbase,5  (oC) 59,4 59,1 58,7 59,5 59,5 57,8 58,5 59,2 Tbase,6  (oC) 60,7 59,5 57,7 57,3 57,1 59 59,2 56,3 Tbase,7  (oC) 63 62,6 63,2 64,6 64,4 63,3 63,5 64,9 Tbase,8  (oC) 60,2 59,9 59,8 61,1 61,1 62,5 63,3 63,9 Tbase,9  (oC) 62,9 62,3 61,6 60,8 61,2 63,6 63,7 63,4 Tbase, rata­rata  (oC) 60,3₈ 59,81 59,67 59,74 59,8₈ 60,41 60,3₃ 60,03 61

Tout,1  (oC) 26,9 26,8 26,8 26,8 26,7 26,6 26,5 26,4 Tout,2  (oC) 26,1 26 26 26 25,9 25,8 25,8 25,7 Tout,3  (oC) 27 26,8 26,8 26,7 26,5 26,3 26,3 26,2 Tout,4  (oC) 32,2 31,8 31,2 30,7 30,5 30,5 30,3 30,2 Tout,5  (oC) 27 27 26,9 26,9 26,8 26,7 26,6 26,5 Tout, rata­rata    (oC) 28,8₄ 28,16 27,78 27,72 27,66 27,64 27,6 27,52 62

4.2 Perhitungan Data Data spesimen dan seksi uji: Panjang seksi uji (Lt) = 250 mm  = 0,25 m Tinggi sirip (H) = 75 mm  = 0,075 m Diameter sirip (d) = 12,7 mm  = 0,0127 m Panjang spesimen (L) = 200 mm  = 0,2 m Lebar spesimen (Wb)  = 150 mm  = 0,15 m Contoh perhitungan : 1. Spesimen 1 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 1,97)  pada kecepatan aliran udara 0,5 m/s Data hasil pengujian:

Tegangan heater = Vh = 43 V Tin, rata­rata = Tin = 25,8 oC = 298,8 K

Arus heater = Ih = 2,2 A Tout,, rata­rata = Tout= 36,6 oC = 309,6 K

Tegangan fan = Vf = 90 V Tbase, rata­rata = Tb = 59,7oC = 332,7 K

Arus fan = If = 1,2 A

Beda ketinggian fluida manometer = h = 0,5 mm a. Pumping power ϕ cos I V Pfan = f . f . 63

0,8 x A 2 1, x V 90 = W 4 , 86 = b. Temperatur film

(

)

2 out in f T T T = +

(

)

2 K 309,6 8 , 98 2 + = K 2 , 04 3 =   c. Properti udara pada temperatur film 3 m kg 475 1,1 = ρ (tabel Incropera) 

(

)

2 4 _{2] 10} 10 7 , 7 8185 , 9 [ x x T T x C_p = + − _in + _out 2 4 _{304,2] 10} 10 7 , 7 8185 , 9 [ ₊ x − x x = kg.K J 272 , 5 100 =

(

)

3 2 _{2] 10} 10 495 , 7 7415 , 3 [ ₊ − ₊ − = x x T T x k in out  _{=[3,7415+7,495x10}−2 _{x 304,2]x10}−3  =0,0265 W m.K

(

)

6 2 _{2] 10} 10 483 , 4 9934 , 4 [ + − + − = x x Tin Tout x µ 64

6 2 _{304,2] 10} 10 483 , 4 9934 , 4 [ ₊ − − = x x x m.s kg 0,00001863 = d. Luas penampang melintang saluran udara b W H A = . m 0,15 . m 0,075 = 2 m 0,01125 = e. Luas frontal dari sirip­sirip H d Afront =7 . m 0,075 x m 0,0127 x 7 = 2 0067 , 0 m = f. Luas total permukaan perpindahan panas       ₋ + = 4 . . . .L π d N H d W A_{s b f}       ₋ + = 4 m 0,0127 m 0,075 x 25 x m 0,0127 x 3,14 m 0,2 x m 0,15 2 m 02 0,1 = 65

g. Diameter hidrolik saluran udara  P A Dh 4 =

(

b

)

b W H W H + = 2 . . 4

(

0,075m 0,15m

)

x 2 m 0,15 x m 0,075 x 4 + = m 0,1 = h. Laju aliran panas dari heater ϕ cos . I . V Qelect = h h  =43V x 2,2A x 0,8  =75,7W i. Laju aliran massa udara V A m =ρ. . s m 0,5 x m 01125 , 0 x m kg 1,1475 3 2 = s kg 0,006 = 66

j. Laju perpindahan panas konveksi

(

out in

)

p conv m C T T Q =  . . −  =0,006kg s x1005,272J kg.K x

(

309,6−298,8

)

K  =70,3 W k. Heat losses yang terjadi pada seksi uji  % 100 x Q Q Q Q conv conv elect loss − = % 100 x W 3 , 70 W 3 , 70 75,7W− = % 7 , 7 = l. Koefisien perpindahan panas konveksi rata­rata

(

)

(

)

(

)

[

2

]

.

.

.

in out b s in out p a

_A

_T

_T

_T

T

T

C

m

h

+

−

−

=



(

)

(

)

(

)

[

332,7 K 309,6 298,8 K 2

]

x m 102 , 0 K 8 , 98 2 6 , 09 3 kg.K J 272 , 005 1 x s kg 006 , 0 2 _{− +} − =  ₌24,2 W m2.K  67

m. Bilangan Nusselt ρ Duct Nusselt number k D h Nu ₌ . h m.K W 0,0265 m 0,1 x .K m W 2 , 4 2 2 2 = 3 , 91 = ρ Pin Nusselt number

k

d

h

Nu

_D

=

.

  m.K W 5 0,026 m 0,0127 x .K m W 2 , 24 2 2 =  =11,6 n. Bilangan Reynolds ρ Duct Reynolds number 68

µ ρV Dh Re= . . m.s kg 00001863 , 0 m 0,1 x s m 0,5 x m kg 1475 , 1 3 2 = 7 , 3079 = ρ Pin Reynolds number µ ρ V d Re maks D . . = µ ρ V d A A A front . . . _       − = s . m kg 3 0,0000186 m 0,0127 x s m 0,5 x m 067 0,0 m 0,01125 m 0,01125 x m kg 75 1,14 _{2 2} 2 3     − = 2 , 960 =         o. Penurunan tekanan h g P =ρ. . ∆ 69

m 00075 , 0 s m 81 , 9 m kg 800 3 _x 2 _x = Pa 886 , 5 = p. Faktor gesekan                         = 2 Δ 2 V ρ D L P f h t

(

)

                = 2 s m 5 , 0 m kg 1475 , 1 m 1 , 0 m 25 , 0 Pa   5,886 2 3 _x =16,414

2. Spesimen tanpa sirip pada pumping power = 86,4 W Data hasil pengujian:

Tegangan heater = Vh = 20 V Tin, rata­rata = Tin = 26,1 oC = 299,1 K

Arus heater = Ih = 1,2 A Tout,, rata­rata = Tout= 27,8 oC = 300,8 K 

Tegangan fan = Vf = 90 V Tbase, rata­rata = Tb = 60,4 oC = 333,4 K

Arus fan = If = 1,2 A

Beda ketinggian fluida manometer = h = 0,2 mm q. Temperatur film

(

)

2 out in f T T T = +

(

)

2 K 8 , 300 1 , 99 2 + = K 95 , 299 =   r. Properti udara pada temperatur film 3 m kg 15 1,16 = ρ (tabel Incropera) 

(

)

2 4 _{2] 10} 10 7 , 7 8185 , 9 [ x x T T x C_p = + − _in + _out 2 4 _{299,95] 10} 10 7 , 7 8185 , 9 [ ₊ x − x x = kg.K J 1004,948 =  _{k =}[3,7415₊7,495_x10−2 _x

(

_{T +T}

)

2]_x10−3 out in 3 2 _{299,95] 10} 10 495 , 7 7415 , 3 [ ₊ − − = x x x m.K W 0,0262 =

(

)

6 2 _{2] 10} 10 483 , 4 9934 , 4 [ ₊ − ₊ − = x x Tin Tout x µ 71

6 2 _{299,95] 10} 10 483 , 4 9934 , 4 [ ₊ − − = x x x m.s kg 4 0,0000184 = s. Luas penampang melintang saluran udara b W H A = . m 0,15 . m 0,075 = 2 m 0,01125 = t. Luas total permukaan perpindahan panas b s L W A = . m 0,15 x m 0,2 = 2 m 0,03 = u. Diameter hidrolik saluran udara P A Dh 4 = 72

(

b

)

b W H W H + = 2 . . 4

(

0,075m 0,15m

)

x 2 m 0,15 x m 0,075 x 4 + = m 0,1 = v. Laju aliran panas dari heater ϕ cos . I . V Q_elect = _{h h}  =20V x 1,25A x 0,8  =20 W w. Laju aliran massa udara V A m =ρ. . s m 0,8 x m 01125 , 0 x m kg 1,1615 3 2 = s kg 0,01 = x. Perpindahan panas konveksi

(

out in

)

p conv m C T T Q =  . . −  =0,01kg s x1004,948J kg.K x

(

300,8−299,1

)

K 73

 =18,3W y. Heat loss yang terjadi % 100 x Q Q Q Q conv conv elect loss − = % 100 x W 3 , 8 1 W 3 , 18 W 20 − = = 9,4 % z. Koefisien perpindahan panas

(

)

(

)

(

)

[

2

]

.

.

.

in out b s in out p s

_A

_T

_T

_T

T

T

C

m

h

+

−

−

=



 

(

)

(

)

(

)

[

333,4 K 300,8 299,1 K 2

]

x m 0,03 K 1 , 99 2 8 , 00 3 kg.K J 948 , 004 1 x s kg 0,01 2 _{− +} − =  ₌18,2 W m2.K

aa. Unjuk kerja termal pada pin­fin assembly

(

ha hs

)

p

= η

.K m W 2 , 8 1 .K m W 2 , 4 2 2 2 = 33 , 1 = Selanjutnya data perhitungan untuk seluruh variasi pengujian dapat dilihat pada tabel 4.6 hingga tabel 4.15. 4.3 Analisis Data 

4.3.1  Pengaruh     Bilangan   Reynolds   dan   Jarak  Antar   Titik   Pusat   Sirip   Dalam   Arah   Streamwise  Terhadap   Karakteristik  Perpindahan Panas

Sirip­sirip silinder pejal dipasang secara selang­seling pada permukaan base plate sehingga mempunyai nilai perbandingan jarak  antar titik pusat sirip dalam arah streamwise dengan diameter sirip, Sy/D, sebesar 1,97, 2,36, 2,95, dan 3,94, sedangkan nilai perbandingan  jarak antar titik pusat sirip dalam arah spanwise dengan diameter sirip, Sx/D , konstan sebesar 2,95. Pengaruh bilangan Reynolds terhadap 

karakteristik perpindahan panas pada  cylindrical  fin pin assembly  susunan selang­seling  dapat dilihat pada gambar 4.2. Karakteristik  perpindahan panas pada cylindrical pin fin assembly susunan selang­seling dapat dilihat pada hubungan antara duct Nusselt number dan 

duct Reynolds number. Gambar 4.2 menunjukkan kelakuan bilangan Nusselt rata­rata terhadap bilangan Reynolds pada nilai – nilai Sy/D  yang berbeda­beda untuk susunan sirip selang­seling   0 75 150 225 300 375 450 525 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Gambar 4.2 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap bilangan Nusselt pada Sx/D = 2,95

Dari   gambar   4.2  dapat   dilihat   bahwa  bilangan   Nusselt   meningkat   dengan   kenaikan   bilangan   Reynolds,   hal  ini   terjadi   pada  Re x 103

N

u

Re x 103

keseluruhan nilai Sy/D. Peningkatan perpindahan panas ini berasal dari kenaikan turbulensi dan penurunan tebal lapis batas dengan  kenaikan laju aliran udara (Bilen, 2002). Dari fenomena ini terlihat bahwa bilangan Reynolds berpengaruh kuat pada laju perpindahan  panas. 

Gambar 4.4 menunjukkan kelakuan bilangan Nusselt rata­rata terhadap  Sy/D  pada bilangan Reynolds yang berbeda­beda untuk  susunan selang­seling. Dari gambar 4.4 dapat dilihat bahwa bahwa nilai Sy/D mempunyai pengaruh yang sedang (moderate effect) terhadap  perpindahan panas (Nu). Bilangan Nusselt naik sedikit dengan kenaikan Sy/D, mencapai maksimum pada Sy/D = 2,36 dan kemudian  menurun dengan kenaikan Sy/D. Fenomena ini serupa dengan penelitian terdahulu (Bilen, 2001, 2002). Dari gambar 4.3 dapat dilihat bahwa  dengan kenaikan bilangan Reynolds, maka nilai koefisien perpindahan panas konveksi (h) semakin besar. Semakin besar nilai koefisien  perpindahan panas konveksi, maka semakin besar laju perpindahan panas konveksi yang terjadi. 

0 25 50 75 100 125 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Gambar 4.3 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien perpindahan panas        konveksi rata­rata pada Sx/D = 2,95

Dari data­data penelitian ini dapat diperoleh korelasi matematis untuk karakteristik perpindahan panas dari  cylindrical pin fin 

assembly susunan selang­seling. Dari hasil penelitian untuk plat dengan sirip­sirip silinder susunan selang­seling, korelasi antara bilangan  Nusselt (Nu)  dengan bilangan Reynolds (Re), jarak antar titik pusat sirip (Sy) dan panjang spesimen uji (L) adalah sebagai sebagai berikut : h   (  W  /  m 2  K  ) Re x 103 78

(

)

0,235 578 , 0 Re 62 , 0 − = S L Nua a y ( 4.1 ) Korelasi perpindahan panas pada persamaan (4.1) berlaku valid untuk range bilangan Reynolds 3.000 < Re < 37.700, L/Dh = 2 dan  1,97 <  Sy/D < 3,94 Gambar 4.4 Pengaruh nilai Sy/D terhadap bilangan Nusselt pada Sx/D = 2,95 Sy/D N u 79

4.3.2  Pengaruh   Bilangan   Reynolds   dan   Jarak  Antar   Titik   Pusat   Sirip   Dalam   Arah   Streamwise  Terhadap   Karakteristik  Penurunan Tekanan

Pengaruh bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah streamwise terhadap penurunan tekanan (pressure drop) dan  faktor gesekan dari cylindrical pin fin assembly  susunan selang­seling berturut­turut dapat dilihat pada gambar 4.5. dan 4.6. Kelakuan  penurunan tekanan (∆ P) terhadap bilangan Reynolds (Re) serupa dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Yang et al (2007). Dari  gambar 4.5 dapat dilihat bahwa penambahan sirip­sirip pin silinder pejal dengan susunan selang­seling, menyebabkan penurunan tekanan  yang signifikan dibandingkan dengan penurunan tekanan pada permukaan tanpa sirip­sirip (smooth surface). Kelakuan faktor gesekan  terhadap bilangan Reynolds pada gambar 4.6  serupa dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Kakac et al (1987). Nilai penurunan  tekanan (∆ P) dan faktor gesekan (f) , semakin menurun dengan kenaikan nilai Sy/D. Hal ini disebabkan dengan semakin besar nilai Sy/D,  maka jumlah sirip­sirip silinder pejal akan semakin berkurang, sehingga tahanan terhadap aliran udara (resistance to flow) akan semakin  berkurang (Bilen, 2002).

Gambar 4.5 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap penurunan tekanan pada Sx/D = 2,95

Dari gambar 4.6 dapat dilihat bahwa nilai Sy/D lebih berpengaruh dibandingkan bilangan Reynolds terhadap nilai faktor gesekan (f).  Hal ini menunjukkan bahwa kenaikan faktor gesekan (f) seiring dengan berkurangnya nilai Sy/D pada dasarnya karena meningkatnya luas  permukaan halangan dan efek halangan (blockage effect)  akibat kenaikan jumlah sirip­sirip pin silinder pejal.

Δ  P  (P a) Re x 103 81

Gambar 4.6 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor gesekan pada Sx/D = 2,95

Dari data­data penelitian dapat dibuat korelasi matematis antara faktor gesekan (f) yang dihasilkan oleh susunan selang­seling sirip  pin silinder pejal dengan bilangan Reynolds (Re), jarak antar titik pusat sirip (Sy) dan panjang spesimen uji (L) sebagai berikut :

f

Re x 103

(

)

0,954 y 1,162 a a 25590  Re S L f ₌ − − _(4.2) Korelasi faktor gesekan pada persamaan (4.2) berlaku valid untuk range bilangan Reynolds 3.000 < Re < 37.700, L/Dh = 2 dan  1,97 < Sy/D  < 3,94. 4.3.3  Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Unjuk Kerja Termal Untuk tujuan aplikasi praktis, analisis unjuk kerja termal  menjadi sebuah pemikiran yang berguna untuk menentukan perolehan  energi netto karena adanya penambahan sirip­sirip. Gambar 4.7  menunjukkan hubungan antara unjuk kerja termal (η ) dengan dengan  bilangan Reynolds (Re) pada nilai Sy/D yang berbeda­beda untuk susunan sirip silinder pejal selang­seling (staggered). Perlu ditekankan  lagi disini bahwa untuk perolehan energi netto yaitu untuk perpindahan panas yang efektif, nilai η  harus lebih besar dari 1 (batas ambang  perolehan energi). Dari gambar 4.7 dapat dilihat bahwa nilai η  menurun dengan kenaikan bilangan Reynolds (Re) dan dapat dikatakan  bahwa untuk keseluruhan Sy/D dan Re, nilai  η   hampir semuanya diatas 1. Ini berarti bahwa pemakaian  cylindrical pin fin assembly 

susunan selang­seling untuk keseluruhan nilai Sy/D dan Re akan menghasilkan perolehan energi.

Jika nilai Sy/D semakin besar maka jumlah fin semakin sedikit karena Nf semakin kecil. Jika Sy/D semakin diperbesar maka akan  mendekati kondisi tanpa sirip. Berdasarkan rumus perhitungan unjuk kerja termal (pers 2.30), jika Sy/D semakin besar maka koefisien  perpindahan panas plat dengan sirip nilainya semakin mendekati koefisien perpindahan panas plat tanpa sirip sehingga nilai unjuk kerja  termalnya semakin mendekati 1.  Dari gambar  4.7  dapat dilihat  pada Sy/D = 3,94 nilai unjuk kerja termalnya semakin mendekati 1,  kemudian unjuk kerja termalnya semakin besar jika nilai Sy/D semakin diperkecil. Dari gambar 4.7 dapat dilihat bahwa pada Sy/D = 2,36 

menghasilkan unjuk kerja termal yang paling tinggi untuk keseluruhan Re, sehingga direkomendasikan penggunaan  cylindrical pin fin  assembly susunan selang­seling dengan nilai Sy/D = 2,36 untuk memperbaiki efisiensi suatu sistem. Perolehan energi netto dapat dicapai  hingga 47% untuk nilai Sy/D = 2,36 pada Re = 3.760. 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Gambar 4.7 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap unjuk kerja termal pada Sx/D = 2,95 η Re x 103 84

BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan  analisis  data   dan   pembahasan,   dapat   diambil   kesimpulan   mengenai   pengujian  karakteristik   perpindahan   panas   dan   penurunan   tekanan   serta   unjuk   kerja   termal   pada  staggered 

cylindrical pin fin array dalam saluran segiempat sebagai berikut :

1. Sirip   pin   silinder   susunan   selang­seling   (staggered)   meningkatkan   perpindahan   panas   dari  permukaan  base plate  sebagai hasil dari kenaikan luasan permukaan perpindahan panas dan  turbulensi, tetapi dengan mengorbankan penurunan tekanan (pressure drop) yang lebih besar  dalam saluran segiempat.

2.  Kenaikan bilangan Reynolds (Re) meningkatkan laju perpindahan panas, tetapi kenaikan Sy/D  meningkatkan   perpindahan   panas   hingga   Sy/D   =   2,36   setelah   itu   menyebabkan   penurunan  perpindahan panas. 3. Penurunan tekanan dan faktor gesekan (f) meningkat seiring dengan berkurangnya nilai Sy/D. 4. Kenaikan bilangan Reynolds akan menurunkan unjuk kerja termal (η ) untuk keseluruhan nilai  Sy/D. 5. Unjuk kerja termal meningkat dengan kenaikan Sy/D hingga Sy/D = 2,36 dan kemudian menurun  dengan kenaikan Sy/D.

6. Sirip   pin   silinder   susunan   selang­seling   (staggered)   dapat   mencapai   perolehan   energi     netto  hingga 47% untuk nilai Sy/D = 2,36 pada Re = 3.760

5.2 Saran

Berdasarkan   pengalaman   yang   diperoleh   dari   penelitian  tentang   pengujian   karakteristik  perpindahan panas dan penurunan tekanan pada  staggered cylindrical pin fin array  dalam saluran  segiempat ini, direkomendasikan beberapa saran sebagai berikut :

3. Menggunakan   peralatan   yang   mendukung   pengambilan   data   dengan   data   akusisi   agar  pengambilan data menjadi lebih mudah.

4. Peningkatan   kualitas   pendingin   ruangan   dan   pengadaan   pemanas   ruangan   agar  temperatur  ruangan yang dikehendaki untuk pengambilan data dapat tercapai dalam semua kondisi cuaca. 5. Mengadakan penelitian lebih lanjut mengenai karkteristik perpindahan panas dan penurunan