ANALISIS PENGARUH VARIASI JARAK ANTAR SIRIP DAN LAJU
ALIRAN TERHADAP KOEFISIEN PERPINDAHAN KALOR PADA ALAT
PENUKAR KALOR PIPA GANDA BERSIRIP ENAM JARUM
DENGAN ALIRAN LAWAN ARAH
Khoirudin
Prodi. Teknik mesin, FT, UTA’45 Jakarta
Kampus UTA 45, Jl. Sunter Permai Raya No. 1, Jakarta Utara , Tlp/ Fax 021 64715666
ABSTRACK
This study presents an experimental investigation of the effect of variation distance
between the fins of six pin, variation inside flow rates, variation outside flow rates against heat transfer coefficient of a counter flow heat exchanger.
This study uses double pipes are used for the inside of the copper pipe size 1/2 inch of hot water is flowing and the outside using a 1-inch aluminum pipe that fed cold water. The sample used in
this study is a six-pin finned pipe with variation distance between the fin 10mm, 15mm, and 20mm. The variation inside flow rates used 0,06 lt/s, 0,08 lt/s, and 0,1 lt/s. Outside flow rates used 0,07 lt/s,
0,1 lt/s, and 0,13 lt/s.
The result showed differences in the value of heat transfer coefficient from the variation of the
distance between the fins of six pin, the inside flow rates, and outside flow rates which the smallest heat transfer coefficient is the pipe without the fins,the inside flow rates of 0,06 lt/s and the outside
flow rates 0,07 lt/s with heat transfer coefficient 890,74 W/m2˚C and the optimal heat transfer coefficient is the pipe with distance between the fins 15mm, the inside flow rates of 0,1 lt/s and the outside flow rates 0,13 lt/s with heat transfer coefficient 1784,84 W/m2˚C.
Keywords: Double pipe heat exchanger, Variation distance between the fins, Pin finned tube, Counter flow.
PENDAHULUAN
Alat penukar kalor merupakan salah satu alat yang cukup banyak diaplikasikan baik dalam dunia industri maupun lingkungan sekitar.Banyak peralatan industri yang menggunakan alat penukar kalor menjadikan laju perpindahan kalor dalam suatu alat penukar kalor menjadi pertimbangan penting
karena berhubungan langsung dengan ukuran dan biaya operasional.
Beberapa metode telah digunakan untuk meningkatkan laju perpindahan kalor seperti
laju aliran pipa luar sebesar 0,13 lt/s, 0,1 lt/s, 0,07 lt/s (TB)(Hastuti,2010), penambahan sirip jarum dengan variasi jumlah 2, 4, dan 6, menggunakan variasi laju aliran pipa dalam 0,06 lt/s, 0,08 lt/s, 0,1 lt/s dan laju aliran pipa luar sebesar 0,13 lt/s, 0,1 lt/s, 0,07 lt/s (SJ)(Widowati,2010).
DW memiliki kelebihan koefisien perpindahan kalor total terbesar adalah variasi jumlah sirip 6 dengan jarak antar sirip 10 cm (6/10) menggunakan pipa tembaga dengan nilai koefisien perpindahan sebesar 1186.567 (W/m2C) sedangkan koefisien perpindahan kalor terkecil pada variasi jumlah sirip 4 dengan jarak antar sirip 20 cm (4/20) menggunakan pipa stainless steel sebesar 468.019 (W/m2C),TB memiliki kelebihan koefisien perpindahan kalor optimal adalah pada bentuk sirip tanpa lengkung, laju aliran dalam 0,08 lt/s dan laju aliran luar 0,13 lt/s yaitu sebesar 0,04867,sedangkan perpindahan kalor terkecil pada interaksi bentuk sirip dua lengkung, laju aliran dalam 0,06 lt/s dan laju aliran luar 0,07 lt/s yaitu sebesar 0,03357. SJ memiliki kelebihan koefisien perpindahan kalor tinggi adalah pada sirip 6 jarum,sedangkan koefisien perpindahan kalor yang rendah pada sirip 2 jarum untuk semua variasi laju aliran.
Dari Metode DW dapat disimpulkan variasi jarak sirip penukar kalor berpengaruh terhadap koefisien perpindahan kalor dan bahan tembaga mempunyai konduktifitas termal lebih baik dibanding alumunium dan stainless steel.Dari metode TB dapat disimpulkan sirip tanpa lengkung memiliki koefisien perpindahan kalor lebih baik daripada sirip 2 lengkung.Dari metode SJ dapat disimpulkan sirip 6 jarum mempunyai koefisien perpindahan kalor paling tinggi dibanding sirip 2 jarum dan 4 jarum.
Dari data diatas maka penulis akan mencoba menggunakan metode gabungan yaitu menggunakan pipa tembaga sebagai pipa dalam dengan 6 sirip jarum tanpa lengkung dengan variasi jarak 10 mm,15 mm,dan 20 mm menggunakan variasi laju aliran pipa dalam 0,06 lt/s, 0,08 lt/s, 0,1 lt/s dan laju aliran pipa luar sebesar 0,13 lt/s, 0,1 lt/s, 0,07 lt/s.Dengan metode ini diharapkan dapat menghasilkan alat penukar kalor yang memiliki koefisien perpindahan kalor menyeluruh tinggi.
LANDASAN TEORI
Penukar kalor (heat exchanger) adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan panas dari suatu fluida ke fluida lainnya. Penukar kalor mempunyai banyak jenis. Berdasarkan fluidanya penukar kalor dibedakan menjadi tiga macam, yaitu aliran sejajar (paralel flow), aliran lawan arah (counter flow), dan aliran silang (crossflow). Pada penelitian ini yang digunakan adalah penukar kalor lawan
arah (counter flow)
Dalam usaha untuk mendapatkan laju perpindahan panas yang lebih besar dan meningkatkan nilai efektifitas penukar kalor, salah satu metode yang digunakan adalah dengan cara menambah luas penampang yang memungkinkan terjadinya perpindahan panas lebih besar, sesuai dengan persamaan umum penukar kalor di bawah ini :
Dengan ΔT yang konstan, maka laju perpindahan kalor (Q) akan meningkat bila luasan perpindahan kalor (A) ditambah.
Koefisien perpindahan panas total untuk silinder berlubang yang terkena lingkungan konveksi di permukaan bagian dalam dan luarnya, analogi tahanan listriknya sama dengan:
=
( ) (2)
Besaran A1 merupakan luas penampang dalam dari pipa dan A0 adalah luas penampang luar dari
pipa. Koefisien perpindahan panas total dapat dinyatakan dengan persamaan:
= (3)
Koefisien perpindahan kalor pada masing-masing proses perpindahan kalor dapat dijabarkan sebagai berikut:
1. Koefisien perpindahan kalor konveksi pipa bagian dalam (hi)
(4) Dh = Diameter hidrolis (m)
(5)
2. Koefisien perpindahan kalor konveksi pada bagian luar (ho)
(6)
Dh = Diameter hidrolis (m)
= 4 ( )
( ) (7)
∆ = ( ) ( )
[( ) ( )] (10)
Untuk menunjukkan efektivitas sirip dalam memindahkan sejumlah kalor tertentu, dirumuskan suatu parameter baru yang disebut efisiensi sirip (finefficiency)
= 1− (1− ) (11)
Bila ada fluida mengalir sepanjang suatu permukaan, baik laminer atau turbulen, maka gerakan partikel di dekat permukaan akan diperlambat oleh gaya viskos. Pengaruh gaya viskos ini akan mempengaruhi fluida secara umum. Untuk mengetahui pengaruh gaya viskos ini, digunakan suatu besaran tanpa dimensi yang disebut bilangan Reynolds (Reynolds Number). Bilangan Reynolds merupakan perbandingan antara gaya-gaya kelembaman terhadap gaya-gaya viskos.
= . . (12)
Bilangan Prandtl merupakan bilangan tak berdimensi yang menyatakan perbandingan antara viskositas kinematik fluida dengan difusivitas termalnya dan dinyatakan sebagai:
= (13)
Bilangan Nusselt untuk aliran dalam tabung didapatkan dengan persamaan sebagai berikut :
= (14)
METODE PENELITIAN
Bahan penelitian yang digunakan untuk mendapatkan data adalah air sebagai fluida cair. Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah:
1. Pipa Tembaga
a. Pipa lurus tanpa sirip dengan diameter 12,7 mm dan panjang 750mm.
b. Pipa lurus dengan sirip enam jarum yang memiliki variasi jarak antar sirip 10 mm, 15 mm, 20 mm.
2. Heater, sebagai pemanas air
3. Pompa, digunakan untuk mengalirkan air
4. Tangki, digunakan untuk tempat penyimpanan air yang dipanaskan dan air yang dingin. 5. Kran, digunakan untuk membuka dan menutup aliran air.
6. Flowmeter, digunakan untuk mengukur laju aliran air.
7. Termometer, digunakan untuk mengukur temperatur air masuk, temperatur air keluar.
Gambar 1. Desain Eksperimen Alat Penukar Kalor
Gambar 2. Pipa Tembaga Dengan Sirip Enam Jarum
JALANNYA PENELITIAN
Peralatan yang diperlukan selama proses pengujian dipersiapkan dan disusun seperti terlihat pada gambar 1.
Langkah-langkah pengujiannya sebagai berikut: 1. Memasang pipa polos kedalam pipa alumunium.
2. Sebelum pengujian, terlebih dahulu menghidupkan alat pemanas air.
3. Air dipanaskan hingga mencapai suhu 60 C dan suhu dijaga agar tetap konstan dengan termocontrol.
4. Mengalirkan air panas ke pipa tembaga dengan laju aliran 0,1 lt/s dengan menghidupkan pompa. 5. Mengalirkan air dingin ke pipa alumunium dengan laju aliran 0,13 lt/s.
6. Setelah mencapai kondisi tunak, maka dilakukan pengambilan data-data yang diperlukan, yaitu temperatur air panas masuk, temperatur air panas keluar, temperatur air dingin masuk, dan temperatur air dingin keluar.
7. Mengulangi langkah pengujian nomor 4 untuk laju aliran air dingin 0,1 lt/s dan 0,07 lt/s dengan laju aliran air panas tetap 0,1 lt/s.
8. Mengulangi langkah pengujian nomor 3 s/d 5 diulangi untuk laju aliran air panas 0,08 lt/s dan 0,06 lt/s.
9. Mengulangi langkah pengujian nomor 1 s/d 7 untuk pipa bersirip enam jarum dengan jarak antar sirip 10mm, 15mm, dan 20mm.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Berikut ini dapat dilihat adanya pengaruh variasi jarak antar sirip, laju aliran dalam dan laju aliran luar terhadap koefisien perpindahan kalor:
Gambar 5. Pengaruh Variasi Jarak antar Sirip pada Laju Aliran Dalam 0,08 lt/s terhadap koefisien perpindahan panas.
Gambar 6. Pengaruh Variasi Jarak antar Sirip, Laju Aliran Dalam 0,1 lt/s terhadap koefisien perpindahan panas.
Gambar 4, 5, dan 6 dapat diamati bahwa dengan adanya penambahan sirip jarum dapat meningkatkan koefisien perpindahan kalor. Penambahan sirip jarum dimaksudkan untuk memperluas penampang perpindahan kalor, akan tetapi kerapatan jarak antar sirip justru mengurangi koefisien perpindahan kalor. Holman J.P (1995:44), mengemukakan bahwa “Efisiensi sirip mencapai nilai maksimumnya untuk kasus trivial dimana L=0, yaitu jika tidak ada sirip sama sekali”. Sirip jarum dengan jarak antar sirip 10mm memiliki penampang yang paling luas, akan tetapi memiliki koefisien perpindahan kalor lebih rendah jika dibandingkan sirip 15mm.
Tabel 1. Rerata Hasil Perhitungan Koefisien Perpindahan Kalor
Faktor B Laju aliran dalam
Aliran Dalam 0,06 lt/s Aliran Dalam 0,08 lt/s Aliran Dalam 0,1 lt/s
Faktor C Laju Aliran Luar (lt/s) Faktor C Laju Aliran Luar (lt/s) Faktor C Laju aliran Luar (lt/s)
0.07 0.1 0.13 0.07 0.1 0.13 0.07 0.1 0.13
Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan dan diuraikan pada bab IV didapat bahwa dengan mengacu pada perumusan masalah, maka dapat disimpulkan bahwa:
a. Penambahan sirip pada alat penukar kalor pipa ganda berpengaruh terhadap koefisien perpindahan kalor.
b. Laju aliran dalam berbanding lurus terhadap koefisien perpindahan kalor. c. Laju aliran luar berbanding lurus terhadap koefisien perpindahan kalor
d. Pengaruh bersama (interaksi) antara variasi jarak antar sirip, laju aliran dalam dan laju aliran luar yang menghasilkan koefisien perpindahan kalor paling tinggi terjadi pada interaksi jarak antar sirip 15 mm, laju aliran dalam 0,1 lt/s dan laju aliran luar 0,13 lt/s yaitu sebesar 1784,84 W/m2˚C.
2. Saran
Berdasarkan hasil penelitian yang diperoleh maka dapat disampaikan saran-saran sebagai berikut:
a. Untuk meningkatkan koefisien perpindahan kalor dapat dilakukan dengan memperhatikan jumlah sirip, kerapatan jarak antar sirip, laju aliran fluida.
b. Untuk penelitian selanjutnya yang sejenis sangat baik apabila dianalisis faktor-faktor atau variabel-variabel lain seperti pressure drop pada alat penukar kalor pipa ganda.
UCAPAN TERIMAKASIH
DAFTAR PUSTAKA
Awwaludin, Muhammad. (2007). Analisis Perpindahan Kalor pada Heat Exchanger Pipa Ganda dengan Sirip Berbentuk Delta Wing. Skripsi, Semarang: Universitas Negeri Semarang.
Fakultas Teknik.
Cengel, Yunus A. (2007). Heat Transfer A Practical Approach (2 ed). New York: Mc Graw-Hill Book Company.
Hastuti, Martina. E. T. (2010). Analisis Perpindahan Kalor Pada Alat Penukar Kalor Pipa Ganda Dengan Sirip Tegak Beralur. Skripsi, Surakarta: Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan.
Holman, J. P. (1995). Perpindahan Kalor (6 ed). Alih Bahasa E. Jasjfi. Jakarta: Erlangga. Kern, Donald Q. (1965). Process Heat Transfer. Singapore: McGraw-Hill Co.
Kreith, Frank. (1986). Prinsip-prinsip Perpindahan Panas.(3 ed).Alih Bahasa Arko Prijono.
Jakarta: Erlangga.
Nabati, Hamid. (2008). Optimal Pin Fin Heat Exchanger Surface. Thesis. Vasteras: Malardalen University Sweden. Development of Society and Technology
Wicaksono,A.J(2013) Analisis Perpindahan Kalor Pada Alat Penukar Kalor Pipa Ganda Bersirip Enam Jarum. Skripsi, Surakarta: Universitas Sebelas Maret Surakarta. Fakultas Keguruan dan
Ilmu Pendidikan.
Widowati, I.R. (2010). Analisis Perpindahan Kalor Pada Alat Penukar Kalor Pipa Ganda Dengan Sirip Berbentuk Jarum (Pin Fins). Skripsi, Surakarta: Universitas Sebelas Maret Surakarta.
