A-417
STUDI EKSPERIMEN PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI PAKSA INTERNAL PADA SALURAN BENTUK SILINDER DAN PERSEGI
Qurniawan Zen Al Faris1, Arrad Ghani Safitra2, Setyo Nugroho3
Sistem Pembangkit Energi, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Kampus ITS Sukolilo, Jl. Raya ITS, Keputih, Sukolilo, Keputih, Kota Surabaya, Jawa Timur 60111
E-mail: [email protected]
ABSTRACT
Forced convection inside a pipe is a case of convection mass transfer for internal flow. Main parameter of internal flow forced convection is a convection coefficient number (h). One of the ways to increasing the convection coefficient number is changing the cross section of the channel. But, there are some other factors that affect the convection coefficient number such as fluid velocity, surroundings temperature, and the number of heat flux. The study was conducted experimentally by making a channel from aluminum with cylinder and square cross section form. With 1.5 m length hydraulic diameter 0.0762 m, which aims to find out the characteristics of internal flow forced convection heat transfer. The channel surface is fully isolated to minimize the value of heat losses caused by the ambient temperature, so that the same thermal energy is obtained along the channel. Heating on the surface of the channel uses an electric heater with a capacity of 223.52 watts. Then the air fluid is channeled through the channel at a speed of 3.6 m / s and 5 m / s using an electric blower regulated by a valve. Testing is carried out in a room where the temperature is conditioned, taking temperature data using a temperature sensor (thermistor) within 25 cm of each sensor mounted on the surface of the channel wall. Data processing uses software engineering equation solver (EES) to improve the analysis of experimental results. From the analysis results obtained, the square channel convection coefficient number is greater than the cylinder form channel of 22,84; 22,77; 22,72; 22,7; 22,69; 22,72 W / m2K.
Keywords : convection coefficient, heat transfer rate, internal flow, pipe shape, temperature surface
INTISARI
Konveksi paksa di dalam pipa merupakan kasus perpindahan panas konveksi untuk aliran internal.
Parameter utama yang dilihat pada konveksi paksa internal flow adalah nilai koefisien konveksi (h). Salah satu cara untuk meningkatkan nilai koefisien konveksi adalah merubah geometri penampang saluran. Namun, terdapat beberapa faktor lain yang mempengaruhi nilai koefisien konveksi antara lain, kecepatan aliran fluida, temperatur lingkungan serta nilai dari heat flux. Penelitian dilakukan secara eksperimen dengan membuat saluran dari bahan alumunium berbentuk silinder dan persegi. Dengan panjang 1,5 m berdiameter hidrolik sebesar 0,0762 m, yang bertujuan untuk mengetahui karakteristik perpindahan panas konveksi paksa internal flow. Permukaan saluran diisolasi penuh untuk memperkecil nilai kerugian panas yang diakibatkan temperature lingkungan, sehingga didapatkan enrgi panas yang sama di sepanjang sluran. Pemanasan pada permukaan saluran menggunakan electric heater berdaya 223,52 watt. Kemudian fluida udara dialirkan melalui saluran dengan kecepatan 3,6 m/s dan 5 m/s menggunakan electric blower yang diatur dengan valve. Pengujian dilakukan didalam ruangan yang temperaturnya dikondisikan, pengambilan data temperatur menggunakan sensor temperatur (thermistor) berjarak 25 cm tiap sensor yang terpasang pada permukaan dinding saluran. Pengolahan data menggunakan software engineering eguation solver (EES) untuk mempermuda dalam menganalisa hasil eksperimen. Dari hasil analisa diperoleh, nilai koefisien konveksi saluran bentuk persegi lebih besar dibanding saluran bentuk silnder sebesar 22,84; 22,77; 22,72; 22,7; 22,69; 22,72 W/m2K.
Kata kunci : bentuk pipa, internal flow, koefisien konveksi, laju perpindahan panas, temperatur permukaan
1. PENDAHULUAN
Proses perpindahan panas secara konveksi adalah perpindahan panas dari suatu tempat ke tempat lain yang disebabkan oleh perpindahan fluida (cair atau gas). Konveksi terbagi menjadi dua yakni, secara alami yang disebabkan oleh gaya apung yang berasal dari perbedaan masa jenis akibat perbedaan temperatur dalam fluida dan
A-418
secara paksa ketika aliran di dalam fluida diinduksi oleh benda eksternal, seperti kipas, pengaduk, dan pompa(Walujodjati, 2009). Konveksi paksa dalam saluran merupakan persoalan perpindahan panas konveksi untuk aliran dalam atau yang disebut dengan internal flow. Adapun aliran yang terjadi dalam saluran adalah fluida yang dibatasi oleh suatu permukaan. Sehingga lapisan batas tidak dapat berkembang secara bebas.
Perpindahan panas konveksi sebagai perpindahan energi terjadi dalam fluida, diakibatkan dari efek konduksi dan pergerakan kasar suatu fluida. Energi yang dipindahkan berupa energi dalam fluida. Dengan memperhatikan kondisi aliran fluida, tanpa melihat cara perpindahan panas konveksi, persamaan laju dinyatakan dalam bentuk q"=h(Ts-T∞). Dimana q" adalah flux panas konveksi (W⁄m2 ) yang berbanding lurus dengan perbedaan temperatur antara permukaan & fluida untuk masing-masing Ts dan T∞. Sedangkan h adalah koefisien konveksi lokal atau koefisien perpindahan panas (Walujodjati, 2009). Adapun koefisien perpindahan panas tergantung pada geometri permukaan, cara pergerakan dari fluida dan sifat termodinamika serta transport dari fluida.
Karena Perpindahan panas adalah fenomena yang biasanya berhubungan dengan energi, maka pada dasarnya perubahan energi selalu ada pada kasus proses perpindahan panas, oleh sebab itu banya sekali pengujian yang bertujuan untuk memaksimalkan proses perpindahan panas terutama pada konveksi internal flow. Dengan penerapan pada beberapa bidang seperti, saluran idustri sebagai transfer fluida serta boiler pada industri pembangkit.
Maka untuk menunjang pengetahuan dan kebutuhan dalam pembelajaran, dilakukan studi eksperimen perpindahan panas konveksi paksa internal flow untuk mengetahui pengaruh dari beberapa variasi pada nilai koefisien perpindahan panas. Pada eksperimen ini menggunakan saluran berbentuk silinders dan persegi. Saluran tersebut terbuat dari material aluminium yang memiliki nilai diameter hidrolik yang sama sebesar 3 in (0,0762m), dengan tiap Saluran memiliki panjang 1,5 m.
Perbedaan bentuk tersebut adalah untuk mengetahui besarnya distribusi temperatur dari nilai koefisien perpindahan panas yang dipengaruhi oleh perbedaan geometri. Dalam menentukan karakteristik aliran atau cara dari pergerakan fluida, digunakan metode perhitungan Dittus Boelter dari beberapa metode perhitungan yang ada dengan menggunakan software engineering eguation solver (EES).
2. METODE PENELITIAN 2.1 Alat Penelitian
Terdapat satu blower elektrik tipe keong untuk mengalirkan udara kedalam saluran uji, satu regulator berkapasitas 1kw yang digunakan untuk mengatur tegangan pada heater, modul sensor temperatur, anemo, tang ampere dan pengaman arus berlebih.
A-419
Gambar 1. Proses flow diagram alat konveksi paksa
Detail komponen serta sepesifikasi yang digunakan dalam sistem pengujian perpindahan panas konveksi dalam saluran ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi komponen yang digunakan dalam sistem pengujian perpindahan pans konveksi dalam saluran
Nama Komponen Spesifkasi
Regulator 1kVA, 220V, 50/60 Hz Oki
NTC 10k, toleransi 5%, max 400C
Saklar 3 posisi 240V, 3A, Schneider
Arduino Mega 2560
MCB 1 switch, 6A
Sekrig 6 A
Anemo V : 0-30m/s, Digital
Tang ampere 400mV-600V, 40A-600A, Uni-T UT204A
2.2 Sistem Pengujian
Gambar 2. Sekema proses model alak konveksi paksa dalam saluran
Penelitian dilakukan didalam ruangan yang temperaturnya dikondisikan. Sistem ini merupakan sistem terbuka, dimana fluida kerja yang digunakan berupa udara bebas. Udara tersebut akan dialirkan dengan
Blower
Panel Box
Modul Sensor Temperatur
Heater 1 Heater 2 Heater 3 Heater 4 Heater 5
Pipa Uji Signal
bluetooth Phone
T out
T in T1 T2 T3 T4 T5 T6
A-420
menggunakan blower ke dalam saluran yang dipanaskan dengan heater. Selanjutnya akan dialirkan langsung ke lingkungan.
Variasi yang dilakukan meliputi, bentuk penampang saluran yakni silinder dan persegis serta mengubah kecepatan alir udara dengan kecepatan 3,6 dan 5 m/s. Pengambilan data untuk nilai temperatur menggunakan thermocouple, data yang terbaca akan disimpan mengunakan penyimpanan data (hand phone), untuk pengambilan data kecepatan fluida digunakan anemometer, serta untuk pengambilan data tegangan dan arus pada heater menggunakan multimeter. Pengendalian pada kecepatan fluida udara menggunakan valve dan daya pada heater menggunakan regulator.
Data yang diperoleh adalah niali arus dan tegangan, kecepatn udara, temperatur udara masuk dan keluar saluran, serta temperatur permukaan tiap titi. Dari hasil eksperimen dilakukan pengolahan data menggunakan software engineering eguation solver (EES).
2.3 Engineering Equation Solver (EES)
Engineering Equation Solver (EES) fungsi dasar aplikasi ini yaitu solusi dari satu set persamaan aljabar.
EES merupakan aplikasi yang efisien yang dapat memecahkan ratusan linear ditambah non-linear persamaan aljabar. EES dapat juga digunakan untuk memecahkan awal persamaan nilai diferensial.
Dalam memecahkan persamaan yang ada Engineering Equation Solver EES memiliki fungsi built-in matematika dan fungsi thermophysical propertis yang disediakan oleh aplikasi EES. Misalnya tabel uap yang diimplementasikan sehingga setiap property termodinamika dapat diperoleh dari built-in fungsi (Klein, 2017).
Kegunaan serupa juga disediakan untuk fluida yang berbeda seperti, ammonia, nitrogen, metana, propane, semua refrigerant CFC umum, R-134a dan lain sebagainya. Fungsi property thermophysical beroprasi baik dalam satuan SI dan Inggris unit. Dan juga dapat menambahkan data tambahan secara manual oleh pengguna.
Aplikasi ini memberikan pengguna kemampuan untuk melakukan setudi parametik. Variable yang dipilih dapat dimasukkan dalam tabel spreadsheet yang memungkinkan pengguna dapat menentukan variabel independen, dengan memasukkan nilai-nilai dalam sel tabel. Aplikasi ini akan memecahkan persamaan untuk menentukan nilai dari seluruh variabel dipenden (Klein, 2017). Berikut adalah formula EES Perhitungan Nilai Koefisien Konveksi Tiap Bentuk penampang saluran.
{perhitungan diameter hidrolik pipa bulat}
A_l=3.14*((D_m/2)^2) P_l=3.14*D_m D=3[in]
D_m=D*convert(in,m) DH=(4*A_l)/P_l {properti Temperature}
//Tm_in=[k]
//Tm_out=[K]
T_inf=(Tm_in+Tm_out)/2
//T_s=[K]
T_f=(T_s+T_inf)/2
{Perhitungan Reynold Number}
//V=[m/s]
P=1[atm]*convert(atm,kpa) mu=Viscosity(Air,T=T_f) rho=Density(Air,T=T_f,P=P) inersia=rho*V*DH
Re_D=inersia/mu
{Perhitungan Nusslet Number}
A-421 k_f=Conductivity(Air,T=T_f)
Pr=Prandtl(Air,T=T_f)
N_ud=0.0243*(Re_D^(4/5))*(Pr^(0.4))
{Perhitungan Nilai Koefisien Konveksi}
h=(N_ud*k_f)/DH
2.4 Pengolahan Data
Dalam menentukan jenis aliran fluida, dapat diketahui dengan menghitung rasio perbandingan antara gaya inersia terhadap viskos yang mendeskripsikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu (Xu, J. H, 2017).
µ
m D u Re
2300
Re = laminar
000 ,
10
Re = turbulen
Bilangan Reynold merupakan besaran fisis yang tidak berdimensi. Bilangan ini dipergunakan sebagai acuan untuk mengetahui jenis-jenis aliran yang berlangsung dalam fluida. Hal ini didasarkan pada suatu keadaan bahwa dalam satu tabung/ saluran atau dalam suatu tempat mengalirnya fluida, sering terjadi perubahan bentuk aliran yang satu menjadi aliran yang lain. Perubahan bentuk aliran ini pada umumnya tidak terjadi secara tiba-tiba tetapi memerlukan waktu, yakni suatu waktu yang relative pendek dengan diketahuinya kecepatan kritis dari suatu aliran. Kecepatan kritis ini pada umumnya dipengaruhi oleh jenis fluida yang lewat dalam saluran.
Bilangan Prandtl merupakan rasio kinetic viskositas fluida dengan difusivitas kalor , dimana bilangan Prandtl merupakan properti thermodinamika dari fluida (Incropera,2014).
k cp v
Pr µ
Terdapat beberapa perhitungan yang digunakan untuk mencari nilai koefisien perpindahan panas. Pada metode perhitungan Dittus Boelter dijelaskan terdapat dua perhitungan yakni, keadaan saat pemanasan material (Ts>Tm) serta pendinginan material (Ts<Tm) dengan nilai n yang berbeda. nilai n berpengaruh terhadap hasil perhitungan dari nusselt number, semakin besar nilai n maka niali nusselt number semakin besar dan semakin besar pula nilai koefisien perpindahan panas (Incropera,2014).
Re Pr k
h Dh
NuD 4 5 0,4
0243 ,
0
Nilai Dh dapat dicari dengan menggunakan persamaan
P A Dh 4
Dengan ketentuan sebagai berikut:
A-422
10
000 , 10 Re
160 6
, 0
D L
D Pr
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari penelitian yang telah dilakukan, didapatkan bahwa nilai koefisien perindahan panas konveksi berbeda disetiap bentuk saluran penampang silinder, persegi dan segitiga dengan nilai diameter hidrolik 0,0762m.
Hal tersebut menunjukkan tiap saluran dengan bentuk penampang memiliki karakteristik perpindahan panas konveksi yang beragam. Untuk mengetahui karakteristik tersebut dapat diketahui dari hasil analisis eksperimen dengan variasi skala heater dan kecepatan alir udara menggunakan perhitungan metode Dittus Boelter.
3.1 Data Hail Penelitian Perpindahan Panas Konveksi Paksa
Penelitan dilakukan di Laboraturium Termal Program Studi D4 Sistem Pembangkit Energi, PENS. Data yang didapat berupa temperatur permukaan saluran (Ts), temperatur udara masuk saluran (Tin), temperatur udara keluar saluran (Tout), tegangan masuk heater (V), arus masuk heater (A), nilai koefisien perpindahan panas konveksi (h), bilangan tak berdimensi Nuselt number (Nu) dan Reynold number (Re). Data hasil penelitian ditunjukkan secara detail pada Tabel 2.
Tabel 2. Tabel Data hasil penelitian kecepatan udara 5 m/s
Bentuk penampang
saluran Tin
(ºC) T1
(ºC) T2
(ºC) T3
(ºC) T4
(ºC) T5
(ºC) T6
(ºC) Tout
(ºC) Silinder 28,69 33,11 40,42 42,84 43,71 44,71 42,96 34,08
Persegi 29,62 33,86 37,3 39,36 40,54 41,14 39,36 34,52 kecepatan udara 3,6 m/s
Bentuk penampang
saluran Tin
(ºC) T1
(ºC) T2
(ºC) T3
(ºC) T4
(ºC) T5
(ºC) T6
(ºC) Tout
(ºC) Silinder 28,49 35,31 46 48,94 50,33 52,3 48,94 37,75
Persegi 29,62 34,85 38,44 40,9 42,22 43,08 41,14 36,28
Pada table 2, ditampilkan data hasil penelitian pada kondisi heat flux constan sebesar 223.52 watt, dengan data temperatur udara masuk dan keluar serta temperatur permukaan disepanjang saluran.
3.2 Analisis Pengaruh kecepatan udara masuk pada nilai koefisien konveksi bentuk saluran penampang Nilai koefisien konveksi berfungsi untuk menunjukkan kemampuan perpindahan panas yang terjadi pada fluida udara yang bergerak melalui permukaan saluran yang panas pada penelitian ini.
A-423
(a) (b)
Gambar 3. Grafik nilai h terhadap titik uji : a) kecepatan udara 5 m/s (b) kecepatan udara 3.6 m/s
Dari grafik diatas hasil yang telah diadapat sesuai dengan teori yang ada, hal tersbut diperlihatkan ketika nilai h mengalami penurunan pada setiap perubahan jarak dari sisi masuk udara hingga sisi keluar.
Terdapat perbedaan kecepatan sebesar 1,4 m/s. Akibat perubahan yang semakin besar, nilai koefisien konveksi terbesar terjadi pada kecepatan udara 5 m/s. Hal ini dikarenakan nilai bilangan Reynolds semakin besar, yang mengakibatkan intensitas turbulensi fluida semakin tinggi sehingga proses perpindahan panas konveksi yang terjadi semakin besar.
Selain itu pada variasi kecepatan 3,6m/s dan 5m/s memiliki bentuk grafik yang cenderung sama yaitu bentuk trend yang semakin menurun dikarenakan titik ukur temperatur yang semakin jauh dari sisi masuk udara.
Hal tersebut menyebabkan nilai temperatur permukaan saluran pada sisi ujung semakin tinggi, sehingga nilai temperatur film akan semakin tinggi. Keadaan tersebut yang mengakibatkan nilai koefisien konveksi semakin menurun.
Sedangkan untuk nilai koefisien konveksi terbesar cenderung pada bentuk saluran penampang segitiga, ditunjukan pada kondisi variasi terbaik skala heater 100 dengan kecepatan alir udara 5m/s. Nilai tertinggi distribusi temperature disepanjang saluran penampang pada bentuk bentuk persegi sebesar 22,84; 22,77; 22,72; 22,7; 22,69;
22,72 dan untuk nilai terendah pada bentuk silinder dengan nilai 22,87; 22,72; 22,66; 22,65; 22,63; 22,66.
3.3 Analisis Pengaruh kecepatan udara masuk pada nilai bilangan Reynol dan Nuselt
Berikut adalah hasil perhitungan bilangan Reynold pada setiap titik uji pada saluran penampang bentuk silinder dan persegi
Tabel 3. Tabel Data nilai Reynold kecepatan udara 5 m/s Bentuk penampang
saluran Re1 Re2 Re3 Re4 Re5 Re6
Silinder 23415 22933 22776 22721 22657 22769 Persegi 23560 23247 23098 22969 22820 22969
A-424
kecepatan udara 3,6 m/s Bentuk penampang
saluran Re1 Re2 Re3 Re4 Re5 Re6
Silinder 16670 16175 16043 15981 15895 16043 Persegi 16700 16531 16416 16355 16316 16405
Kondisi perubahan kecepatan fluida udara dibagian permukaan dinding saluran, dipengaruhi oleh nilai kekentalan (µ) udara yang akan mengakibatkan gaya-gaya gesek antara fluida udara dengan lapisan permukaan saluran menjadi membesar ataupun mengecil. Hal tersebut menyebabkan nilai bilangan Reynold berubah, ketika nilai Reynold bertambah maka kencenderungan fluida akan mengalami pergerakan yang tidak teratur (turbulensi) sehingga proses perpindahan panas konveksi meningkat, begitupula sebaliknya. Untuk menunjukkan perubahan yang terjadi pada nilai bilangan nuselt dapat dilihat pada gambar 4.
(a) (b)
Gambar 4. Grafik nilai Nuselt terhadap titik uji a) kecepatan udara 5 m/s (b) kecepatan udara 3.6 m/s
Dengan adanya perubahan geometri penampang pada saluran akan mempengaruhi proses laju perpindahan panas konveksi, rata-rata bilangan Nusselt mengalami peningkatan sebesar 0,2% antara bentuk saluran penampang silinder dengan persegi. Penggunaan bentuk penampang saluran yang berbeda akan mempengarui besar kecilnya temperatur udara dalam saluran. Semakin besar nilai temperatur udara mengakibatkan massa jenis (ρ) udara semaikin menurun sedangkan nilai kekentalan (µ) akan mengalami peningkatan. Kondisi tersebut berpengaruh pada penurunan bilangan Reynold dan bilangan Nuselt. Sehingga proses perpindahan panas konveksi akan mengalami penurunan, sebaliknya jika nilai temperatur udara dalam saluran menurun maka nilai koefisien konveksi akan meningkat.
A-425 4. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil analisis data mengenai rancang bangun modul konveksi paksa internal untuk mengetahui koefisien perpindahan panas konveksi, dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut.
1. Semakin besar luas penampang area saluran dan kecepatan aliran uada maka nilai perpindahan panas konveksi semakin tinggi. Dari hasil analisis diperoleh, proses distribusi temperatur bentuk saluran penampang persegi lebih baik dibanding bentuk saluran penampang silinder, yang ditunjukkan pada nilai koefisien konveksi sepanjang saluran sebesar 22,84; 22,77; 22,72; 22,7; 22,69; 22,72 𝑊/𝑚2𝐾.
2. Semakin besar nilai bilanagn Reynold maka kencenderungan fluida akan mengalami pergerakan yang tidak teratur (turbulensi) sehingga proses perpindahan panas konveksi meningkat, begitupula sebaliknya.
3. Berdasarkan hasil perhitungan data eksperimen diperoleh kenaikan nilai bilangan Nuselt sebesar 0,2% antar bentuk saluran pen ampang silnder dengan persegi.
4. Metode perhitungan Dittus Boelter dapat diterapkan pada seluruh perhitungan variasi bentuk penampang saluran.
UCAPAN TERIMA KASIH
Syukur Alhamdulillah atas segala nikmat yang telah Allah SWT limpahkan. Penulis sangat menyadari bahwa terselesainya penelitian ini tidak lepas dari bantuan, bimbingan, doa serta dukungan dari berbagai pihak.
Dengan segala kerendahan hati, keikhlasan dan ketulusan, Penulis menyampaikan ucapan terima kasih dan penghargaan sebesar-besarnya kepada:
1. Keluarga
2. Kampus Politeknik Elektronika Negeri Surabaya 3. Program Studi Sistem pembangkit Energi 4. AKPRIND selaku pihak penyelenggara seminar 5. Serta, seluruh pihak yang telah banyak membantu
DAFTAR PUSTAKA
Abbas, Q. et al. (2010) ‘Numerical Simulation and Experimental Verification of Air Flow through a Heated Pipe’, (02).
Ardianto, R. (2012) ‘Koefisien perpindahan panas pada pipa bulat skripsi’.
Cengel, Y. A. (2003) ‘Heat Transfer: A Practical Approach’, Mc Graw-Hill, pp. 785–841. Available at:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC341276/pdf/nar00305-0003.pdf.
Fan, P. K. and Walujodjati, A. (2009) ‘Permukaan Konstan’, 5(2), pp. 46–49.
Incropera, frank P. et al. (no date) Fundamental of Heat and Mass Transfer 7Th.
Klein, S. A. (2011) ‘Engineering Equation Solver for Microsoft Windows Operating Systems’, F-Chart Software, p. 334.
MORAN, M. J. et al. (2011) Fundamentals of Thermodynamics: Seventh Edition.
Serth, Robet, W. (2007) ‘Process Heat Transfer Principles and Applications’
A-426
Walujodjati, A. (2006) ‘Perpindahan panas konveksi paksa’, 2, pp. 21–24.
Xu, J. H. et al. (2017) ‘Effect of Reynolds number on flow and heat transfer in incompressible forced convection over a 3D backward-facing step’, International Journal
