BAB IV
DATA DAN ANALISA
Pengaruh penambahan sisipan regularly spaced helical screw tape variasi panjang spacer (Ls) 80, 160 dan 240 mm pada pengujian di pipa dalam dengan
variasi debit air panas 2 - 6 LPM telah dilakukan pada penelitian ini. Temperatur air panas masukan pada pipa dalam dijaga konstan 60oC, sedangkan air dingin masuk ke annulus dengan temperatur dijaga ± 27oC. Dari hasil pengujian didapatkan data untuk pengolahan dan analisa berupa temperatur air masuk dan keluar pipa dalam, temperatur air masuk dan keluar annulus, temperatur dinding luar pipa dalam, laju aliran massa air di pipa dalam dan annulus, dan penurunan tekanan pada sisi pipa dalam. Pada setiap variasi pengujian, mengambil data pada kondisi tunak.
4.1 Data Hasil Pengujian
Data yang diperoleh dari hasil pengamatan berupa temperatur air panas masuk (Th,i) dan air panas keluar (Th,o) pipa dalam, temperatur air dingin masuk (Tc,i) dan air dingin keluar (Tc,o) annulus, serta temperatur dinding luar pipa dalam (Tw), laju aliran massa air di annulus ( ̇ ) dan penurunan tekanan di sisi pipa dalam (P) saat pengujian pada kondisi tunak, didapatkan data seperti yang terlampir pada Lampiran A.1 untuk plain tube dan A.2, A.3, A.4, untuk pengujian dengan variasi masing- masing sisipan.
Pada lampiran B dapat dilihat contoh perhitungan data pengujian dengan penambahan sisipan dan yang terdapat dilampiran C dan D dapat dilihat untuk rekapitulasi hasil perhitungan data.
4.2. Analisa Data
4.2.1. Validasi Karakteristik Perpindahan Panas Pada Plain Tube
Validasi karakteristik perpindahan panas pada penelitian kali ini pada plain tube seperti contoh perhitungan yang tersaji pada lampiran. B.1, menggunakan korelasi empirik Petukhov dan Gnielinski. Dari hubungan bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam (Nui) dengan bilangan Reynolds (Re) dapat dilihat
karakteristik perpindahan panasnya seperti pada gambar 4.1 31
Gambar 4.1. Grafik hubungan Nui dengan Re untuk plain tube, korelasi plain tube,
Gneilinski dan Petukhov
Pada gambar 4.1. diperoleh penyimpangan rata-rata Nui plain tube dengan
korelasi Petukhov sebesar 4,75% dan Gnielinski 7,9%. Penyimpangan rata-rata nilai Nui plain tube terhadap korelasi Petukhov dan Gnielinski kurang dari 10%.
Dari perbandingan Nu,plaintube – Nu, petukhov/ Nu, petukhov , petukhov mempunyai kesalahan presentase 5% - 6% untuk 104< Re < 5 x106 dan 0,5 < Pr < 200 dan 10% untuk 0,5 < Pr < 2000 (Petukhov, 1963).
4.2.2. Validasi Karakteristik Faktor Gesekan Pada Plain Tube
Karakteristik faktor gesekan untuk plain tube seperti pada contoh perhitungan dilampiran. B.1, pada penelitian kali ini divalidasi dengan korelasi empirik Blasius. Dari hubungan faktor gesekan pipa dalam (f) dengan bilangan Reynolds (Re) dapat dilihat karakteristik faktor gesekan plain tube. Grafik validasi karakteristik faktor gesekan plain tube dengan korelasi empirik dapat dilihat seperti pada gambar 4.2.
0 20 40 60 80 100 120 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 Nu,i Re Plain tube Korelasi plain tube Gnielinski Petukhov
Gambar 4.2. Grafik hubungan f dengan Re untuk plain tube, korelasi plain tube dan Blasius.
Didapatkan penyimpangan rata-rata faktor gesekan plain tube dengan korelasi Blasius perbandingan antara f,plaintube-f,blasius/ f.blasius sebesar 1,7%, seperti pada gambar 4.2. Penyimpangan rata-rata faktor gesekan plain tube terhadap korelasi Blasius kecil yaitu kurang dari 10%, oleh karena itu nilai faktor gesekan plain tube adalah valid.
4.2.3. Pengaruh Variasi Panjang Spacer terhadap Karakteristik Perpindahan Panas Penukar Kalor dengan Penambahan Regularly Spaced Helical
Screw Tape Insert
Sisipan regularly spaced helical screw tape variasi panjangspacer 80, 160 dan 240 mm berperan penting dalam penukar kalor pipa konsentrik dan berpengaruh terhadap karakteristik perpindahan panas di pipa dalam seperti yang terlihat digambar 4.3. Pada grafik tersebut karakteristik perpindahan panas dinyatakan dengan hubungan bilangan Nusselt rata-rata (Nui) terhadap bilangan
Reynolds (Re). Seperti pada contoh perhitungan dilampiran B.2.
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 f Re Plain tube Korelasi plain tube Blasius
Gambar 4.3. Grafik hubungan Nui dengan Re variasi panjang spacer 80, 160 dan 240
mm.
Pada gambar 4.3 diatas, terlihat bahwa dengan penambahan sisipan regularly spaced helical screw tape dapat meningkatkan koefisien perpindahan panas. Bilangan Nusselt rata-rata (Nui) meningkat seiring kenaikan bilangan
Reynolds. Semakin kecil jarak spacer, bilangan Nusselt juga semakin meningkat dengan nilai Nu paling tinggi pada varisi panjang spacer 80 mm. Nilai Nu untuk panjang variasi panjang spacer 80, 160, dan 240 mm secara berturut – turut dapat dilihat pada tabel 4.1. Hal ini disebabkan karena dengan semakin kecil nilai spacer, maka kerapatan helical screw persatuan panjang sisipan semakin banyak, sehingga aliran diantara sisipan helical screw menghasilkan intensitas turbulensi yang lebih tinggi. hal ini sesuai dengan penelitian dari Eiamsa-ard (2005), Sivashanmugam (2007) dan Nagarajan (2011). Penambahan Regularly spaced helical screw tape insert di pipa dalam dapat meningkatkan nilai Nui jika
dibandingkan dengan plain tube.
Pada kisaran 5300 < Re < 17.500, nilai Nui pipa dalam dengan
penambahan sisipan helical screw tape variasi panjang spacer 80, 160 dan 240
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 2000 5000 8000 11000 14000 17000 20000 Nu,i Re Ls 80 Ls 160 Ls 240 Plain Tube
mm berturut-turut meningkat dibandingkan dengan plain tube. Nilai peningkatan dapat dilihat pada tabel 4.1.
Tabel 4.1. Nilai kenaikan Nu hubungannya dengan Re pada variasi panjang spacer 80, 160 dan 240 mm.
Variasi sisipan Nusselts
Panjang spacer 80 mm 75% - 171%
Panjang spacer 160 mm 65,8% - 148,3% Panjang spacer 240 mm 57,2% - 127,5%
4.2.4. Pengaruh Variasi Panjang Spacer terhadap Karakteristik Faktor Gesekan Penukar Kalor dengan Penambahan Regularly Spaced
Helical Screw Tape Insert
Sisipan regularly spaced helical screw tape variasi panjang spacer 80, 160 dan 240 mm memberikan pengaruh terhadap karakteristik penurunan tekanan (P) di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik, seperti pada gambar 4.4. Untuk contoh perhitungan data seperti yang tersaji dilampiran B.2.
Gambar 4.4. Grafik hubungan P dengan Re untuk panjang spacer 80, 160 dan 240 mm. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 5000 10000 15000 20000 Ls 80 Ls 160 Ls 240 plain tube Re ΔP
Gambar 4.4. menunjukan bahwa bilangan Reynolds semakin besar, maka semakin besar pula penurunan tekanan yang terjadi pada pipa dalam dari penukar kalor. Fenomena ini terjadi pada plain tube dan pada pipa dalam dengan penambahan sisipan regularly spaced helical screw tape. Penurunan tekanan (P) di pipa dalam dengan penambahan sisipan lebih besar dibandingkan dengan plain tube. Hal ini disebabkan penambahan sisipan menghasilkan halangan aliran (flow blockage) yang lebih besar (Eiamsa-ard 2005).
Pada kisaran 5300 < Re < 17.500 nilai penurunan tekanan rata-rata pipa dalam dengan penambahan sisipan regularly helical screw tape variasi panjang spacer 80, 160 dan 240 mm lebih besar dibandingkan plain tube. Nilai kenaikannya dapat dilihat pada Tabel 4.2.
Tabel. 4. 2. Nilai kenaikan penurunan tekanan hubungannya dengan Re.
Variasi sisipan Penurunan tekanan
Panjang spacer 80 mm 3,92
Panjang spacer 160 mm 3,66
Panjang spacer 240 mm 3,41
Pengaruh penambahan sisipan regularly helical screw tape variasi panjang spacer 80, 160 dan 240 mm terhadap karakteristik faktor gesekan (f) di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik dapat dilihat pada gambar 4.5.
Gambar 4.5. Grafik hubungan f dengan Re variasi panjang spacer 80, 160 dan 240 mm.
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 2000 5000 8000 11000 14000 17000 20000 Ls 80 Ls 160 Ls 240 Plain tube f Re
Gambar 4.5. menunjukan bahwa nilai faktor gesekan (f) pipa dalam berkurang seiring kenaikan bilangan Reynolds (Re). Faktor gesekan pipa dalam dengan penambahan sisipan helical screw tape variasi panjang spacer 80, 160 dan 240 mm lebih besar dibandingkan dengan plain tube. Pada pipa dalam dengan penambahan sisipan helical screw tape, nilai faktor gesekan berkurang dengan kenaikan nilai spacer, hal ini serupa dengan penelitian Sivashanmugam (2007). Faktor gesekan dengan penambahan sisipan regularly spaced helical screw tape menunjukkan penurunan bilangan Nusselt rata-rata dan faktor gesekan meningkat dengan penurunan twist ratio dan panjang spacer Ibrahim (2011).
Nilai faktor gesekan pada kisaran 5300 < Re < 17.500 di pipa dalam dengan penambahan sisipan helical screw tape variasi spacer 80, 160 dan 240 mm lebih besar dibandingkan plain tube. Rentang nilai faktor gesekan dapat dilihat pada tabel 4.3. Untuk contoh perhitungan data dapat dilihat dilampiran B.2. Tabel 4.3. Nilai faktor gesekan hubungannya dengan Re pada sisipan helical screw
tape variasi panjang spacer 80, 160 dan 240 mm.
Variasi sisipan Faktor gesekan
Panjang spacer 80 mm 3,51 – 4,28
Panjang spacer 160 mm 3,21 – 4,03
Panjang spacer 240 mm 2,97 – 3,68
4.2.5. Pengaruh Variasi Panjang Spacer terhadap Karakteristik Effectivenes Penukar Kalor dengan Penambahan Regularly Spaced Helical Screw
Tape Insert
Pengaruh penambahan sisipan regularly helical screw tape variasi panjang spacer 80, 160 dan 240 mm terhadap karakteristik effectivenes () penukar kalor pipa konsentrik dapat dilihat digambar 4.4. Contoh perhitungan datanya dapat dilihat dilampiran B.2.
Gambar 4.6. Grafik hubungan dengan Re variasi panjang spacer 80, 160 dan 240 mm.
Effectivenes merupakan rasio perbandingan antara ( Qh ) aktual dengan ( Qmak ) maksimal. Pada gambar 4.6. dapat dilihat bahwa effectivenes penukar kalor menurun seiring dengan kenaikan bilangan Reynolds (Re). Effectivenes penukar kalor dengan regularly spaced helical screw tape insert lebih tinggi dibandingkan plain tube. Pada gambar 4.6. terlihat bahwa semakin kecil nilai spacer dari helical screw tape insert maka effektivenes penukar kalor semakin besar.
Pada kisaran 5300 < Re < 17.500, nilai effectivenes penukar kalor dengan penambahan sisipan helical screw tape variasi panjang spacer 80, 160 dan 240 mm naik dibandingkan plain tube. Nilai kenaikannya seperti yang tersaji pada tabel berikut, Tabel 4.4
Tabel 4.4. Nilai kenaikan effectivenes hubungannya dengan Reynolds pada variasi panjang spacer 80, 160 dan 240 mm.
Variasi spacer effectiveness
Spacer 80 15,4% – 20,6% Spacer 160 13,4% - 19,1% Spacer 240 8,9% - 15,5% 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0 5000 10000 15000 20000 Ls 80 Ls 160 Ls 240 plain tube
ᵋ
Re4.2.6. Pengaruh Variasi Spacer terhadap Karakteristik Rasio Peningkatan Perpindahan Panas Penukar Kalor dengan Penambahan Regularly
Spaced Helical Screw Tape Insert
Penambahan sisipan regularly spaced helical screw tape variasi panjang spacer berpengaruh terhadap rasio peningkatan perpindahan panas pada penukar kalor pada daya pemompaan yang sama dapat dilihat pada gambar 4.7. Untuk contoh perhitungan data dapat dilihat dilampiran C.1 dan C.2.
Gambar 4.7. Grafik hubungan dengan Re variasi panjang spacer 80, 160 dan 240 mm. Rasio peningkatan perpindahan panas merupakan perbandingan antara koefisien perpindahan panas konveksi di pipa dalam dengan koefisien perpindahan panas konveksi di plain tube. Pada gambar 4.7, dapat dilihat bahwa rasio peningkatan perpindahan panas dari penukar kalor dengan penambahan sisipan regularly spaced helical screw tape pada variasi spacer terkecil meningkat pada bilangan Reynolds yang rendah kemudian turun pada Reynolds yang tinggi. Hal ini membuktikan bahwa pada daya pemompaan yang rendah efek dari penambahan sisipan sudah dapat meningkatkan rasio peningkatan perpindahan panas. 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Ls 80 Ls 160 Ls 240 η Re
Nilai rasio peningkatan perpindahan panas rata-rata penukar kalor dengan penambahan sisipan regularly spaced helical screw tape variasi panjang spacer 80, 160 dan 240 mm berturut-turut dapat dilihat pada Tabel 4. 5. dibawah ini. Tabel 4.5. Nilai kenaikan rasio peningkatan perpindahan panas variasi panjang spacer 80,
160 dan 240 mm.
Variasi sisipan Rasio peningkatan perpindahan panas
Spacer 80 mm 1,29 – 1,95
Spacer 160 mm 1,23 – 1,79
Spacer 240 mm 1,17 – 1,65
4.2.7. Analisa Korelasi Empirik Hasil Penelitian Dengan Penambahan
Regularly Spaced Helical Screw Tape Insert.
Data eksperimen untuk bilangan Nusselt dan faktor gesekan pada pipa dalam dengan sisipan regularly spaced helical screw tape dibuat korelasi yang dihubungkan sebagai fungsi bilangan Reynold (Re), Bilangan Prandl (Pr), twist rasio (Y), jarak spacer (S/D) dengan analisis regresi non linear. Hasil eksperimen bilangan Nusselt dan Faktor gesekan dari penukar kalor pipa konsentrik dengan regularly spaced helical screw tape insert variasi panjang spacer 80, 160 dan 240 mm dimasukkan ke persamaan empirik sebagai berikut:
Nui = 0,724( Re)0,615 ( Pr)( Y)-1,571 ((1+S/D) -0,118 (4.1)
f = ( Re )-0,378 Y1,867 ((1 + S/D) )-0,13 (4.2) Persamaan ( 4.1 ) dan ( 4.2 ) berlaku untuk 5.300 < Re < 17.500, perbandingan antara bilangan Nusselt dan faktor gesekan yang diperoleh dari eksperimen dan dari korelasi dinyatakan dalam gambar 4.8 dan 4.9.
Gambar.4. 8. Grafik hubungan Nu, prediksi/ Nu, eksperimen dengan Re.
Dapat dilihat pada gambar 4. 8, hubungan antara korelasi Nu, eksperiman dengan Nu, prediksi yang dihubungkan dengan bilangan Reynolds. Angka 1 pada perbandingan Nu, prediksi dan Nu,eksperimen menunjukkan bahwa penyimpangannya 0 % , untuk nilai perbandingan Nu, prediksi dan Nu,eksperimen diatas 1, maka nilai penyimpangan maksimalnya 10%. Gambar 4.9, merupakan hubungan antara perbandingan f, prediksi dengan f,eksperimen, yang dihubungkan dengan bilangan Reynolds. Nilai angka 1 pada perbandingan f, prediksi dengan f,eksperimen nilai penyimpangan 0%, dan untuk perbandingan f, prediksi dengan f,eksperimen nilainya lebih dari 1, nilai maksimal penyimpangannya 5%.
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 0 2500 5000 7500 10000 12500 15000 17500 20000 Ls 80 Ls 160 Ls 240 - 10 % + 10 % N u,ek s/ N u,pr edi k si Re
Gambar 4.9. Grafik hubungan f, prediksi/ f, eksperimen dengan Re.
4.2.8. Perbandingan Nusselt dan Faktor Gesekan Sisipan Regularly Spaced
Helical Screw Tape Insert Dengan Penelitian-Penelitian Sebelumnya.
Hasil yang didapatkan pada penelitian kali ini dibandingkan dengan penelitian yang telah dilakukan di UNS sebelumnya, dimana fungsi dari pembandingan penelitian ini bertujuan untuk mengetahui seberapa besar nilai kenaikan Nu dan penurunan dari faktor gesekan dari penelitian sebelumnya, sehingga kita dapat mengetahui sisipan mana yang memiliki peningkatan perpindahan panas yang tinggi yang diikuti dengan faktor gesekan yang lebih rendah. 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 0 5000 10000 15000 20000 Ls 80 Ls 160 Ls 240 f,e ks / f ,pre diksi Re + 5 % - 5 %
Gambar 4.10. Grafik perbandingan nilai Nusselt helical screw with spacer dengan penelitian sebelumnya.
Dari gambar 4.10, tersebut didapatkan bahwa dengan penggunaan sisipan regularly spaced helical screw tape insert, pada Reynolds yang sama dikisaran Re 5.300 - 10.200, mengalami kenaikan nilai nusselt lebih tinggi bila dibandingkan dengan plain tube dan twisted tape v- cut = 80. Hal tersebut dikarenakan dari segi geometri sisipan regularly spaced helical screw tape insert dengan bentuk helical screw membuat pola aliran fluida dipipa dalam seperti screw motion dan dengan tingkat kerapatan dari helical screw itu sendiri yang menyebabkan proses pencampuran fluida semakin cepat yang diikuti turbulensi aliran yang lebih tinggi. Semakin turbulen suatu aliran, laju perpindahan panasnya semakin tinggi yang diikuti oleh bertambahnya kecepatan aliran fluida sehingga kenaikan nusseltnya lebih tinggi dibandingkan dibandingkan dengan twisted tape v- cut =80, namun bila regularly spaced helical screw tape insert dibandingkan dengan sisipan double sieded delta winglet w/W= 0,63 dan double sieded delta winglet α =70 nilai nusseltnya lebih rendah. Hal tersebut disebabkan oleh pengaruh geometri bentuk dan pola aliran masing masing sisipan itu sendiri berbeda-beda. Nilai kenaikan nusselt tertinggi pada perbandingan variasi bentuk sisipan ini adalah pada penggunaan sisipan double sieded delta winglet α = 70. Nilai dari
0 50 100 150 200 250 300 350 0 5000 10000 15000 20000
Double Sided Delta Winglet α = 70 (Adi Eka, 2015)°
Double Sided Delta Wing Alternate-Axis w/W = 0,63 (Anandito, 2013)
Regularly spaced helical screw tape insert, Ls = 80 ( Putut PS, 2015)
Twisted Tape V- Cut 0,32 (Prasekky, 2014) plain tube
Nu
perbandingan kenaikan Nusselt untuk masing-masing sisipan dapat dilihat di tabel. 4.6.
Gambar 4.11. Grafik perbandingan nilai faktor gesekan helical screw with spacer dengan penelitian sebelumnya.
Dari gambar.4.11, dapat dilihat untuk nilai faktor gesekan tertinggi secara berturut-turut pada setiap variasi sisipan, dimana dengan penggunaan regularly spaced helical screw tape insert nilai faktor gesekannya lebih tinggi bila dibandingkan dengan plain tube dan twisted tape v- cut = 80. Hal tersebut dikarenakan pengaruh efek dari sisipan regularly spaced helical screw tape insert dengan pola aliran screw motion menimbulkan halangan aliran (flow blockage) yang lebih tinggi dibanding plain tube dan twisted tape v- cut = 80, dan bila dibandingkan dengan sisipan double siede delta winglet α = 70 dan double sieded delta winglet w/W = 0,63 nilai faktor gesekan dengan regularly spaced helical screw tape insert menjadi lebih rendah. Geometri dari setiap sisipan menimbulkan karakteristik faktor gesekan yang berbeda-beda, semakin besar halangan aliran yang ditimbulkan masing masing sisipan maka faktor gesekannyapun semakin tinggi. Dari perbandingan penelitian dengan variasi sisipan yang berbeda-beda, didapatkan nilai kenaikan faktor gesekan untuk setiap sisipan seperti pada tabel
4.6. . 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0 5000 10000 15000 20000
Double sided delta wing alternate axis w/W= 0,63 (Anandito, 2013) Double-Sided Delta winglet α = 70 (Adi Eka, 2015)°
Regularly spaced helical screw tape insert,Ls = 80 (Putut PS, 2015) Twisted Tape V- Cut 0,32 (Prasekky, 2014)
Re
Tabel. 4. 6. Review Penelitian Sebelumnya No
Nama Pengarang
& Tahun Judul Penelitian Bentuk Sisipan & Reynolds
Hasil Eksperimen
Variasi Nu f Rasio peningkatan
perpindahan panas
1 Anindito, 2013 Pengaruh Double-Sided Delta Wing Tape Insert With Alternate-Axis Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas Dan Faktor Gesekan Pada Penukar Kalor Pipa Konsentrik 5.300 < Re < 14.500 a. w/W = 0,31 b. w/W = 0,47 c. w/W = 0,63 a. 118% - 150% b. 151% - 165% c. 172% - 199% a. 8,58 – 10,09 b. 10,35 – 11,73 c. 11,55 – 13,29 a. 1,03-0,83 b. 1,15-0,90 c. 1,32-1,00 2 Adi Eka P, 2015 Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas Dan Faktor Gesekan Pada Penukar Kalor Pipa Konsentrik Dengan Double-Sided
Delta-Winglet Tape Insert 5.500 < Re < 14.500
a. α = 30° b. α = 50° c. α = 70° a. 110% - 131% b. 157% - 188% c. 218% - 264% a. 8,36 – 9,19 b. 9,36 – 10,99 c. 10,28 – 13,30 a. 0,91 - 0,99 b. 0,92 - 1,11 c. 0,91 - 1,22 3 Prasekky, 2014 Pengujian karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor pipa konsentrik dengan v-cut twisted tape inser
5.300 < Re < 17.500 a. w/W = 0,32 b. w/W = 0,39 c. w/W = 0,48 a. 81% - 96% b. 65% - 78% c. 46% - 62% a. 2,85 - 4 b. 2,75 – 3,84 c. 2,67 – 3,69 a. 1,36-1,39 b. 1,27-1,31 c. 1,15-1,22 45
4 Putut PS, 2015 Peningkatan perpindahan panas pada penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan Regularly spaced helical screw tape insert 5.300 < Re < 17.500 a. Ls = 80 b. Ls = 160 c. Ls = 240 a. 75% - 171% b. 65,8% - 148% c. 57% - 127% a. 3,51 – 4,28 b. 3,21 – 4,03 c. 2,97 – 3,68 a. 1,29 - 1,95 b. 1,23 - 1,79 c. 1,17 - 1,65 46
