PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI SIRIP - SIRIP PIN SEGIEMPAT SUSUNAN SEGARIS DALAM SALURAN SEGIEMPAT

(1)

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user i

PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI SIRIP - SIRIP PIN

SEGIEMPAT SUSUNAN SEGARIS DALAM SALURAN SEGIEMPAT

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh:

TEDDY MULYA NIM: I1405030

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA

2011

(2)

commit to user ii

(3)

commit to user iii

(4)

commit to user iv

MOTTO

v Islam agamaku, Allah Tuhanku, Muhammad Nabiku, Al-quran Kitabku.

v “Bacalah dengan nama Tuhanmu yang menciptakan. Dia telah menciptakan manusia dari segumpal darah. Bacalah dan

Tuhanmu yang Maha Pemurah Yang mengajar dengan Qalam.

Dialah yang mengajar manusia dari segala sesuatu yang belum diketahui” (Q.S Al-Alaq 1-5).

v “Barangsiapa menghilangkan salah satu kesusahan dunia dari seorang mukmin maka Allah akan menghilangkan slah satu kesusahan hari kiamat darinya, barangsiapa memberi

kemudahan kepada yang kesulitan maka Allah memberi kemudahan padanya dunia dan akhirat” (H.R. Muslim).

v Hidup adalah proses seperti pohon yang terus tumbuh dan apabila proses pertumbuhan itu berhenti berarti matilah pohon itu.

v Setiap manusia diciptakan berbeda satu sama lainnya maka temukan dirimu dan jadilah dirimu.

(5)

commit to user v

PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI SIRIP-SIRIP PIN SEGIEMPAT

SUSUNAN SEGARIS DALAM SALURAN SEGIEMPAT Teddy Mulya

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret

Surakarta, Indonesia E-mail: teddynum13@gmail.com

Abstrak

Penelitian ini dilakukan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin segiempat dalam saluran udara segiempat, dimana udara mengalir di dalamnya sebagai fluida pendingin. Sirip-sirip pin segiempat ini disusun secara segaris. Dimensi plat dasar dimana sirip-sirip pin dipasang adalah 150 mm x 200 mm x 6,5 mm. Temperatur rata-rata permukaan plat dasar dijaga konstan sebesar 60^oC. Sirip-sirip pin terbuat dari duralumin dengan tinggi 75 mm, dengan sisi-sisinya berturut-turut 12,75 mm dan 12,75 mm, dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah melintang aliran udara dibuat konstan sebesar Sx/D = 2,95. Parameter-parameter dalam penelitian ini adalah bilangan Reynolds (Re) 3.143 – 37.811 berdasarkan kecepatan udara masuk rata-rata dan diameter hidrolik, dan jarak antar titik pusat sirip arah aliran udara ( S_y/D = 1,97 – 3,94).

Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa peningkatan bilangan Reynolds akan meningkatkan bilangan Nusselt, yang berarti meningkatkan laju perpindahan panas, dimana mencapai maksimum pada Sy/D = 2,95. Nilai penurunan tekanan (DP) dan faktor gesekan (f) menurun dengan meningkatnya Sy/D. Nilai unjuk kerja termal (h) dan nilainya bervariasi antara 0,82 dan 1,30. Meningkatnya bilangan Reynolds akan menurunkan unjuk kerja termal (h) untuk keseluruhan Sy/D.

Perolehan energi netto dapat dicapai hingga 30% untuk nilai Sy/D = 2,95 pada Re

= 3.134.

Kata kunci : bilangan Reynolds, bilangan Nusselt, faktor gesekan, sirip pin segiempat, unjuk kerja termal.

(6)

commit to user vi

Investigation on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Inline Square Pin Fin Array in Rectangular Channel

Teddy Mulya

Mechanical Engineering Departement Engineering Faculty, Sebelas Maret University

Surakarta, Indonesia E-mail: teddynum13@gmail.com

Abstract

This research was conducted to investigate the characteristics of heat transfer and pressure drop as well as the thermal performance of square pin fin array in the rectangular channel which air was passed through it as coolant fluid.

The pin fins were arranged in inline manner. Dimension of base plate in which pin fins were attached was 150 mm x 200 mm x 6.5 mm. The average temperature of base plate surface was kept constant at 60^oC. Pin fins were made of duralumin having the dimension of 75 mm of height, with 12.7 mm x 12.7 mm of sides and the distance inter-fin pitch in the spanwise direction was kept constant at Sx/D=

2.95. The parameters of this research were Reynolds number (Re) 3,143 – 37,811 based on averaged inlet air velocity and hydraulic diameter of rectangular channel, and the distance between the inter-fin pitch in the streamwise direction (Sy/D=1.97 – 3.94)

The research result shown that increasing Reynolds number and decreasing the distance Sy/Dincreased Nusselt number (Nu), that means increased heat transfer rate where it reach maximum at Sy/D =2.95. The values of pressure drop (DP) and friction factor (f) decreased with increasing Sy/D. Thermal performance decreased with increasing Reynolds number. The thermal performances (h) varied between 0.82 – 1.30. The increasing of Reynolds number would decrease the thermal performances (h) for all Sy/D. A net energy gain can be achieved up to 30% for the value of S_y/D = 2.95 and Re = 3,134.

Keywords : Friction factor, Nusselt number, Reynolds number, Square pin fin, Thermal performance.

(7)

commit to user

vii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Allah SWT, Tuhan Yang Maha Esa atas segala limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas Dan Penurunan Tekanan Dari Sirip-sirip Pin Segiempat Susunan Segaris Dalam Saluran Segi Empat ” dengan baik dan lancar.

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 penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih kepada:

1. Bapak Wibawa Endra Juwana, ST. MT, selaku Pembimbing I atas bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini.

2. Bapak, Tri Istanto, ST. MT, selaku Pembimbing II yang telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.

3. Bapak Dody Ariawan, ST. MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS Surakarta dan Pembimbing Akademis yang telah memberikan pengarahan selama menempuh studi di Universitas Sebelas Maret ini.

4. Bapak Wahyu Purwo Raharjo, ST. MT, selaku koordinator Tugas Akhir 5. Bu Elisa, Pak Endras, Pak Agus dan Pak Har yang banyak membantu

dalam hal administarsi.

6. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1.

7. Ayah, Ibu dan kakak atas do’a restu, motivasi, dan dukungan material maupun spiritual dalam menyelesaian Tugas Akhir ini.

8. Rekan Skripsi : Semua personil tim “Sirip Pin” untuk semua dukungan, sindiran, kritikan, serta bantuan yang sangat berarti dalam mengerjakan penelitian ini.

9. Bapak Buntarto dan semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu yang telah membantu pelaksanaan dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini.

(8)

commit to user

viii

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, ... 2011

Penulis

(9)

commit to user

ix DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN PENGESAHAN ... ii

HALAMAN SURAT PENUGASAN ... iii

MOTTO ... iv

ABSTRAK ... v

KATA PENGANTAR ... vii

DAFTAR ISI ... ix

DAFTAR TABEL ... xii

DAFTAR GAMBAR ... xiii

DAFTAR NOTASI ... xv

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 DASAR TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka ... 6

2.2. Dasar Teori ... 7

2.2.1. Sirip ... 7

2.2.2. Sirip Pin... 12

2.2.3. Macam-Macam Bentuk Sirip Pin ... 13

2.2.3.1. Kubus ... 13

2.2.3.2. Silinder ... 13

2.2.3.3. Ellips ... 14

2.2.3.4. Oblong ... 15

2.2.4. Aplikasi Sirip Pin ... 16

(10)

commit to user

x

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 Penelitian ... 27

3.2. Spesimen... 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 ... 40

4.3 Analisis Data ... 47

4.3.1 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas ... 47

4.3.2 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Karakteristik Penurunan Tekanan ... 50

4.3.3 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Unjuk Kerja Termal ... 50

(11)

commit to user

xi BAB V PENUTUP

5.1. Kesimpulan ... 55 5.2. Saran ... 55 DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

(12)

commit to user

xii

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 3.1. Spesifikasi spesimen penelitian ... 27 Tabel 4.1. Data hasil pengujian spesimen 1 ... lampiran Tabel 4.2. Data hasil pengujian spesimen 2 ... lampiran Tabel 4.3. Data hasil pengujian spesimen 3 ... lampiran Tabel 4.4. Data hasil pengujian spesimen 4 ... lampiran Tabel 4.5. Data hasil pengujian spesimen 5 (Tanpa sirip) ... lampiran Tabel 4.6. Data hasil pengujian spesimen 5 (Tanpa sirip) ... lampiran Tabel 4.7. Data hasil pengujian spesimen 5 (Tanpa sirip) ... lampiran Tabel 4.8. Data hasil pengujian spesimen 5 (Tanpa sirip) ... lampiran Perhitungan spesimen 1 ... lampiran Perhitungan spesimen 2 ... lampiran Perhitungan spesimen 3 ... lampiran Perhitungan spesimen 4 ... lampiran Perhitungan spesimen 5 ... lampiran Perhitungan spesimen 5 (Lanjutan) ... lampiran Perhitungan spesimen 5 (Lanjutan) ... lampiran Perhitungan spesimen 5 (Lanjutan) ... lampiran

(13)

commit to user

xiii

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. Perbedaan-perbedaan gradien temperatur dalam sirip ... 10

Gambar 2.4. Sebuah susunan sirip pin kubus ... 12

Gambar 2.5. Susunan sirip pin ... 13

Gambar 2.6. Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin kubus dan 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 melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam (internal cooled) ... 16

Gambar 2.11. Pin fin assembly dalam suatu saluran udara segiempat dengan clearance nol ... 22

Gambar 3.1. Dimensi dan tata nama spesimen ... 28

Gambar 3.2. Spesimen 1 ... 29

Gambar 3.6. Skema alat penelitian ... 30

Gambar 3.7. Saluran udara segiempat (rectangular channel)... 30

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

Gambar 3.9. Fan hisap ... 31

Gambar 3.10. Rheostat ... 31

Gambar 3.11. Anemometer ... 31

Gambar 3.12. Pemanas listrik (electric heater)... 32

(14)

commit to user

xiv

Gambar 3.13. Regulator pengatur tegangan listrik yang masuk heater ... 32

Gambar 3.14. Voltmeter ... 32

Gambar 3.15. Amperemeter ... 33

Gambar 3.16. Manometer U dan posisi titik pengukuran tekanan ... 33

Gambar 3.17. Termokopel tipe T ... 34

Gambar 3.18. Posisi 3 buah termokopel untuk mengukur temperatur udara masuk seksi uji ... 34

Gambar 3.19. Posisi 5 buah termokopel untuk mengukur temperatur udara keluar seksi uji ... 34

Gambar 3.20. Pemasangan termokopel pada base plate ... 34

Gambar 3.21. Display termokopel ... 34

Gambar 4.1. Posisi titik pengukuran temperatur udara ... 39

Gambar 4.2. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap bilangan Nusselt pada S_x/D = 2,95 ... 47

Gambar 4.3. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata pada Sx/D = 2,95 ... 48

Gambar 4.4. Grafik pengaruh nilai Sy/D terhadap bilangan Nusselt pada Sx/D = 2,95 ... 49

Gambar 4.5. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap penurunan tekanan pada Sx/D = 2,95 ... 51

Gambar 4.6. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor gesekan pada Sx/D = 2,95 ... 51

Gambar 4.7. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap unjuk kerja termal pada Sx/D = 2,95 ... 53

(15)

commit to user

xv

DAFTAR NOTASI

Lt = Panjang seksi uji ( m ) H = Tinggi sirip ( m ) Wb = Lebar spesimen ( m ) L = Panjang spesimen ( m ) S = Sisi-sisi sirip ( m)

A_front = Luas frontal dari sirip – sirip ( m² )

A_s = Luas total permukaan perpindahan panas ( m² ) A_t = Luas penampang melintang saluran udara ( m² ) D_h = Diameter hidrolik ( m )

Tin = Temperatur rata – rata udara masuk saluran udara ( ôK ) Tout = Temperatur rata – rata udara keluar saluran udara ( ôK ) Tb = Temperatur udara rata – rata base plate ( ôK )

Tf = Temperatur film ( ^oK )

V = Kecepatan rata- rata dalam saluran udara (m/s)

Vmaks = Kecepatan udara 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) C_P = Panas jenis udara (kJ/kg.^oC) Q_elect = Laju aliran panas dari heater (W)

m& = Laju aliran masa udara ( kg/s )

Q_conv = Laju perpindahan panas konveksi (W) Q_loss = Heat losses yang terjadi pada seksi uji

h_a = 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 Reynolds saluran udara ( Duct Reynolds number )

(16)

commit to user

xvi

ReD = Bilangan Reynolds pada pin ( Pin Reynolds number ) DP = Penurunan tekanan

f = Faktor gesek η = Unjuk kerja termal

Vh = Tegangan listrik heater ( V ) Ih = Arus listrik heater ( A ) V_f = Tegangan listrik fan ( V ) I_f = Arus listrik fan ( A )

j

cos = Faktor daya listrik 1 phase

P_fan = Daya listrik fan ( pumping power ) ( W ) g = Percepatan gravitasi ( m/s² )

(17)

commit to user 1 BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah

Jika panas dari sebuah mesin yang bekerja tidak dapat dibuang dalam laju perpindahan panas yang cukup, akan menyebabkan beberapa masalah, bahkan dapat membuat mesin menjadi rusak (break down), atau mesin mengalami panas yang berlebihan (overheating). Solusi permasalahan di atas adalah dengan memasang sirip-sirip (fins) pada permukaan perpindahan panas untuk meningkatkan laju perpindahan panas. Demikian juga dengan masalah krisis energi dan berkurangnya sumber bahan material yang tidak terbarukan, maka dalam perancangan sirip menjadi sangat penting untuk meningkatkan efektivitas perpindahan panas dan mengurangi ukuran dari peralatan perpindahan panas sehingga penggunaan material menjadi lebih berkurang. Penggunaan sirip tak hanya meningkatkan kuantitas perpindahan panas tetapi juga meningkatkan turbulensi aliran fluida.

Salah satu tipe sirip alat penukar panas yang biasa digunakan adalah sirip pin. Sirip pin telah banyak diaplikasikan secara luas dalam berbagai bidang industri seperti, pembangkit listrik, sistem pendingin, trailing edge sudu turbin gas, beberapa sistem elektronik modern, industri pesawat terbang dan khususnya dalam alat penukar panas kompak (compact heat exchanger). Sirip pin dengan perbandingan tinggi-diameter (H/D) antara 0,5 – 4 dikategorikan sebagai sirip pin pendek (short pin fin), sedangkan sirip pin panjang (long pin fin) memiliki perbandingan tinggi diameter > 4. Perbandingan tinggi-diameter yang besar merupakan bagian yang menarik dalam aplikasi alat penukar panas dalam hal pencapaian koefisien perpindahan panas yang sangat tinggi.

Laju perpindahan panas dari suatu rakitan sirip pin (pin fin assembly) ke lingkungan tergantung pada distribusi temperatur pada sirip pin dan plat dasar (base plate), geometri sirip pin, shroud clearance (jarak antara ujung sirip pin dengan permukaan atas saluran udara), sifat-sifat fluida dan sirip pin, laju aliran udara, jarak antar titik pusat sirip (inter-fin pitch), susunan sirip pin, dan orientasi

(18)

commit to user

dari penukar panas (terutama untuk laju aliran udara yang rendah). Untuk plat dasar dengan temperatur tertentu, laju perpindahan panas dapat ditingkatkan dengan menaikkan koefisien perpindahan panas rata-rata, menaikkan luas permukaan perpindahan panas atau kedua-duanya.

Kenaikan perpindahan panas dapat dicapai dengan cara konveksi paksa (forced convection) atau mengubah konfigurasi geometri dari alat penukar panas.

Dalam praktiknya, cara-cara ini dibatasi oleh penurunan tekanan maksimum yang diijinkan melalui susunan sirip pin tersebut karena kenaikan perpindahan panas akan disertai penurunan tekanan. Energi yang hilang karena penurunan tekanan dapat melebihi energi yang didapatkan dari usaha peningkatan perpindahan panas tersebut.

Karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan dalam sistem sirip pin telah menjadi bahan penelitian secara luas karena perannya yang penting dalam berbagai aplikasi keteknikan. Penelitian ini bertujuan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin segiempat susunan segaris (inline) dalam saluran segiempat (rectangular channel).

1.2. Perumusan Masalah

Bagaimanakah pengaruh bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise) terhadap karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin segiempat susunan segaris dalam saluran segiempat.

1.3. Batasan Masalah

Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut:

1. Material sirip pin dan plat dasar (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 sirip pin segiempat yang digunakan adalah : tinggi 75 mm, dan sisi-sisinya 12,7 mm.

(19)

commit to user

3

4. Jarak antara ujung sirip pin dengan permukaan atas saluran udara (shroud clearence) adalah nol.

5. Penelitian menggunakan alat saluran udara segiempat yang terdiri dari:

a. Saluran udara segiempat berdimensi penampang 150 mm x 75 mm.

b. Pemanas listrik (electric heater).

c. Blower hisap.

d. Pelurus aliran udara (flow straightener).

e. 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 diminimalisasi.

8. Parameter yang dibuat konstan yaitu temperatur permukaan base plate sebesar 60^oC, temperatur udara masuk, jarak antar titik pusat sirip dalam arah melintang (spanwise direction) sebesar 37,5 mm.

9. Parameter yang divariasi adalah kecepatan aliran udara masuk yaitu sebesar 0,5 m/s, 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise) 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 sirip-sirip pin segiempat susunan segaris 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 sirip-sirip pin segiempat susunan segaris dalam saluran segiempat.

2. Mengetahui pengaruh jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara

(20)

commit to user

(streamwise direction) terhadap karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan dari sirip-sirip pin segiempat susunan segaris dalam saluran segiempat.

3. Mengetahui pengaruh variasi bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara terhadap unjuk kerja termal dari sirip- sirip pin segiempat susunan segaris dalam saluran segiempat.

Hasil penelitian yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut:

1. Mampu memberikan pengetahuan baru yang berguna dalam ilmu perpindahan panas, khususnya mengenai karakteristik perpindahan panas dan unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin segiempat susunan segaris dalam saluran segiempat.

2. Dapat diterapkan dalam sistem pendinginan sudu-sudu 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 dan penurunan tekanan susunan sirip pin segiempat dalam saluran segiempat.

BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan, tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah penelitian dan pengambilan data.

(21)

commit to user

5

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.

(22)

commit to user

6 BAB II DASAR TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka

Chyu dkk. (1998) meneliti peningkatan perpindahan panas dari susunan sirip pin kubus (cubic pin fin). Dalam penelitian ini, sirip pin kubus diorientasikan sebagai persegi dan diamond terhadap arah aliran. Semua susunan dalam penelitian ini mempunyai geometri S/d = X/d = 2,5 dan H/d = 1. Kedua susunan segaris (inline) dan selang-seling (staggered) diteliti. Dari penelitian ini diperoleh bahwa sirip pin kubus orientasi persegi menghasilkan perpindahan panas yang lebih besar secara signifikan daripada diamond atau sirip pin silinder lurus. Untuk susunan selang-seling, peningkatan perpindahan panas sirip pin kubus orientasi persegi adalah 20-40% lebih besar daripada susunan diamond dan 30-80% lebih tinggi daripada susunan sirip pin silinder. Untuk susunan segaris, perbedaan lebih kecil tetapi tetap signifikan, dimana susunan sirip pin kubus orientasi persegi adalah 10-20% lebih besar daripada susunan diamond dan 10-40% lebih besar daripada susunan sirip pin silinder.

Solid block dapat meningkatkan perpindahan panas dari sebuah plat secara signifikan karena meningkatnya luasan permukaan perpindahan panas, tetapi menimbulkan energi yang terbuang karena adanya penurunan tekanan (pressure drop) yang lebih besar dalam aliran dan lebih sedikitnya aliran udara yang kontak dengan plat. Selain itu, meningkatnya bilangan Reynolds menyebabkan menurunnya unjuk kerja termal (Sara, 1999).

Sara, (2003) melakukan penelitian tentang karakteristik perpindahan panas, faktor gesekan dan analisa unjuk kerja perpindahan panas konveksi pada suatu permukaan plat bersirip pin kubus dalam saluran udara segiempat. Saluran segiempat terbuat dari kayu dengan tebal 20 mm, dan mempunyai penampang bagian dalam lebar 160 mm dan tinggi 80 mm serta panjang total saluran 2.000 mm. Pada penelitian ini menggunakan spesimen berupa plat datar dari bahan aluminium berdimensi panjang 320 mm, lebar 140 mm dan tebal 2 mm yang diberi sirip pin kubus pejal dari bahan yang sama, dengan panjang sisi-sisinya 10

(23)

commit to user

7

mm x 10 mm dan tinggi yang bervariasi tergantung pada variasi clearance ratio (C/H) = 0,0, 0,6, dan 1,0. Sirip-sirip pin disusun secara selang-seling (staggered) dengan jarak antar titik pusat sirip pada arah spanwise (Sz/D)= 2,25 dan jarak antar titik pusat sirip pada arah streamwise (Sx/D) = 1,58, 4,17, dan 9,33.

Pengujian dilakukan dengan variasi bilangan Reynolds sebesar 10.000 – 34.000.

Dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa bilangan Nusselt rata-rata akan meningkat dengan menurunkan nilai clearance ratio dan jarak antar titik pusat sirip. Faktor gesekan akan meningkat dengan menurunkan nilai clearance ratio dan jarak antar titik pusat sirip. Faktor peningkatan perpindahan panas akan meningkat dengan menurunkan C/H dan S_x/D.

Jeng, M. T. Dan Tzeng, C. T. (2006) melakukan penelitian tentang penurunan tekanan dan perpindahan panas pada sirip pin berbentuk kubus yang tersusun secara segaris dan selang-seling dalam saluran udara segiempat dengan menggunakan metode hembusan tunggal transient. Dalam penelitian tersebut menggunakan plat datar berdimensi 300 mm x 81,5 mm yang diberi sirip pin berbentuk kubus pejal dengan panjang sisi-sisinya 9,6 mm x 9,6 mm dan panjang 76,5 mm dengan jarak antar titik pusat sirip arah transversal ST/D = 1,5, 2, dan 2,8 dan dengan jarak antar titik pusat sirip arah longitudinal SL/D = 1,5, 2, dan 2,8.

Spesimen diletakkan dalam saluran udara segiempat (rectangular channel) yang berdimensi 81.5 mm x 300 mm x 76,5 mm. Pengujian dilakukan dengan variasi bilangan Reynolds sebesar 478 – 6.044 untuk susunan selang-seling dan 916 – 13.091 untuk susunan segaris. Dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa penurunan tekanan pada sirip pin kubus yang disusun secara segaris memiliki nilai penurunan tekanan yang lebih kecil dibandingkan dengan sirip pin kubus yang disusun secara selang-seling. Jarak optimal antar sirip berdasarkan bilangan Nusselt paling besar pada XT = 2 dan XL = 1,5 untuk susunan segaris dan pada XT= 1,5 dan XL = 1,5 untuk susunan selang-seling.

2.2. Dasar Teori 2.2.1. Sirip

Studi tentang komponen-komponen perpindahan panas berunjuk kerja tinggi yang berkenaan dengan berat, volume, dan biaya yang semakin kecil, dan

(24)

commit to user

perilakunya dalam berbagai kondisi lingkungan termal disebut permukaan perpindahan panas yang diperluas (extended surface heat transfer). Komponen- komponen ini telah diaplikasikan pada pesawat ruang angkasa (air-land-space vehicles), dalam proses-proses kimia, refrigerasi, dan kriogenika, dalam peralatan listrik dan elektronika, dalam tungku konvensional dan turbin gas, dalam proses pembuangan panas pada boiler, dan dalam modul bahan bakar nuklir.

Permukaan-permukaan penyerap panas maupun pembuang panas masing- masing dikenal sebagai permukaan utama (prime surface). Apabila permukaan utama diperluas dengan permukaan tambahan seperti dalam gambar 2.1., maka gabungan antara kedua permukaan tersebut dinamakan permukaan yang diperluas (extended surface). Elemen yang digunakan untuk memperluas permukaan utama dikenal sebagai sirip (fin). Jika elemen sirip tersebut berbentuk kerucut atau silinder, sirip tersebut dinamakan spines atau pegs.

Gambar 2.1. Beberapa contoh jenis extended surface: (a) sirip longitudinal (memanjang) dengan profil segiempat (b) pipa silindris dengan sirip berprofil segiempat (c) sirip longitudinal dengan profil trapezioda (d) sirip longitudinal dengan profil parabola (e) pipa silindris dengan sirip radial berprofil segiempat (f) pipa silindris dengan sirip radial berprofil trapezoida (g)cylindrical spine (h)truncated conical spine (i) truncated parabolic spine

Kebutuhan untuk perlengkapan pesawat terbang, pesawat ruang angkasa, turbin gas, pengkondisian udara, dan kriogenika telah mendapatkan perhatian khusus dalam hal keringkasan permukaan alat penukar panas, terutama pada permukaan yang mengalami gradien tekanan yang kecil dalam fluida yang bersirkulasi melaluinya. Beberapa diantaranya ditunjukkan dalam gambar 2.2.

Keringkasan (compactness) mengacu pada perbandingan luas permukaan perpindahan panas per satuan volume alat penukar panas.

(25)

commit to user

9

Definisi awal dari Kays dan London (1950) menetapkan bahwa elemen alat penukar panas kompak adalah alat penukar panas yang mempunyai kelebihan 245 m² per meter kubik alat penukar panas. Elemen alat penukar panas kompak telah tersedia lebih dari 4.100 m² per meter kubik dibandingkan dengan 65 – 130 m² per meter kubik untuk alat penukar panas konvensional dengan pipa 5/8 – 1 in. Kebanyakan elemen alat penukar panas kompak terdiri dari plat- plat permukaan utama atau pipa-pipa yang dipisahkan oleh plat, batang atau spines, yang juga bertindak sebagai sirip. Seperti pada gambar 2.2.(d), setiap sirip dapat diperlakukan sebagai sirip tunggal dengan tinggi sirip sama dengan setengah dari jarak plat pemisah dan dengan plat pemisah bertindak sebagai permukaan utama. Sehingga, alat penukar panas kompak dipandang sebagai bentuk lain dari permukaan yang diperluas (extended surface).

Gambar 2.2. Beberapa contoh jenis permukaan penukar kalor kompak: (a) pipa silinder (b) pipa silinder dengan sirip-sirip radial (c) flat tube dengan sirip kontinyu (d) sirip plat (plate fin) (e)offset plate fin (f) crossed rod matrix

Apabila sirip dan permukaan utamanya ditempatkan pada lingkungan termal yang seragam, efektivitas permukaan sirip lebih kecil daripada permukaan utama. Hal ini dapat dilihat pada plat dengan sirip memanjang (longitudinal)

(26)

commit to user

pada penampang melintang segiempat pada gambar 2.3. Permukaan plat bagian dalam membuang panas dari sumber panas dengan koefisien perpindahan panas seragam dan temperatur T1, sedangkan permukaan plat bagian luar dan sirip membuang panas tersebut ke lingkungan sekelilingnya yang lebih dingin dengan koefisien perpindahan panas seragam dan temperatur Ts. Permukaan plat yang lebih dingin berada pada temperatur intermediate Tp, dan panas dari sumber panas meninggalkan plat karena adanya gradien temperatur, T_p – T_s., Dengan cara yang sama, permukaan sirip dengan temperatur tertentu T, dan panas meninggalkan sirip karena adanya gradien temperatur T – T_s. Panas memasuki sirip melalui dasarnya (base), dimana itu berhubungan dengan plate dan bergerak berpindah secara kontinyu melalui sirip secara konduksi. Hampir dalam setiap kasus, temperatur dasar sirip akan sangat mendekati sama dengan T_p. Panas yang diserap oleh sirip melalui dasarnya dapat mengalir menuju ujung sirip hanya jika ada gradien temperatur dalam sirip, yakni T_p lebih besar dari T. Untuk kondisi ini, karena temperatur T bervariasi dari dasar hingga ujung sirip, gradien temperatur T – Ts akan lebih kecil daripada T^p – T^s, sehingga satu satuan luas permukaan sirip akan kurang efektif dibandingkan dengan satu satuan luas permukaan plat atau permukaan utama.

Gambar 2.3. Perbedaan-perbedaan gradien temperatur dalam sirip

Rugi mutlak dari unjuk kerja satu satuan permukaan sirip dibandingkan terhadap satu satuan permukaan utama dinamakan inefisiensi sirip. Efisiensi sirip didefinisikan sebagai perbandingan antara panas aktual yang hilang dari sirip terhadap panas ideal yang hilang jika temperatur seluruh permukaan sirip sama dengan temperatur dasarnya. Sirip dengan ukuran, bentuk, dan material

(27)

commit to user

11

tertentu memiliki efisiensi sirip yang berbeda-beda, dan efisiensi sirip akan bervariasi terhadap konduktivitas termal dan cara perpindahan panasnya berkenaan dengan lingkungannya. Referensi telah dibuat untuk permukaan yang diperluas berisikan beberapa tipe permukaan utama dan beberapa tipe sirip.

Banyak pengetahuan mengenai aliran panas, profil temperatur, efisiensi dan optimasi parameter-parameter sirip dapat diperoleh dari analisis tiga geometri dasar sirip yang ditunjukkan dalam gambar 2.1. yaitu sirip longitudinal, sirip radial dan spines.

Sirip dengan berbagai geometri dan konduktivitas termal akan memberikan reaksi yang berbeda terhadap sumber panas dan penyerap panas (source and sink) yang seragam dan identik. Sebaliknya, terdapat banyak hal mengapa temperatur dan koefisien perpindahan panas dari sumber panas dan penyerap panas bisa bervariasi. Hal penting dalam menganalisis geometri sirip adalah asumsi-asumsi yang diambil untuk menentukan dan membatasi masalah dan tentunya menyederhanakan penyelesaiannya. Analisis dari tiga geometri dasar sirip dapat dilakukan dengan mengacu pada asumsi Murray-Gardner, yaitu:

a. Aliran panas dalam sirip dan temperaturnya tetap konstan terhadap waktu.

b. Material sirip adalah homogen, konduktivitas termal sama di segala arah, dan tetap konstan.

c. Koefisien perpindahan panas konveksi di permukaan sirip konstan dan seragam di keseluruhan permukaan sirip.

d. Temperatur dari medium lingkungan sirip konstan.

e. Ketebalan sirip adalah kecil, dibandingkan dengan tinggi dan panjangnya, sehingga gradien temperatur melewati ketebalan sirip dan perpindahan panas dari tepi sirip dapat diabaikan.

f. Temperatur dasar sirip adalah seragam.

g. Tidak ada tahanan kontak dimana dasar sirip digabung dengan permukaan utama.

h. Tidak ada sumber panas di dalam sirip itu sendiri.

i. Panas yang ditransfer melalui ujung sirip diabaikan dibandingkan dengan panas yang meninggalkan permukaan lateralnya.

(28)

commit to user

j. Perpindahan panas ke atau dari sirip sebanding terhadap kelebihan temperatur antara sirip dan medium sekitar.

2.2.2. Sirip Pin

Sirip pin adalah elemen berbentuk silinder atau bentuk lainnya yang dipasang secara tegak lurus terhadap dinding alat penukar panas, dengan fluida pendingin mengalir dalam arah aliran melintang (crossflow) terhadap elemen tersebut. Terdapat berbagai parameter yang menggolongkan sirip pin, seperti bentuk, tinggi, diameter, perbandingan tinggi-diameter (H/D) dan sebagainya. Sirip pin dengan perbandingan tinggi-diameter (H/D) antara 0,5 – 4 dikategorikan sebagai sirip pin pendek (short pin fin), sedangkan sirip pin panjang (long pin fin) memiliki perbandingan tinggi-diameter > 4. Perbandingan tinggi- diameter yang besar merupakan bagian yang menarik dalam aplikasi alat penukar panas dalam hal pencapaian koefisien perpindahan panas yang sangat tinggi.

stream-wise direction

horizontal base-plate

x span-w ise direction vertical

direction

s_x

s^y

air flow z

y

Gambar 2. 4. Sebuah susunan sirip pin kubus

Sirip pin dapat disusun dalam dua arah utama. Pada gambar 2.5.

sirip-sirip pin ditunjukkan dalam susunan segaris (inline) dan selang-seling (staggered). S_L adalah jarak antar titik pusat sirip sepanjang arah aliran (stream- wise direction), sedangkan S_T adalah jarak antar titik pusat sirip yang diukur normal/tegak lurus terhadap arah aliran (span-wise direction).

(29)

commit to user

13

sL

sT

Flow

sL

sT

Flow

(a) (b)

Gambar 2.5. Susunan sirip pin (a) inline (b) staggered

2.2.3. Macam-Macam Bentuk Sirip pin 2.2.3.1. Kubus

Sirip pin berbentuk kubus (cubic pin fin) dapat disusun secara segiempat maupun diamond berdasarkan arah aliran. Diamond merupakan susunan segiempat yang diputar 45^o. Gambar 2.6. menunjukkan sketsa kedua tipe susunan.

Gambar 2.6. Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin kubus dan sirip pin diamond

2.2.3.2. Silinder

Silinder lurus merupakan geometri sirip pin yang paling umum. Geometri sirip pin yang lain adalah silinder lurus dengan ujung difillet (filleted pin fin) dan silinder tirus (tapered cylindrical pin fin) . Hubungan antara geometri sirip pin silinder lurus dengan geometri sirip pin silinder berfillet ditunjukkan dalam gambar 2.7.

(30)

commit to user

Gambar 2.7. Perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip pin silinder berfillet

2.2.3.3. Ellips

Sirip pin ellips adalah bentuk silinder yang direntangkan dalam satu arah garis diameternya. Gambar 2.8. menunjukkan sketsa geometri circular fin dan dua bentuk sirip pin ellips. Dalam menguji sirip pin ellips, sumbu utama (major axis) segaris dengan arah aliran.

Gambar 2. 8. Ukuran relatif dari circular fin, SEF dan N fin.

Bentuk-bentuk sirip pin ellips dapat dijelaskan sebagai berikut : a. Standard Elliptical Fin (SEF).

Sirip pin ini mempunyai standar penampang ellips dengan panjang sumbu minor sama dengan diameter circular fin dan panjang sumbu utama adalah 1,67 kali panjang sumbu minor. Luas permukaan dari SEF dihitung 1,35 kali luas permukaan circular fin, tetapi luas frontal efektif sama dengan circular fin karena panjang sumbu minor sama dengan diameter circular fin.

(31)

commit to user

15

b. N fin

Bentuk sirip ini diturunkan dari seri airfoil simetris 4 digit NACA. Panjang sumbu minor sama dengan diameter circular fin dan panjang sumbu utama 2,5 kali panjang sumbu minor. Luas permukaan N fin dihitung 1,85 kali lebih besar daripada luas permukaan circular fin. Luas frontal efektif adalah sama dengan circular fin.

2.2.3.4. Oblong

Sirip pin oblong merupakan perpaduan antara bentuk silinder dan bentuk kubus. Sirip pin oblong tersusun pada sudut orientasi yang berbeda, γ, berdasarkan arah aliran. Gambar 2.9. menunjukkan tata nama yang digunakan dalam sirip pin oblong.

Gambar 2.9. Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin oblong

Kemampuan bentuk sirip pin dalam meningkatkan perpindahan panas dapat dilihat dari kemampuannya dalam menyebabkan pemisahan aliran (flow separation) dan menghasilkan turbulensi dalam medan aliran. Sehingga, sirip pin dengan bentuk yang kurang aerodinamis akan menghasilkan peningkatan perpindahan panas yang lebih baik. Misalnya pada sirip pin kubus. Karena kuatnya gaya inersia dari aliran fluida di sekitar sirip pin, aliran tidak dapat melekat pada permukaan sirip bagian belakang (downstream) dari sudut yang tajam. Selain itu, perubahan lintasan aliran secara tiba-tiba di sekeliling sirip pin kubus menyebabkan pemisahan aliran dan daerah pusaran turbulen (turbulent vortex shedding), yang dapat menambah perpindahan panas dalam susunan sirip pin tersebut.

(32)

commit to user 2.2.4. Aplikasi Sirip pin

Perpindahan panas dari susunan sirip pin merupakan subjek yang sangat penting dengan banyak aplikasi keteknikan. Aplikasi tersebut mulai dari alat penukar panas kompak, boiler untuk turbin uap dan pendinginan internal secara konveksi dari air foils turbin gas. Seperti pada gambar 2.10., sirip pin biasanya dimasukkan dalam ruang pendinginan dalam (internal cooling) dekat trailing edge dari sudu turbin untuk meningkatkan perpindahan panas.

Hal ini memungkinkan sudu beroperasi dalam temperatur tinggi tanpa mengalami kerusakan, sehingga meningkatkan efisiensi termal dan daya output.

Gambar 2.10. Potongan melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam (internal cooled)

Oleh karena pertimbangan aerodinamis, seperti pada gambar 2.10., trailing edge dari sudu menuntut profil yang semakin mengecil. Untuk itu, ruang pendinginan dalam daerah ini harus dengan bentuk penampang trapesium.

Pendingin dari pangkal sudu (blade base) bergerak memutar ke samping kemudian dikeluarkan dari slot ujung sudu, atau melalui saluran sirip pin kemudian keluar dari slot sepanjang trailing edge sudu. Namun, kebanyakan penelitian yang dilakukan adalah untuk sirip pin yang menggunakan saluran segiempat (rectangular channel) dengan aliran keluar yang lurus.

(33)

commit to user

17

2.2.5. Perpindahan Panas

Perpindahan panas adalah ilmu yang mempelajari tentang cara untuk meramalkan perpindahan (distribusi) energi berupa panas yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur di antara benda atau material. Perpindahan panas dapat dibagi menjadi tiga macam, yaitu perpindahan panas secara konduksi, konveksi dan radiasi.

Perpindahan panas secara konduksi adalah distribusi energi berupa panas yang terjadi pada benda atau medium yang diam (padat) bertemperatur tinggi ke bagian benda yang bertemperatur rendah atau terdapat gradien temperatur pada benda tersebut. Dalam aliran panas konduksi, perpindahan energi terjadi karena hubungan molekul secara langsung tanpa adanya perpindahan molekul yang cukup besar. Bila molekul – molekul di satu daerah memperoleh energi kinetik rata – rata yang lebih besar daripada energi kinetik yang dimiliki oleh molekul – molekul di sekitarnya, sebagaimana yang diwujudkan pada benda yang berbeda suhu, maka molekul – molekul yang memiliki energi lebih besar tersebut akan memindahkan sebagian energinya ke molekul – molekul di daerah yang bersuhu rendah.

Rumus dasar perpindahan panas secara konduksi adalah : x

T A Q= k D

(2.1)

dimana:

Q = laju perpindahan panas (Watt) k = konduktivitas panas (W/m.^oC)

A = luas penampang perpindahan panas (m²)

∆T = beda temperatur (^oC) x = jarak lintas aliran panas (m)

Perpindahan panas secara konveksi adalah distribusi energi berupa panas yang terjadi karena terdapat aliran fluida.

Persamaan dasar perpindahan panas konveksi adalah : )

( - _¥

×

=h A T T

Q _w (2.2)

dimana:

Q = laju perpindahan panas (Watt)

(34)

commit to user

h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m²^oC) A = luasan perpindahan panas arah normal Q (m²) Tw = temperatur permukaan benda (^oC)

T¥ = temperatur fluida (^oC)

Perpindahan panas konveksi ada dua macam, yaitu:

1. Konveksi alami (natural convection)

Adalah perpindahan panas konveksi dimana aliran fluida yang terjadi karena perbedaan densitas fluida tersebut yang disebabkan adanya pemanasan.

2. Konveksi paksa (forced convection)

Yaitu perpindahan panas konveksi dimana aliran fluida yang berlangsung dengan bantuan tenaga lain, misalnya udara yang dihembuskan di atas plat oleh kipas.

Sedangkan perpindahan panas radiasi ialah distribusi energi berupa panas yang terjadi melalui pancaran gelombang cahaya dari suatu zat ke zat yang lain tanpa zat perantara.

Persamaan dasar perpindahan panas radiasi adalah : s

e AT⁴

Q = (2.3)

dimana:

Q = panas yang dipancarkan (Watt) ε = emisivitas permukaan benda (0 s.d. 1) A = luas perpindahan panas (m²)

T = temperatur permukaan benda (K) σ = konstanta Steven Boltzman (W/m².^oC)

Untuk benda hitam sempurna nilai emisivitasnya (ε) adalah 1 dan besar σ

= 5,67.10^-8 W/m².K⁴

2.2.6. Parameter Tanpa Dimensi

Persamaan perpindahan panas konveksi berkaitan dengan variabel penting yang dinamakan parameter tanpa dimensi (dimensionless). Parameter

(35)

commit to user

19

tanpa dimensi dalam kaitannya dengan perpindahan panas konveksi adalah:

a) Bilangan Reynolds ( Reynolds Number )

Bilangan Reynolds dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya inersia dengan gaya kekentalan, di dalam kecepatan lapis batas. Untuk kontrol volume yang berbeda pada lapis batas ini, gaya inersia diasosiasikan dengan sebuah kenaikan momentum dari fluida yang bergerak melewati kontrol volume.

Gaya inersia dalam bentuk ^¶

[

^(r ^u⁾^u

]

^/^¶^xdidekati dengan persamaan : L

F_I V r 2

= . Gaya kekentalan diwakili dengan gaya geser dalam bentuk

( )

[

u y

]

y

yx ¶ =¶ ¶ ¶ ¶

¶t / m / / dan dapat didekati dengan persamaan : F_s =mV/ L². Perbandingan gaya tersebut dapat ditulis :

L s

I VL

L V

L V F

F Re

/ /

2 2

=

= m

r m

r (2.4)

Untuk harga Re yang tinggi , gaya inersia akan lebih berpengaruh daripada gaya kekentalan. Untuk harga Re yang rendah, gaya kekentalan akan lebih berpengaruh dari gaya inersia.

b) Bilangan Nusselt ( Nusselt Number )

Bilangan Nusselt adalah bilangan tanpa dimensi yang menyatakan perbandingan antara koefisien perpindahan panas konveksi terhadap konduktivitas termal fluida. Bilangan ini menyediakan sebuah perhitungan tentang perpindahan panas konveksi yang terjadi pada permukaan. Bilangan Nusselt dirumuskan :

kf

Nu= hD (2.5)

dimana :

Nu = bilangan Nusselt

h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m².^oC) D = diameter ( m )

k_f = konduktivitas termal fluida ( W/m.^oC)

Bilangan Nu merupakan fungsi universal dari bilangan Re, Apabila fungsi bilangan Re diketahui, maka dapat digunakan untuk menghitung nilai Nu untuk fluida, nilai kecepatan, dan skala panjang yang berbeda.

(36)

commit to user

2.2.7. Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada Pin- Fin Assembly

2.2.7.1. Perhitungan Perpindahan Panas (Heat Transfer)

Kesetimbangan energi kondisi tunak (steady state) untuk permukaan uji yang dipanaskan secara elektrik adalah sebagai berikut :

Qelect = Qconv + Qloss (2.6)

dimana :

Q_elect = laju aliran panas dari listrik (W) Q_conv = laju perpindahan panas konveksi (W)

Q_loss = laju aliran panas yang hilang dari sistem (heat loss) (W)

Input panas listrik dapat dihitung dari tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke permukaan. Kehilangan panas (heat loss) dari sistem bisa karena :

(i) radiasi dari permukaan dan

(ii) konduksi melalui dinding-dinding saluran ke atmosfer Sehingga persamaan (2.6) dapat ditulis menjadi :

Qelect = Qconv + Qrad + Qcond (2.7)

dimana :

Qrad = laju perpindahan panas radiasi (W) Qcond = laju perpindahan panas konduksi (W)

Pada penelitian yang serupa, Naik et al (1987) dan Hwang dan Liou (1995) melaporkan bahwa total kehilangan panas radiasi dari permukaan uji yang serupa sekitar 0,5% dari total input panas listrik, sehingga kehilangan panas karena radiasi diabaikan. Kehilangan panas karena konduksi dari sisi dinding-dinding dapat diabaikan dibandingkan dari permukaan bawah dari seksi uji, karena luas total sisi plat yang dipanaskan jauh lebih kecil dari luas permukaan bawah. Pada penelitian ini, permukaan bawah dari plat uji tidak dipapar ke aliran, dan diisolasi dengan kombinasi lapisan isolator dan lapisan kayu, sehingga kehilangan panas konduksi dapat diminimalisir. Analisis data akan memuaskan jika persentase total kehilangan panas, (Qelect –Qconv)/Qconv kurang dari 10% (Naphon, P., 2007).

Maka persamaan (2.7) menjadi :

Q_elect = Q_conv (2.8)

Panas yang dipindahkan dari permukaan bersirip dengan cara konveksi adalah :

(37)

commit to user

21

úû ê ù

ë

é ÷

ø ç ö

è

æ +

-

×

= 2

out in b s conv

T T T

A h

Q (2.9)

dimana :

Q_conv = laju perpindahan panas konveksi (W)

h = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (W/m².K) As = luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara dari pin fin assembly (m²)

Tb = temperatur permukaan plat dasar (base plate) (K) Tin = temperatur inlet dari aliran udara (K)

Tout = temperatur outlet dari aliran udara (K) Dari persamaan (2.9), Qconv dapat juga dinyatakan dengan :

(

out in

)

p

conv m C T T

Q = &× × - (2.10)

dimana :

= laju aliran massa udara (kg/s) C_p = panas jenis udara (J/kg.K) T_in = temperatur inlet aliran udara (K) T_out = temperatur outlet aliran udara (K)

Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) dapat dihitung dengan menggunakan kombinasi persamaan (2.9) dan (2.10), sehingga didapatkan bahwa:

( )

úû ê ù

ë

é ÷

ø ç ö

è

æ +

-

×

= ×

× 2

out in b s

in out p

T T T

A

T T C h m&

(2.11)

Dari persamaan (2.11), laju aliran massa, , dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

m& = r. At. V (2.12)

Dimana :

r = massa jenis (densitas) udara (kg/m³) At = luas penampang saluran udara (m²)

(38)

commit to user

Gambar 2.11. Pin fin assembly dalam suatu saluran udara segiempat dengan clearence nol

Untuk kasus dengan clearence nol seperti pada gambar 2.11., maka A_t dihitung dengan rumus :

A_t = H. W_b (2.13)

A_s adalah luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara dari pin fin assembly atau luas permukaan total dari permukaan plat dasar dan sirip-sirip segiempat dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

A_s = W_b.L + 2 (a + b).H.N_f – a.b.N_f (2.14) dimana :

W_b = lebar base plate untuk pin fin assembly (m) L = panjang base plate untuk pin fin assembly (m) a, b = panjang sisi-sisi sirip pin segiempat (m)

N_f = jumlah total sirip pin segiempat dalam pin fin assembly H = tinggi saluran udara atau tinggi sirip pin segiempat (m)

Dari persamaan (2.11), nilai-nilai T_b, T_in dan T_out diukur dari percobaan yang dilakukan menggunakan termokopel. Sedangkan sifat termofisik dari udara C_p dihitung berdasarkan temperatur udara rata-rata, T_f = (T_in + T_out)/2 menggunakan persamaan sebagai berikut :

Cp = [9,8185 + 7,7 x 10^-4 (Tin + Tout)/2] x 10²J/kg.K (2.15)

(39)

commit to user

23

Persamaan (2.15) berlaku untuk udara pada tekanan atmosfer dan 250 K ≤

2

out

in T

T -

≤ 400 K

Parameter tanpa dimensi yang digunakan dalam perhitungan perpindahan panas untuk permukaan bersirip dihitung sebagai berikut :

a. Bilangan Reynolds (Re)

Dua jenis bilangan Reynolds digunakan untuk menggolongkan kondisi aliran.

Pertama adalah bilangan Reynolds berdasarkan kecepatan rata-rata (V) dalam saluran halus (smooth duct) dan diameter hidrolik dari saluran (Dh) dan dinyatakan dengan :

Re = v

D V× _h

(2.16)

Re = m r×V×D_h

(2.17)

Kedua adalah berdasarkan kecepatan maksimum melalui sirip-sirip pin dan ketebalan dari sirip-sirip pin, yaitu :

ReD =

m r×V_maks ×D_h

(2.18) dimana Vmaks adalah kecepatan maksimum melalui sirip-sirip pin dan diberikan dengan persamaan :

Vmaks = V

A A

A

front

÷×

÷ ø ö çç

è æ

- (2.19)

ReD telah digunakan secara luas dalam banyak studi perpindahan panas pada sirip pin, dan ReD tergantung pada jumlah pin dalam arah spanwise dan tinggi dari sirip-sirip pin. Re diatas biasa disebut sebagai duct Reynolds number dan Re_D disebut sebagai pin Reynolds number.

b. Bilangan Nusselt (Nu)

Seperti pada definisi bilangan Reynolds, bilangan Nusselt rata-rata dinyatakan juga dengan duct Nusselt number dan pin Nusselt number, dimana berturut- turut dinyatakan dengan persamaan :

(40)

commit to user Nu =

k D h× _h

(2.20) Nu =

k d h×

(2.21)

dimana :

Re = duct Reynolds number ReD = pin Reynolds number

V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s) Vmaks = kecepatan maksimum melalui sirip-sirip pin (m/s) Dh = diameter hidrolik dari saluran udara (m)

d = diameter sirip pin (m)

n = viskositas kinematik udara (m²/s) r = massa jenis udara (kg/m³)

µ = viskositas dinamik udara (kg/m.s) A = luas penampang saluran (m²) A_front = luas frontal dari sirip-sirip (m²) Nu = duct Nusselt number

NuD = pin Nusselt number

h = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (W/m².K) k = konduktifitas termal udara (W/m.K)

Untuk saluran udara segiempat, diameter hidrolik, Dh , dihitung dengan persamaan :

(

b

)

b

h H W

W H P

D A

+

×

= ×

= 2

4

4 (2.22)

Properties udara, µ dan k dihitung berdasarkan temperatur udara rata-rata, Tf = (Tin + Tout)/2 menggunakan persamaan sebagai berikut :

µ = [4,9934 + 4,483 x 10^-2 (T_in + T_out/2)] x 10^-6 kg/m.s (2.23) k = [3,7415 + 7,495 x 10^-2 (T_in+ T_out/2)] x 10^-3 W/m.K (2.24) Persamaan (2.23) dan (2.24) berlaku untuk udara pada tekanan atmosfer dan 250

K ≤ 2

out

in T

T +

≤ 400 K

(41)

commit to user

25

2.2.7.2. Perhitungan Faktor Gesekan (Friction Factor)

Penelitian penurunan tekanan (pressure drop) sepanjang seksi uji dalam saluran bersirip diukur dibawah kondisi aliran panas. Pengukuran ini dikonversi ke faktor gesekan (friction factor), f. Faktor gesekan ditentukan dari nilai pengukuran penurunan tekanan, DP , sepanjang seksi uji menggunakan persamaan

úú û ù êê

ë é

÷÷ø çç ö

è æ ×

÷÷× ø çç ö è æ

= D

2 V2

D L f P

h

t r

(2.25)

dimana :

f = faktor gesekan

DP = perbedaan tekanan statik (N/m²)

L_t = panjang jarak titik pengukuran tekanan di seksi uji (m) D_h = diameter hidrolik (m)

r = massa jenis udara (kg/m³)

V = kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s)

2.2.7.3. Perhitungan Unjuk Kerja Termal Pin Fin Assembly

Peningkatan perpindahan panas dicapai dengan mengorbankan penurunan tekanan. Banyak aplikasi praktis hal tersebut dibolehkan, sehingga perlu untuk menentukan keuntungan ekonomis karena peningkatan perpindahan panas dan pengaruh sirip-sirip pin dan susunannya terhadap unjuk kerja energi overall dari sistem perpindahan panas sekarang melalui sebuah analisis unjuk kerja termal.

Daya pemompaan (pumping power) adalah daya yang dibutuhkan untuk mengalirkan fluida pendingin ke susunan sirip pin, dalam hal ini adalah daya blower. Daya pemompaan blower dapat diukur dari besaran arus dan tegangan listriknya. Untuk sebuah daya pemompaan yang konstan, adalah berguna untuk menentukan efektivitas peningkatan perpindahan kalor dari promotor perpindahan panas dibandingkan dengan permukaan halus, sedemikian sehingga :

a a s

s P V P

V& ×D = & ×D (2.26)

(42)

commit to user

Dimana V& dan _s V& berturut-turut adalah laju aliran volumetrik di atas plat tanpa _a halangan (blocks) dan dengan halangan, sedangkan D dan P_s DP_a berturut-turut adalah penurunan tekanan tanpa dan dengan halangan. Mengunakan persamaan Darcy untuk penurunan tekanan dan bilangan Reynolds untuk masing-masing geometri, dari hubungan antara permukaan dengan sirip dan permukaan halus untuk daya pemompaan yang sama, persamaan (2.26) dapat ditulis ulang menjadi

3

3 Re

Re_a _a _a

s f

f × = × (2.27) Efisiensi peningkatan perpindahan panas untuk suatu daya pemompaan yang konstan dapat dinyatakan sebagai berikut :

h = (ha/hs)P (2.28)

dimana :

ha = koefisien perpindahan panas konveksi dengan sirip (W/m².K) hs = koefisien perpindahan panas konveksi tanpa sirip (W/m².K) Jika nilai h ≥ 1, teknik yang dipakai untuk menaikkan laju perpindahan panas adalah menguntungkan dari sudut pandang energi. Jika h ≤ 1, energi yang telah digunakan untuk menaikkan laju perpindahan panas lebih besar daripada yang diperoleh.