HEAT CONDUCTIVITY COPPER PIPE IN UNIDIRECTIONAL FLOW PIPE CONCENTRIC AND
OPPOSITE
ERWIN FIRMANSYAH, DR. IR. YANNAR MM.M.ENG Undergraduate Program, 2007
Gunadarma University http://www.gunadarma.ac.id
key words: heat exchanger, circulation pump, reynolds numbers ABSTRACT :
Heat exchanger (heat exchanger) with various types used in. Machining systems. The purpose of this research is to find the total heat transfer coefficient in the pipe concentric with the flow direction and opposite direction. Concentric pipes with a diameter of 0.5 ins, one in outer pipe installed horizontally, with water circulation pump in which hot water flows inside and outside cold water. Hot and cold water temperature was measured before entering and are measured at the time of exit. The variation of the flow rate was measured with a measuring cup. Results are shown in the graph, where the flow rate or Reynolds numbers, the difference in temperature, pipe material, pipe diameter, number Nussalt very influential on heat transfer coefficient.
JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA
Erwin Firmansyah 20400433
JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS GUNADARMA
Alat penukar kalor / panas (heat exchanger) dengan bermacam tipe digunkan dalam sistem permesinan. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mencari koefisien perpindahan panas total didalam pipa konsentrik dengan aliran searah dan berlawanan a rah.
Pipa koesentrik dengan diameter dalam 0,75 in, diameter pipa luar 0,5 in dipasang secara horizontal, sirkulasi air dengan pompa dimana air panas mengalir di dalam dan air dingin diluar. Temperartur air panas dan air dingin di ukur sebelum masuk dan di ukur pada saat keluar. Variasi laju aliran di ukur dengan gelas ukur. Hasil di tunjukkan dalam grafik, dimana debit aliran atau angka bilangan Reynolds, selisih temperature, material pipa, diameter pipa, angka Nusselt sangat berpengaruh terhdap koefisien perpindahan panas.
Pendahuluan
Perkembangan teknologi saat ini sangat berkembang dengan pesat seiring dengan proses globalisasi dalam segala bidang, s a l a h s a t u n y a d a l a m b i d a n g i l m u pengetahuan dan teknolgi, terutama yang erat kaitannya dalam hal industri sehingga sangat di butuhkan temuan – temuan i n o v a t i v e y a n g d a p a t m e n d u k u n g perkembangan industri tersebut yang dapat berupa teori – teori atau pun berupa alat – alat. Temuan tersebut tentu harus sudah melalui proses banyak penelitian dan percobaan untuk menghasilkan efesiensi yang besar.
Permasalahan dan Batasan Masalah D a la m pe r pi nda ha n pa na s ( he a t exchanger) pada pipa kosentrik yang mana pipa – pipa tersebut terdiri dari pipa tembaga dan pipa pvc, yang digabungkan menjadi satu, yang mana fungsinya untuk mencari nilai koesifien perpindahan panas tersebut yang terjadi di dalam pipa tembaga. Sehingga kita menggunkan sebuah rumus perpindahan panas yang utama yaitu :
dq = U.d.A.ÄT
Dalam persamaan tersebut U adalah koefisien perpindahan panas yang tidak berdimensi.yang mana maksud dari persamaan di atas tersebut adalah untui menentukan laju aliran perpindahan panas
pada pipa kosentrik dan bentuk aliran fluida yang di gunakan adalah air panas yang dipanaskan terlebih dahulu sampai suhu 100ºC.
Untuk mempermudah penulisan khususnya dalam perhitungan data maka dilakukan pembatasan – pembatasan masalah dan asumsi- asumsi. Pembatasan masalah dan asumsi tersebut antara lain:
1. Tipe alat penukar panas yang digunakan adalah sebuah pipa yang mana pipa yang digunakan adalah pipa pvc dan p i p a t e m b a g a y a n g m e r u p a k a n cangkang.
2. Fluida yang digunakan adalah air panas. 3. Salah satu fluida (air) mengalir melalui
pipa di dalamnya, fluida tersebut mengalir melalui cincin yang berbentuk silinder pipa, maupun silinder dalam dan silinder luar.Karena kedua aliran fluida melintas penukar panas hanya sekali, maka dinamakan satu lintas saja(single pass), lalu dalam penelitian alat ini kedua fluida itu mengalir dalam arah yang sama atau berbarengan (parallel flow), dan juga terdapat aliran berlawan arah(counter flow), yang mana terdapat beda suhu antara fluida yang panas dan fluida yang dingin tidak konstan
nilainya pada sepanjang pipa dan laju aliran panasanya akan berbeda- beda. 4. Dalam penelitian alat ini menggunkan
sebuah pompa air yang jenis tipe semi jet pump.
5. Analisa penelitian menggunakan dasar-dasar teori termodinamika yang hanya dipakai materinya yaitu konveksi dan konduksi, radiasi tidak dipakai materinya.
Tujuan penelitian ini yang kita uji coba adalah untuk mencari nilai koefisien
perpindahan panas total pada logam tembaga , di dalam pipa kosentrik dengan aliran searah dan berlawanan arah dan perpindahan panas yang terjadi pada pipa pvc, yang mana di dalam pipa pvc terdapat pipa tembaga. Pada penelitian ini menggunkan air panas yang dipanaskan terlebih dahulu mencapi suhu 100ºC.
Hasil Pembahasan
Desain alat yang digunakan pada penelitian ini dari panjang pipa pvc terhadap konduktivitas thermalnya dan nilai koefisien thermalnya. Alat yang dibuat desain yaitu suatu perpindahan panas yang dilakukan menggunakan pipa yang terbuat dari bahan tembaga yang gunannya untuk mengetahui k o n d u k t i v i t a s t h e r m a l n y a . U n t u k mendapatkan data yang benar penulis menggunakan sebuah rangakian atau instalasi pipa yang sederhana. Pada alat penelitian ini dipasang 3 buah katup, di setiap sambungan pipa pvc, yang mana fungsinya untuk mengatur tekanan air yang keluar di outlet pipa menuju ke bak penampung air dan pada percobaan ini menggunakan sebauh pompa sejenis jet pump yang gunannya untuk untuk sebagai
proses sirkulasi air panas menjadi dingin, yang mana hasil proses sirkulsinya dapat diketahui di bak penampung air. Yang mana ember tersebut berukuran sedang. Pada instalasi pipa ini teradapat komponen – komponen di dalamnya yaitu:
-Strenggear. Yang gunannya untuk sebagai tempat kedudukan tangki buat air panas yang telah dipanaskan terlebih dahulu.
- Tangki air panas. Yang gunannya untuk menampung air panas pada suhu 100ºC.
- Bak penampung awal. Yang gunannya untuk menampung air dingin yang di isi terlebih dahulu.Yang mana fungsinya untuk terjadinya proses sirkulasi air panas menjadi dingin.
cm. - Bak penampung terakhir. Yang
gunannya untuk menampung air yang keluar dari ujung outlet pipa tembaga.
- Pipa tembaga. Yang gunannya untuk pengambilan data. Dengan berdiameter. 1 inch.
- Pipa pvc. Yang gunannya untuk menggabungkan pipa pvc dan pipa tembaga di ja di sa tu, ya ng fungs inya untuk menentukan cara proses kerja perpindahan panas(heat exchanger).
- Pom pa . Y a ng gu n a nn ya un tu k mengalirkan air dingin dari bak penampung awal menuju ke sisitem pendingin dan untuk mempercepat tekanan air.
- Termometer digital Yang gunannya untuk mengukur suhu pada pipa pvc dan aluminium yang dari mana ketelitian bacanya 40 -150ºC (1 buah)
- Stopwatch Yang gunannya untuk mengukur waktu yang diperlukkan pada saat mengalirkan air menuju ke bak penampung.
- Gelas ukur. Yang gunannya untuk mengukur berapa liter air yang keluar dari outlet pipa tembaga.
Keterangan Gbr:
- Panjang pipa pvc =183 cm - Panjang pipa tembaga = 176
Gambar 3.1 Set up alat uji pipa tembaga & pipa pvc.
Pada Gbr 3.1. adalah sebuah rangkaian pipa atau instalasi pipa pvc dan pipa tembaga. Yang mana pada rangakian pipa tersebut gunannya untuk mengetahui cara perpindahan panas (heat exchanger), dan m e n e n t u k a n n i l a i k o e f i s i e n p a n a s thermalnya. Pada pengolahan data ini kembali di lakukan langkah – langkah pengambilan data sebagai berikut :
1.Untuk menentukan nila Reynolds :
Re ρ
Dimana :
Re =Renould number
P = Kerapatan fluida (kg/m3)
u = Kecepatan rata – rata terhadap waktu dalam arah (m/dt)
d = Diameter pipa (m)
P = Dinamika viskositas (Pa.dt).
2. Untuk menentukan aliran koefisien perpindahan panas : N u . h l = k Dimana : Nu =Nusslet number
h = Koefisien perpindahan panas konvek si.(W/m2K)
L = Signifikan panjang pipa (m) k = Konduktivitas thermal (W/m2K) 3. Untuk menentukan nilai konveksi dari
dalam yaitu :
Q = U.A. ATm
Dimana :
Q = Laju volume aliran fluida (air).(m3) h.l= Koefisien perpindahan panas fasa cair an (W/m2K)
T2= Temperatur awal (ºC)
T1= Temperatur akhir (ºC)
menuju ke outlet pipa yaitu : T max T min = TmA - A 2 Dimana:
ATm = Beda temperatur rata – rata di
dalam penukar kalor.
A Tmax = Beda temperatur maksimum (rad)
ATmin = Beda temperatur minimum (rad)
Rekapitulasi Data.
Untuk menentukkan temperatur pada penelitian alat ini yaitu :
Th1: Temperatur air panas yang masuk
Th2: Temperatur air panas yang keluar
Tc1: Temperatur air dingin yang masuk
Tc2:Temperatur air dingin yang masuk
Th: Temperatur air panas keseluruhan
nya
Tc: Temperatur air dingin keseluruhan
nya
ATm: Beda temperature rata – rata
kesel
uruhanya
Jumlah panas yang dibutuhkan d i d a la m pe r pi n d a ha n pa na s ( H e a t exchanger ) dengan berbahan pipa PVC yang dilapisi pipa tembaga adalah dengan menghasilkan beda suhu rata – rata dalam penukar kalor dengan rumus sebagai berikut :
Untuk mencari perbedaan temperatur/ suhu rata – rata yaitu : Δ + Δ
T i T e Δ = _ _ _ = Tm 2 Dimana: T1= 363 ° K.. T2=. 351 º K T3= 357 ° K. T4= 305 ° K. T5= 307 ° K
Sehingga kita dapat memasukkan data tersebut ke dalam rumus sebagai berikut:
ΔT i =Th1−T c 2 d a n ÄT e=Th2−T c 1
ΔTi+ ΔTe
2
= ÄTm = 3 5 ( ° K ) .
Didalam analisa ini tak lupa penulis kemukakan data dari penelitian yang penulis lakukan dengan menghitung / mengukur suatu penelitian yaitu:
Dimeter dalam pipa (pipa tembaga) = 1,76 inch , dimana diameter dalam tersebut satuannya dijadikan m (meter).
Sehingga : 1 inch = 2,54 cm. 1/2 inch = 2,54 : 2 =0,25 cm = 0,025 m.
Diameter luar pipa (pipa PVC ) = 183 cm = 1,83 m
Luas penampang pipa tembaga = 13,8 m2 , dimana di dapat dari rumus : A = ð .d.L jadi luas penampang dapat kita hjitung dengan menggunakan rumus tersebut , hitungannya sebagai berikut:
Dimana :
A= Luas penampang pada perpinda han kalor (m2)
π= Jari – jari silender pada ujung pipa (rad)
d = diameter dalam pipa .(rad) (°K)
Sehingga hasil yang didapat pada data diatas yaitu:
A = ð .d. L
= 3,14 x 0,0127m.2,02m = 8,05m2.
Panjang pipa Aluminium = 202 cm = 2,02 m.
Perhitunganuntuk mencari konduktivitas panas (k), pada pipa tembaga pada pipa konsetrik yaitu : (Th1−Th2) k = A_________xQ L = 591,4 (W/mºk ). 290 8,05 = 36 (W/m2 ºK).
Perhitungan untuk mencari perpinda han kalor pada pipa kosentrik. Dimana untuk menghitung perpindahan kalor pada pipa kosentrik di dapatkan ru mus sebagai berikut :
Q = U.A.ÄTm
= 20 W/m2x 13,8 m2.x (11,10°K) = 30,63 Watt.
Perhitungan untuk mencari koefisien panas yang terjadi pada pipa kosentrik yaitu :
h =A k(W/m2 ºK).
Diketahui:
k = 591,4 (W/m° K) . A = 13,8 (m2).
Jadi dari data diatas dapat kita masukkan kedalam rumus koefisien thermal dibawah ini :
Dimana :
U = Koefisien perpindahan kalor menye luruh
A = Luas permukaan perpindahan kalor yang sesuai dengan definisi U Δ Tm= Beda suhu rata – rata.
Diketahui : U = 20 W/m2°K A = 13,8 m2. ΔTm= 11,10ºK. k h = A
h.l Nu = k
Perhitungan untuk mencari kecepatan
591,4 = 12,7 V = 4 × q / 2r × D2. Diketahui: q = 316,4 m2/dt. D = 0,0254 m. 2r = 3,1 4
Dari data di atas mendapatkan hasilnya seba gai berikut :
V = 4 x q / 2r × D2
= 4 × 494,25 m2/dt / 3,14 × (0,0254)2m. = 39,35 m /dt.
Perhitungan untuk mencari Nusselt
h.l Nu =k
Perhitungan untuk mencari Reynolds yaitu : UxD Re = p Diketahui: U = 11,10 W /m2°K D = 0,02542m.
(Viskositas kinematik dari tabel A4) Dari data di atas mendapatkan hasilnya sebagai berikut : Diketahui : Re = p xVxD. h L = 42,85 W/m2K = 1,76 m. = 591,4W/m ° K. = = p x x 0,866 3 9,3 5 , 02542 1,67 5,101
Sehingga dari data di atas mendapatkan Kesimpulan. hasil sebagai berikut :
1. Konduktivitas panas pada pipa tembaga terlihat konstan, mungkin disebabkan
aliran pada pipa kosentrik. 42,8x1,76
selisih temperatur dan laju aliran yang ren dah
2. Nilai koefisien panas, (h) sangat di penga ruhi oleh laju aliran air dingin dan selisih temperatur.
Saran.
1. Perlu di buat alat yang lebih baik agar pe ngukuran temperature dan laju aliran lebih akurat
2. Harus dibuat selisih temperatur yang bes ar, panjang pipa, debit aliran agar mudah mendapatkan data.
4.1 Tabulasi Hasil Dari Pengambilan Data Keseluruhannya.
Th1(° k) 371 360 343 TC1(°K) 358 348 333 Th2(°K) 343 315 321 TC2(°K) 313 318 318 TC(°K) 733 735 768 Th(°K) 806 810 768 q (Watt) 16,03 29,25 22,59
h (W/m2°K) 150 165,71 128,16
Re 2858 2798 25367
ΔTm(°K) 46,45 11,10 11,43
Daftar Pustaka
1. J.P. Holman “Heat Transfer”, 6th,ed, McGraw-Hill Book Company, 1987. 2. Frank Kreith Arko Prijono M.sc,”Prinsip – prinsip Perpindahan Panas “edisi Ke 3,
Jakarta Timur, 1994.
3. J.P Holman E. Jasjfi, “Perpindahan Kalor”,ed Ke-6, Jakarta Timur, 1995 4. Sears.Zemansky,”Fisika Mekanika Panas dan Bunyi “,(The City Collage of The
City of The New York, Inc,1962.
5. P.K Tata McGraw-Hill “Heat Transfer”,13th(Tata McGraw Hill Publishing Company Limited, 7 West Patel Nagar, New Dehli, 2004
