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.
1
JURNAL SKRIPSI PROGRAM SARJANA
Erwin Firmansyah 20400433
JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS GUNADARMA 2006
2
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.
3
Pendahuluan
pada pipa kosentrik dan bentuk aliran fluida
Perkembangan teknologi saat ini sangat yang di gunakan adalah air panas yang berkembang dengan pesat seiring dengan dipanaskan terlebih dahulu sampai suhu proses globalisasi dalam segala bidang, 100ºC. salah satunya dalam bidang ilmu
Untuk
pengetahuan dan teknolgi, terutama yang
mempermudah
penulisan
khususnya dalam perhitungan data maka
erat kaitannya dalam hal industri sehingga
dilakukan pembatasan – pembatasan
sangat di butuhkan temuan – temuan
masalah dan asumsi- asumsi. Pembatasan
inovative yang dapat mendukung
masalah dan asumsi tersebut antara lain:
perkembangan industri tersebut yang dapat 1. Tipe alat penukar panas yang digunakan
berupa teori – teori atau pun berupa alat –
adalah sebuah pipa yang mana pipa
alat. Temuan tersebut tentu harus sudah
yang digunakan adalah pipa pvc dan
melalui proses banyak penelitian dan
pipa te m ba ga ya ng m e r upa ka n
percobaan untuk menghasilkan efesiensi
cangkang.
yang besar.
2. Fluida yang digunakan adalah air panas.
Permasalahan dan Batasan Masalah
3. Salah satu fluida (air) mengalir melalui
Dalam perpinda han panas (heat
pipa di dalamnya, fluida tersebut
exchanger) pada pipa kosentrik yang mana
mengalir melalui cincin yang berbentuk
pipa – pipa tersebut terdiri dari pipa
silinder pipa, maupun silinder dalam dan
tembaga dan pipa pvc, yang digabungkan
silinder luar.Karena kedua aliran fluida
menjadi satu, yang mana fungsinya untuk
melintas penukar panas hanya sekali,
mencari nilai koesifien perpindahan panas
maka dinamakan satu lintas saja(single
tersebut yang terjadi di dalam pipa tembaga.
pass), lalu dalam penelitian alat ini
Sehingga kita menggunkan sebuah rumus
kedua fluida itu mengalir dalam arah
perpindahan panas yang utama yaitu :
yang sama atau berbarengan (parallel flow), dan juga terdapat aliran berlawan
dq = U.d.A.ÄT
arah(counter flow), yang mana terdapat beda suhu antara fluida yang panas dan
Dalam persamaan tersebut U adalah koefisien perpindahan panas yang tidak
fluida yang dingin tidak konstan
berdimensi.yang mana maksud dari persamaan di atas tersebut adalah untui menentukan laju aliran perpindahan panas 4
nilainya pada sepanjang pipa dan laju aliran panasanya akan berbeda- beda.
perpindahan panas total pada logam
4. Dalam penelitian alat ini menggunkan
aliran searah dan berlawanan arah dan
sebuah pompa air yang jenis tipe semi
perpindahan panas yang terjadi pada pipa
jet pump.
pvc, yang mana di dalam pipa pvc
tembaga , di dalam pipa kosentrik dengan
5. Analisa penelitian menggunakan dasar-
terdapat pipa tembaga. Pada penelitian ini
dasar teori termodinamika yang hanya
menggunkan air panas yang dipanaskan
dipakai materinya yaitu konveksi dan
terlebih dahulu mencapi suhu 100ºC.
konduksi,
radiasi
tidak
dipakai
materinya. Tujuan penelitian ini yang kita uji coba adalah untuk mencari nilai koefisien Hasil Pembahasan
proses sirkulasi air panas menjadi dingin, yang mana hasil proses sirkulsinya dapat
Desain alat yang digunakan pada
diketahui di bak penampung air. Yang mana
penelitian ini dari panjang pipa pvc terhadap ember tersebut berukuran sedang. Pada konduktivitas thermalnya dan nilai koefisien instalasi pipa ini teradapat komponen – thermalnya. Alat yang dibuat desain yaitu komponen di dalamnya yaitu: suatu perpindahan panas yang dilakukan -Strenggear. Yang gunannya untuk menggunakan pipa yang terbuat dari bahan sebagai tempat kedudukan tangki buat air tembaga yang gunannya untuk mengetahui panas yang telah dipanaskan terlebih 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 dahulu. mendapatkan data yang benar penulis
- Tangki air panas. Yang gunannya menggunakan sebuah rangakian atau untuk menampung air panas pada suhu instalasi pipa yang sederhana. Pada alat 100ºC. penelitian ini dipasang 3 buah katup, di - Bak penampung awal. Yang gunannya
setiap sambungan pipa pvc, yang mana
fungsinya untuk mengatur tekanan air yang untuk menampung air dingin yang di isi terlebih dahulu.Yang mana fungsinya untuk keluar di outlet pipa menuju ke bak terjadinya proses sirkulasi air panas menjadi penampung air dan pada percobaan ini dingin. menggunakan sebauh pompa sejenis jet pump yang gunannya untuk untuk sebagai
5
Keterangan Gbr:
- Bak penampung terakhir. Yang gunannya untuk menampung air yang
- Panjang pipa pvc =183 cm
keluar dari ujung outlet pipa tembaga.
- Panjang pipa tembaga = 176 cm.
- Pipa tembaga. Yang gunannya untuk pengambilan data. Dengan berdiameter. 1 inch. - Pipa pvc. Yang gunannya untuk menggabungkan pipa pvc dan pipa tembaga di jadi satu, yang fungsinya untuk menentukan cara proses kerja perpindahan panas (heat exchanger). - Pom pa. Yang gunannya untuk 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 Gambar 3.1 Set up alat uji pipa tembaga bacanya 40 -150ºC (1 buah) & pipa pvc. - Stopwatch Yang gunannya untuk
Pada Gbr 3.1. adalah sebuah rangkaian
mengukur waktu yang diperlukkan pada pipa atau instalasi pipa pvc dan pipa saat mengalirkan air menuju ke bak tembaga. Yang mana pada rangakian pipa penampung. tersebut gunannya untuk mengetahui cara - Gelas ukur. Yang gunannya untuk perpindahan panas (heat exchanger), dan mengukur berapa liter air yang keluar dari m e ne n tu ka n n i la i k oe f is ie n pa na s outlet pipa tembaga.
thermalnya. Pada pengolahan data ini kembali di lakukan langkah – langkah pengambilan data sebagai berikut : 1. Untuk menentukan nila Reynolds :
Re
6
ρ ud
Dimana : Re = Renould number
menuju ke outlet pipa yaitu : = Tm A 2
P = Kerapatan fluida (kg/m3)
T max T min
A
u = Kecepatan rata – rata terhadap waktu dalam arah (m/dt)
- A
Dimana :
d = Diameter pipa (m) A Tm = Beda temperatur rata – rata di
P = Dinamika viskositas (Pa.dt). 2. Untuk menentukan aliran koefisien
dalam penukar kalor.
perpindahan panas : Nu .
A Tmax = Beda temperatur maksimum (rad)
hl
A Tmin = Beda temperatur minimum
=
(rad)
k Dimana :
Rekapitulasi Data.
Nu = Nusslet number
Untuk menentukkan temperatur pada penelitian alat ini yaitu :
h = Koefisien perpindahan panas konvek si.(W/m2 K) L = Signifikan panjang pipa (m)
Th1 : Temperatur air panas yang masuk 2
k = Konduktivitas thermal (W/m K)
Th 2 : Temperatur air panas yang keluar Tc 1 : Temperatur air dingin yang masuk
3. Untuk menentukan nilai konveksi dari
Tc 2 : Temperatur air dingin yang masuk
dalam yaitu :
Th : Temperatur air panas keseluruhan nya
Q = U.A. A Tm
Tc : Temperatur air dingin keseluruhan Dimana :
nya A Tm : Beda temperature rata – rata kesel
3
Q = Laju volume aliran fluida (air).(m )
uruhanya
h.l = Koefisien perpindahan panas fasa cair an (W/m2 K) T2 = Temperatur awal (ºC) T1 = Temperatur akhir (ºC) 4. Untuk menentukan waktu aliran air
7
Didalam analisa ini tak lupa penulis
Jumlah panas yang dibutuhkan
dida lam pe r pinda ha n pa na s ( Heat kemukakan data dari penelitian yang exchanger ) dengan berbahan pipa PVC penulis lakukan dengan menghitung / yang dilapisi pipa tembaga adalah dengan mengukur suatu penelitian yaitu : menghasilkan beda suhu rata – rata dalam
Dimeter dalam pipa (pipa tembaga)
penukar kalor dengan rumus sebagai berikut
= 1,76 inch , dimana diameter
:
dalam tersebut satuannya dijadikan
Untuk mencari perbedaan temperatur/ suhu rata – rata yaitu : Δ + Δ
m (meter).
Δ
= Tm
_ T_i _T e= 2
Sehingga : 1 inch = 2,54 cm. 1/2 inch = 2,54 : 2 =0,25 cm = 0,025 m.
(°K)
Dimana :
Diameter luar pipa (pipa PVC ) = 183 cm = 1,83 m
Luas penampang pipa tembaga =
T 1 = 363 ° K.. T2 =. 351 º K T 3 = 357 ° K.
13,8 m 2 , dimana di dapat dari
T 4 = 305 ° K.
rumus : A = ð .d.L
T5 = 307 ° K
jadi luas
penampang dapat kita hjitung
Sehingga kita dapat memasukkan data tersebut ke dalam rumus sebagai berikut :
dengan menggunakan rumus
ΔT
berikut :
i
=Th1−T
c 2
dan ÄTe=Th2−T
tersebut , hitungannya sebagai
c 1
Dimana : ΔTi+ ΔTe 2
A= Luas penampang pada perpinda han kalor (m2)
= ÄT m = 3 5 ( °K ) . = ÄT m =
π = Jari – jari silender pada ujung pipa (rad) d = diameter dalam pipa .(rad)
8
Sehingga hasil yang didapat pada data
h=
diatas yaitu : A = ð .d. L
k A 290 8,05 = 36 (W/m2 ºK).
= 3,14 x 0,0127m.2,02m = 8,05m2. Panjang pipa Aluminium = 202 cm
Perhitungan untuk mencari perpinda
= 2,02 m.
han kalor pada pipa kosentrik.
Perhitunganuntuk mencari konduktivitas
Dimana untuk menghitung perpindahan
panas (k), pada pipa tembaga pada pipa kalor pada pipa kosentrik di dapatkan ru
konsetrik yaitu :
mus sebagai berikut :
( T h1− T h2) k = A_________ xQ L
Q = U.A.ÄTm = 20 W/m2x 13,8 m2.x (11,10°K)
= 591,4 (W/m ºk ).
= 30,63 Watt.
Perhitungan untuk mencari koefisien
Dimana :
panas yang terjadi pada pipa kosentrik
U = Koefisien perpindahan kalor menye
yaitu :
luruh h = A k (W/m2 ºK).
A = Luas permukaan perpindahan kalor yang sesuai dengan definisi U
Diketahui : Δ Tm = Beda suhu rata – rata. k A
= 591,4 (W/m° K) .
Diketahui :
2
= 13,8 (m ).
U = 20 W/m2°K
Jadi dari data diatas dapat kita masukkan
A = 13,8 m2.
kedalam rumus koefisien thermal dibawah
ΔTm= 11,10 ºK.
ini :
9
h.l Nu = k Perhitungan untuk mencari kecepatan 42,8x1,76
aliran pada pipa kosentrik. =
591,4
= 12,7 V = 4 × q / 2r × D 2 . Perhitungan untuk mencari Reynolds Diketahui :
yaitu : 2
q = 316,4 m /dt. Re =
D = 0,0254 m.
UxD p
Diketahui :
2r = 3,14 Dari data di atas mendapatkan hasilnya seba gai berikut : V = 4 x q / 2r × D
U = 11,10 W /m2°K
2
D = 0,0254 2 m.
= 4 × 494,25 m2/dt / 3,14 × (0,0254)2 m. (Viskositas kinematik dari tabel A4)
= 39,35 m /dt.
Dari data di atas mendapatkan hasilnya Perhitungan untuk mencari Nusselt
sebagai berikut :
h.l Nu = k Diketahui : h
L
Re =
p xVxD. p
x x = 0,866 3 9,3 5 , 0254 2 1,67 = 5,101
= 42,85 W/m2K = 1,76 m. = 591,4W/m ° K.
Sehingga dari data di atas mendapatkan
Kesimpulan.
hasil sebagai berikut : 1. Konduktivitas panas pada pipa tembaga terlihat konstan, mungkin disebabkan
10
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
TC 1 (°K)
358
348
333
Th2 (°K)
343
315
321
TC2 (°K)
313
318
318
TC (°K)
733
735
768
806 16,03 119
810 29,25 591,4
768 22,59 169,16
Th (°K) q (Watt) k (W/m °K)
11
h (W/m2°K) Re ΔTm (°K)
150 2858 46,45
165,71 2798 11,10
128,16 25367 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”,13 th (Tata McGraw Hill Publishing Company Limited, 7 West Patel Nagar, New Dehli, 2004 6. Hand book ‘’Heat Transfer”
12
