156
STUDI EXPERIMENTAL PENGARUH GEOMETRI KAWAT TERHADAP EFISIENSI PENUKAR PANAS JENIS PEMBULUH DAN KAWAT KONVEKSIBEBAS Budi Utomo Kukuh Widodo*, AH Altway**, I Made Arsana*
ABSTRAK Mat penukar panas jenis pembuluh dan kawat terdiri atas pembuluh yang dibuat berlekuk-lekuk (serpentine), dengan kawat yang dipasang lekat pada kedua sisinya dalam arah normal pada pembuluh. Kemampuan penukar panas ini dalam membuang panas ditunjukkan oleh efisiensi permukaan menyeluruh (overall surface efficiency) dari susunan sirip atau disebut sebagai efisiensi penukar panas. Kawat yang berfungsi sebagai sirip adalah perluasan dari permukaan luar pembuluh sehingga memperluas permukaan perpindahan panas konveksi bebas dari penukar panas ke lingkungan luar. Efisiensi sirip secara umum tergantung pada bahan sirip, geometri sirip dan lingkungan dimana sirip itu digunakan. Pada penelitian ini dikaji secara eksperimental pengaruh geometri kawat terhadap efisiensi penukar panas, tiga desain penukar panas dengan geometri kawat yang berbeda (pw/Lw = 0.015; pw/Lw = 0.029 dan pw/Lw = 0.044) diuji dalam lima level suhu fluida masuk (40 ° C, 50 ° C, 60 0 C, 70 ° C, dan 80 ° C). Diperoleh hasil, penukar panas dengan pw/Lw = 0.029 secara rata-rata menghasilkan efisiensi yang tertinggi. Korelasi empiris efisiensi penukar panas sebagai fungsi dari geometri kawat yang dinyatakan sebagai: logTjn
= -8-650 + 2.161 log Ra + 0 . 2 5 9 l o g ^ - 0.140(log/ta) 2 - 0.146(-^) 2 - 0.084(logRa x log-^) •
Kata kunci: efisiensi penukar panas, korelasi empiris, geometri kawat, penukar panas jenis pembuluh dan kawat, konveksi bebas
ABSTRACT A Wire and Tube heat exchanger consist of serpentine-coiled tube, and wires attached on the both sides of it. The attachment of the wires is normal to the tube. The capability of this heat exchanger to dissipate heat is described by the overall surface efficiency of array of fins or known as heat exchanger efficiency. The wires, which function as fins are the expansion of the outer surface of the tube. They expand the area of free convection heat transfer from the heat exchanger to the surrounding. The fin efficiency, in general, depends on its material, geometry and the surrounding. This research has examined the wire geometry influence to the heat exchanger efficiency. Three configurations of heat exchanger with different wire geometry (pw/Lw = 0.015; pw/Lw = 0.029 dan pw/Lw = 0.044) are evaluated under five levels of entering fluid temperatures (40oC,50°C,60°C,70°C, and 80°C).The outcome showed that heat exchanger with pw/Lw = 0.029 in average resumed the highest efficiency. It gained empirical correlation of heat exchanger efficiency as a function of Rayleigh number (Ra) and wire geometry (pw/Lw) as: loen n" = -8.650 + 2.161 log Ra + 0.259 log ^Lw- 0.140(log/?o)2 - 0.146(^) in12 - 0.084{log/tox log^') in' • Keywords: heat exchanger efficiency, empiric correlation, wire geometry, wire and tube heat exchanger, free convection
1. LATAR BELAKANG
Alat penukar panas merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk mempertukarkan energi panas antara aliran fluida yang berbeda suhu melalui kontak langsung maupun tidak langsung. * Jurusan Teknik Mesin, FTI, ITS Surabaya ** Jurusan Teknik Kimia, FTI, ITS Surabaya
Salah satu aplikasi dari prinsip pertukaran panas adalah pada penukar panas jenis pembuluh dan kawat (Wire and Tube Exchangers). Penukar panas ini termasuk jenis penukar panas permukaan diperluas {extended surface) dimana kawat yang berfungsi sebagai sirip dipasang lekat pada
Majalah IPTEK - Vol. 13, No. 4 Nopember 2002
157
pembuluh didalam dimana fluida panas mengalir. Pemasangan kawat tersebut bertujuan untuk -neningkatkan luas permukaan perpindahan panas ^an selanjutnya akan memperbesar laju perpindahan panas (Srinivasan dan Shah 1997). Secara mekanis kawat juga berfungsi memperkuat konfigurasi pembuluh yang dibuat berlekuk-lekuk (serpentine). Penukar panas ini telah digunakan secara luas untuk membuang panas dari fluida panas yang mengalir dalam pembuluh baik sebagai kondensor pada alat ostein refrigerasi udara kecil (lemari es) maupun sebagai pendingin (cooler) fluida yang mengalir dalam pembuluh tanpa perubahan phase (Tanda dan Tagliafico 1997). Namun demikian kajian mengenai unjuk kerja dari penukar panas ini dalam membuang panas belum banyak dilakukan. Salah satu karakteristik unjuk kerja dari penukar panas adalah efisiensi penukar panas. Efisiensi penukar panas jenis pembuluh dan kawat, tidak lain adalah efisiensi permukaan menyeluruh { o v e r a l l surface efficiency) dari susunan strip ( a r r a y of fins). Efisiensi sirip dalam memindahkan panas didefinisikan sebagai perbandingan antara laju perpindahan panas oleh sirip dengan laju perpindahan panas maksimum (ideal). Laju perpindahan panas oleh sirip akan mencapai maksimum apabila seluruh permukaan sirip berada pada suhu dasar sirip. Tetapi tahanan termal konduksi di dalam sirip menyebabkan terjadinya gradien suhu sehingga suhu ujung sirip lebih kecil dari suhu dasar sirip. Hal ini menyebabkan pengurangan laju perpindahan panas, penurunan efisiensi sirip dan akhirnya juga penurunan efisiensi penukar panas (Cengel 1998). Efisiensi sirip secara •mum tergantung pada bahan sirip lingkungan dimana sirip itu digunakan, dan tahanan kontak antara sirip dengan pembuluh. Faktor lain yang mempengaruhi efisiensi sirip adalah g e o m e t r i s i r i p , karena geometri kawat (sirip) berhubungan dengan luas permukaan perpindahan panas. yang merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi besarnya laju perpindahan panas. - I ' - . j -
geometri sirip menjadi lebih penting karena
apHkasi dari penukar panas jenis pembuluh dan kawat digunakan pada kondisi konveksi
bebas
dimana koefisien konveksinya relatif kecil. Untuk meningkatkan laju perpindahan panas melalui penukar panas jenis ini, dapat dilaksanakan dengan meningkatkan luas permukaan perpindahan panas (Srinivasan dan Shah 1997). Usaha untuk meningkatkan luas permukaan perpindahan panas (S) dengan menambah jumlah kawat, harus diupayakan agar koefisien perpindahan panas konveksi bebas (h) tidak sampai terganggu/berkurang (Incropera 1990), sebagai akibat interaksi udara antar permukaan sirip. Dengan demikian, faktor geometri yang tepat/optimal merupakan interaksi antara koefisien perpindahan panas (h) dan luasan permukaan perpindahan panas (S). Beranjak dari pemikiran di atas, maka studi ini dilaksanakan.
2. T U J U A N P E N E L I T I A N Penelitian ini bertujuan untuk: 1) Menganalisis
pengaruh
geometri
kawat
terhadap efisiensi penukar panas jenis pembuluh dan kawat. 2) Mencari hubungan antara geometri kawat terhadap efisiensi penukar panas jenis pembuluh dan kawat.
3. STUDI T E R D A H U L U Sesuai
dengan
namanya,
penukar
pembuluh dan kawat ( w i r e and tube
heat
panas jenis exchartgei)
terdiri dari pembuluh horisontal yang dibuat berlekuk-lekuk ( s e r p e n t i n e ) dalam susunan vertikal, dengan kawat yang dilekatkan pada kedua sisinya dengan arah normal pada pembuluh (Tanda dan Tagliafico 1997). Penelitian menyangkut penukar panas jenis pembuluh dan kawat, pertama kali dilakukan oleh Witzel dan Fontaine (1957a,b) tentang karakteristik perpindahan panas pada kondensor jenis pembuluh dan kawat (1957a), dan tentang desain kondensor pembuluh dan kawat (1957b) yang menghasilkan persamaan Nusselt empiris sebagai fungsi dari bilangan Grashoff Nu=0.4724(Gr) Penelitian serupa selanjutnya dilakukan oleh Cyphers dkk. (1959) tentang karakter perpindahan panas pada penukar panas pembuluh 02215
Vol. 13, No. 4, Nopember 2002 - Majalah IPTEK
158
dan
kawat,
Collicot
dkk.
(1963)
tentang
perpindahan panas konveksi bebas dan radiasi pada penukar
panas
jenis
pembuluh dan kawat. oleh Tanda dlUl perpindahan panas
Knntrihnsi hprik-ntnyn e i i l a k u k a n
Tagliafico
(1997)
tentang
konveksi bebas pada penukar panas jenis pembuluh dan kawat, dengan menggunakan air sebagai fluida kerja dalam pembuluh. Studi eksperimen tersebut bermaksud mempresentasikan korelasi perpindahan panas konveksi
bebas
dari
permukaan luar
penukar panas ke udara sekeliling. Dari tinjauan pustaka diatas dapat dilihat bahwa para peneliti yang telah melakukan kajian terhadap penukar panas jenis pembuluh dan kawat, secara umum mcncari korelasi perpindahan panas dalam bentuk persamaan Nusselt empiris dengan tujuan untuk dapat mengevaluasi nilai koefisien perpindahan panasnya (h). Penelitian tentang pengaruh geometri kawat terhadap efisiensi penukar panas jenis pembuluh dan kawat, secara eksperimental ini menggunakan 3 (tiga) buah rancangan penukar panas dengan geometri kawat yang berbeda dengan minyak Thermo 22 sebagai fluida kerja di dalam pembuluh. Dalam penelitian ini akan dicari persamaan korelasi empiris efisiensi penukar panas. Kawat yang berfungsi sebagai sirip adalah perluasan dari permukaan luar pembuluh, dipasang pada sisi dimana koefisien perpindahan panas konveksinya kecil. Kawat-kawat akan membuat permukaan menjadi luas sehingga menambah laju perpindahan panas dari dinding ke lingkungan luar (Ananthanarayanan 1982). Dalam aplikasinya posisi pemasangan dari alat penukar panas ini adalah vertikal, seperti terlihat dalam Gambar 1 berikut:
Gambar 1. Penukar panas jenis pembuluh
dan
kawat. Yang dimaksud geometri kawat adalah panjang kawat (Lw) yang mengikuti tinggi dari penukar panas (tinggi susunan vertikal dari pembuluh horisontal), p i t c h / j a i a k antar kawat (pw) dan diameter kawat (dw) (Witzell dan Fontaine 1957a,b). Sedangkan kondisi operasi dari penukar panas ditunjukkan oleh variasi bilangan Rayleigh sebagai fungsi dari beda suhu antara suhu fluida masuk dengan udara luar (iy ,„ - T^)Minyak panas mengalir dari bak termostatik dan bersirkulasi secara tunak di dalam pembuluh penukar panas. Dari balans energi secara keseluruhan untuk penukar panas, maka panas yang dilepaskan oleh minyak panas dapat dihitung sebagai berikut: q ot t
=M.Cp,f(Tf,in-Tf,out)
•d)
dimana:
panas spesifik tekanan konstan
Cp,f
laju aliran minyak
M
Kg.K
• suhu minyak pada penukar panas \K).
Tf,in
Tf.out = suhu minyak pada penukar panas [K\.
saluran
masuk
saluran
keluar
Majalah IPTEK - Vol. 13, No. 4 Nopember 2002
159
4. EFISIENSI SIRIP/////
6. VARIABEL PENELITIAN
Efisiensi sirip dalam memindahkan panas didefinisikan sebagai perbandingan antara laju perpindahan panas oleh sirip dengan laju perpindahan panas maksimum jika seluruh permukaan sirip berada pada suhu dasar sirip (Kundu dan Das 1999). Secara umum dirumuskan sebagai berikut:
Untuk
melakukan
eksperimen
perlu dianalisa
parameter-parameter yang berhubungan dan secara analisa dimensional akan didapatkan fungsi tanpa dimensi (teori n - Buckingham): 1,
q
_*S [T„-T*>]+hS,[T,-T*>] w
Imak
hS
l o l
[T,-Tx]
g>P-av,M,pw,dw,Lw,pt,di\) ma
g tmak
=
U f
h.s [r -T«>] h.S„,{T,-Tcc}
f
=
dimana T
w
w
w
•(2)
adalah rata-rata distribusi temperatur
eksponensial yang terjadai pada fin. Karena suhu kawat berubah secara logaritmik maka beda suhu
Dengan
menggunakan
-
1)
3)
Jika koefisien perpindahan panas seragam sepanjang
4)
permukaan penukar panas, maka didapatkan:
5)
(T»-T,) (Tf-Tj
•(3)
6) 7)
Persamaan ini digunakan untuk menghitung efisiensi sirip penukar panas jenis pembuluh dan kawat.
8)
q
AT./? ~ parameter bilangan Grashof
=
— 3- a 1/Prandtl (bilangan Prandtl) V pw • pitch kawat tanpa dimensi * 5 ~ Tw _ dw a t diameter kawat tanpa dimensi *6 Lw - 1" K, pitch pembuluh tanpa dimensi *i - di & diameter pembuluh tanpa dimensi It l.w
Efisiensi penukar panas jenis pembuluh dan kawat, of f i n s ) ,
yang digunakan
untuk mendefinisikan unjuk
kerjanya. Menurut
Kreith dan Prijono (1986),
efisiensi tersebut
(overall
surface
efficiency)
menggabungkan
^£3 T
efisiensi permukaan menyeluruh
dari susunan sirip (array
Dengan
permukaan
persamaan
yang tidak
4
;r
fungsi
tanpa
•(6)
5' 6' 7> 8 ?r
,R
;R
menggunakan
diameter
diameter pembuluh (dt) dan pitch
kawat
(dw),
pembuluh yang
konstan, maka persamaan diatas menjadi:
dapat diperoleh dengan
bagian
didapatkan
dimensi yang berhubungan, yaitu:
0
tidak lain adalah
« efisiensi penukar panas » parameter bilangan Grashof
i
Sehingga 5. EFISIENSI PENUKAR PANAS / T J J
- ij
< Imak g.Lw*
n
[T*-T.HTwrTw2yta{(Twi-T.yCT T.)}
n f
(massa,
parameter tanpa dimensi dari fungsi di atas, yaitu:
2) wr
MLtT
panjang, waktu dan suhu) akan diperoleh 8 group
antara kawat dan suhu udara didefinisikan sebagai beda suhu rerata logaritmik.
dimensi
g.ft A T / V
pw
1o = f
•(7)
bersirip dan efisiensi sirip untuk bagian permukaan Dari analisa dimensi diperoleh efisiensi penukar
sirip yang berefisiensi 77 f . s,
•(4)
panas (variabel tetap) sebagai fungsi dari bilangan Rayleigh dan pitch
kawat tanpa dimensi.
dimana:
Dalam pelaksanaannya, untuk melihat pengaruh
r/j
bilangan
= efisiensi sirip.
penukar panas dilakukan perubahan
+ S, S
S
w
= luas permukaan perpindahan panas kawat/ sirip.
5 = luas
efisiensi
beda suhu
antara suhu fluida masuk dan suhu udara luar,
= luas permukaan perpindahan panas total.
lol
Rayleigh terhadap perubahan
sedangkan pengaruh geometri kawat dikaji melalui variasi dimensi pitch
kawat (pw) dengan panjang
kawat (Lw) dijaga konstan sesuai tinggi susunan vertikal dari pembuluh horisontal.
permukaan
perpindahan
panas tube
(unfinned surface). Vol. 13, No. 4, Nopember 2002 - Majalah IPTEK
160
7. PERALATAN EKSPERIMEN Untuk inendapatkan hubungan fungsi di atas dengan mengubah beda suhu dan pitch peralatan
yang secara
kawat. maka disusun
skematis
disajikan
8. ANALISIS 8.1 Pengaruh Geometri Kawat terhadap Efisiensi Sirip
dalam Untuk melihat pengaruh geometri kawat terhadap
Gam bar 2 berikut.
efisiensi penukar panas jenis pembuluh dan kawat dilakukan perubahan
Efisiensi Fin Vs Gecnttri kawat
terhadap bilangan
Rayleigh
sebagai fungsi dari beda suhu fluida masuk - udara 09. l u a r
0.88,
• T=40C
0.86, J
• T=50C
0.84
( /,m~ «>)' T
kawat
• T=70C
J 0.82
• T=60C
T
P
e r t a m a
dilakukan
pengujian
terhadap efisiensi fin. Hasilnya ditunjukkan dalam Gambar bilangan
• T=80C
0.8
°
0.78
3, yang menampilkan pengaruh geometri terhadap
efisiensi
Rayleigh
yang
sirip
pada
menunjukkan
berbagai kondisi
operasi penukar panas sebagai fungsi dari
0.76 piVUv=0.015
pw/Lvv=0.029
beda
suhu fluida masuk - udara luar (Tf,in - T ) .
pw/Lw=0.O44
w
Gsomlri kawat
Efisiensi Fin Vs Geanetri kawat
Gambar 2. Skematis peralatan penelitian. 09,
Peralatan dan bahan untuk melakukan eksperimen
0.83,
adalah sebagai berikut: 1)
Q86, 084
Alat Penukar Panas Jenis Pembuluh dan Kawat,
082
dengan 3 (tiga) buah rancangan geometri. 2)
B a k Termostatik,
sebagai
Q8
penampung
0.78
dan
Q76J
memanaskan fluida sebelum dialirkan.
F*vlw=0.015
p.-Ayv=0.(E9
t^Vhv=a044
GKrnSrikawa
Thermocouple
8)
Termometer pengukur suhu ruangan ( T ^ ) -
7)
Pipa-pipa penghubung aliran.
6)
Katup pengatur laju aliran fluida.
5)
Pompa sirkulasi.
4)
F l o w meter.
3)
Gambar 3. Pengaruh
geometri
kawat
terhadap
efisiensi fin. Dari Gambar 3 dapat disimpulkan bahwa secara umum dari ketiga penukar panas tersebut, efisiensi sirip dari penukar panas dengan p w / L w = 0.029
9)
pengukur
suhu
permukaan
adalah yang tertinggi. H a l ini dapat dijelaskan dari convection
pembuluh (Tf).
analisis lapisan batas termal konveksi bebas
pembuluh (Tt), kawat (Tw) dan fluida di dalam
Fluida kerja, minyak pemindah panas Thermo
thermal
boundary
layer)
{free yang
berkembang di sepanjang permukaan kawat-kawat. Menurut Watson dkk. (1996), spasi kawat adalah
22.
optimum bila lapisan batas laminar 10) Ruangan berisolasi dan terkondisi tetap.
sepanjang
berkembang
permukaan kawat ( L w ) menjadi cukup
aliran luar (Gambar 4).
yang dihubungkan dengan Suhu Display ( C E 307)
Hal
digunakan termokopel type K (Copper-Constantan)
tebal menyentuh trailing edge dari tiap sirip (kawat).
Untuk
mengukur
suhu
pada
sejumlah
titik,
ini berarti bahwa aliran yang terjadi
adalah
setelah melalui selektor 9 channel.
MajalahlPTEK - Vol.
13. N o . 4 Nopember 2002
161
11
-25(.
l\ I \ I \ I \
Tv
LU
D im ana pw = pitch kaw at dw = diamelerkawat L w = panjan g kaw at St = te b a I lapisan balas Ih W - ( N - l ).pw+dw
t
Gambar 4. Spasi optimal jarak antar sirip. Dari Gambar 4 dapat dilihat, spasi kawat optimal terjadi bila lapisan batas termal yang berkembang dari masing-masing sirip, kemudian bergabung {merger) menjadi satu tepat pada atau diatas puncak { t r a i l i n g edge) dari kawat-kawat tersebut. Atau dapat ditulis dalam bentuk persamaan sebagai berikut: (8)
pw - dw > 281
dimana: pw = pitch kawat (diukur dari garis tengah antara kawat-kawat) dw = diameter kawat 81 = tebal lapisan batas termal
Penukar panas dengan pw/Lw = 0.015 yang mempunyai pw = 6.5 mm masih belum cukup untuk memberikan celah sebagai tempat berkembangnya lapisan batas sampai pada ujung dari kawat (trailing edge), sehingga terjadi interaksi pada lapisan batasnya {fully develoved flow). Diperkirakan lapisan batas bergabung pada jarak setengah dari tinggi penukar panas (dihitung dari leading edge), hal ini terjadi karena penukar panas ini mempunyai spasi antar kawat 4.5 mm. Dari analisis kebutuhan spasi untuk menjamin lapisan batas bergabung tepat pada t r a i l i n g edge dari kawat-kawat (spasi optimal) adalah 2 81 = 8 mm pada suhu fluida masuk 60°C sampai dengan 80°C. Interaksi lapisan batas mengakibatkan membesarnya tahanan perpindahan panas atau menurunkan koefisien perpindahan panas (h) dan akhirnya menurunkan laju perpindahan panasnya, walaupun penukar panas ini mempunyai luasan permukaan perpindahan panas (S) yang paling besar. Menaikkan luas permukaan perpindahan panas (S) dengan mengurangi spasi antar kawat sampai mengganggu koefisien perpindahan panasnya, tidak dapat menaikkan laju pembuangan panas secara berarti, hal ini juga berarti efisiensinya menurun (Incropera 1990). Selanjutnya untuk melihat kecenderungan efisiensi sirip masing-masing penukar panas dari kondisi operasi terendah sampai tertinggi, disajikan dalam Gambar 5. Efisiensifinvs Temperatur fluida masuk
Dari ketiga penukar panas tersebut, pada penukar panas dengan pw/Lw = 0.029 tidak terjadi interaksi pada lapisan batasnya dan lapisan batas hampir bertemu pada trailing edge dari kawat-kawat, dengan demikian mempunyai luasan permukaan perpindahan panas (S) yang cukup besar dengan tidak mengganggu koefisien perpidahan panasnya, sehingga akhirnya penukar panas ini mempunyai efisiensi sirip yang paling tinggi. Pada penukar panas dengan pw/Lw = 0.044 juga tidak terjadi interaksi pada lapisan batasnya. Namun demikian, karena pitch
- pw/Lw = 0015 _ pw/Lw * 0 029 -pw/Lw = 0.0*4
40
45
50
55
80
85
70
75
Temperatur fluida masuk (Tf.in)
kawat penukar panas ini
lem'li lefear rriaka dengan lebar penukar panas yang sama tersedia jumlah kawat akan lebih sedikit bila
Gambar 5. Pengaruh suhu fluida masuk terhadap efisiensi sirip.
dibandingkan dengan penukar panas dengan pw/Lw = 0.029. Vol. 13, No. 4, Nopember 2002 - Majalah 1PTEK
162
Terlihat kecenderungan efisiensi meningkat dengan
EF19EN9 POJUKWP/WSVfeGEOVETRl KA1AA
naiknya suhu fluida masuk hingga pada kondisi operasi tertentu mencapai maksimum, selanjutnya UnoiUnn
efisiensi. penukar
rui.u
ftuida
Terlihat
justiu
pula
panas mencapai
<xk.nu
bahwa
meiiurunkan masing-masing
efisiensi maksimumnya
pada kondisi operasi yang berbeda, yaitu
penukar
panas p w / L w = 0.044 pada suhu sekitar 5 0 ° C dengan efisiensi sirip 0.846, penukar panas p w / L w = p»/Lw=0.015
0.029 pada suhu sekitar 6 0 ° C dengan efisiensi sirip
pw/Lw=O.Q29
pw/Uv=0.»»4
GEOMETRI KAWAT
0.893 dan penukar panas p w / L w = 0.015 pada suhu sekitar 70° C dengan efisiensi sirip 0.865. Hal ini jumlah
mempunyai
masing-masing
dikarenakan
kawat
(luas
panas
permukaan
yang mempunyai jumlah kawat paling
geometri
kawat
terhadap
efisiensi penukar panas. Efisiensi
0.015
penukar
Gambar 6. Pengaruh
efisiensi
perpindahan panas) berbeda. Penukar panas p w / L w
permukaan sirip
menyeiuruh
dengan
menunjukkan
memperhitungkan
faktor
menyeiuruh yang paling rendah meskipun efisiensi
karena secara eksperimen suhu permukaan kawat
p w / L w = 0.015 mempunyai efisiensi permukaan
lebih besar (suhu fluida masuk yang lebih tinggi),
efisiensi
banyak, akan lebih efisien pada beban panas yang
luasan sirip dan luasan tanpa sirip yang mempunyai
=
seratus persen.
Penukar
panas
dengan
yang justru mempunyai efisiensi 100%. Sedangkan
panas). Sebaliknya pada penukar panas p w / L w =
disebabkan oleh kecilnya luas permukaan tanpa sirip
lebih tinggi (semua kawat berfungsi untuk melepas
siripnya
akan lebih merata pada suhu fluida masuk yang
bukan
yang
paling
rendah.
Hal
ini
tetapi mempunyai luasan tanpa sirip (efisiensi 100
maksimumnya pada suhu fluida masuk diantaranya.
0.044 mempunyai efisiensi sirip yang rendah. akan
penukar panas p w / L w = 0.029 mencapai efisiensi
yang tinggi. Selanjutnya penukar panas p w / L w =
Sedangkan
efisien pada suhu yang lebih rendah.
p w / L w = 0.029), akan mempunyai efisiensi overall
distribusi suhu kawat yang merata sehingga lebih
luasan
pada suhu fluida masuk rendah sudah mempunyai
penukar panas dengan efisiensi sirip tinggi dengan
0.044 yang mempunyai jumlah kawat paling sedikit,
tanpa
sirip yang cukup
(penukar
panas
%) yang besar maka akan mempunyai efisiensi
B i l a dilihat kecenderungan efisiensi penukar panas
Bila dilihat dari penampilan efisiensi overallnya,
dibawah penukar panas p w / L w = 0.029.
8.2 Pengaruh Geometri Kawat Efisiensi Penukar Panas
mempunyai
efisiensi
yang
terhadap
overall yang cukup tinggi, namun nilainya masih
dari
dapat dilihat secara rata-rata penukar panas p w / L w = 0.029
paling tinggi,
kondisi operasi
terendah
sampai
tertinggi
disajikan dalam Gambar 7.
kemudian diikuti oleh penukar panas p w / L w = 0.044 dan yang terakhir adalah penukar panas p w / L w = 0.015. seperti ditampilkan dalam Gambar 6.
Majalah I P T E K - V o l . 13, N o . 4 Nopember 2002
163
9. S I M P U L A N
Efisiensi Overall Fin VS Temperatur (Tf.in) 0 95
_
Berdasarkan data hasil penelitian dan analisa yang dilakukan, dapat disimpulkan beberapa hal penting yang menyangkut efisiensi penukar panas jenis pembuluh dan kawat, yaitu:
0.9
5
0.85
J
1
1
i
1
40
50
60
70
80
0 7
i»
pw/Lw • 0.015
—»—
pw/Lw = 0.028
—6—
pw/Lw = 0.044
1) Geometri kawat penukar panas mempengaruhi efisiensi penukar panas.
T E M P E R A T U R (T(, in)
Gambar 7. Pengaruh
suhu fluida masuk
terhadap
2) Dari ketiga penukar panas, penukar panas pw/Lw = 0.029 secara rata-rata mempunyai efisiensi tertinggi.
efisiensi penukar panas.
2
Terlihat bahwa pengaruh suhu fluida masuk terhadap efisiensi penukar panas mengikuti pola yang sama seperti pada kecenderungan efisiensi sirip terhadap suhu fluida masuk. Masing-masing penukar panas mencapai efisiensi overall maksimumnya pada suhu yang sama seperti pada efisiensi siripnya, yaitu penukar panas pw/Lw = 0.044 pada suhu sekitar 50° C dengan efisiensi overall 0.915, penukar panas pw/Lw = 0.029 pada suhu 60° C dengan efisiensi overall 0.931 dan penukar panas pw/Lw = 0.015 pada suhu 70° C dengan efisiensi overall 0.895. Namun pada efisiensi overall terjadi peningkatan nilai efisiensi, karena telah memperhitungkan luasan tanpa sirip (unfinned area). 8.3 Korelasi Empiris Efisiensi Penukar
Eksperimen dilakukan untuk memperoleh hubungan empiris efisiensi penukar panas sebagai fungsi dari geometri kawat dan bilangan Rayleigh. Dengan bantuan paket program Minitab seri teknik Regresi diperoleh model yang menggambarkan hubungan dari faktor-faktor tersebut terhadap Efisiensi penukar panas sebagai berikut: log n = -8.650 + 2.161 log Ra + 0
0.2591og|^-0.041(log/?a) 2
2
5) Korelasi empiris efisiensi penukar panas sebagai fungsi dari geometri kawat dan bilangan Rayleigh, dinyatakan dalam bentuk persamaan yaitu: log77„ = -8.650 + 2.1611ogfla + 0.2591og|^- 0.04Xlogi?a) 2
0.146(log | ^ ) - 0.084(logi?axlog|^). 2
DAFTARACUAN
Panas
0.146(log|^) - 0.084(logflaxlogf^).
3) Fluks panas (W/m ) tertinggi dilepaskan oleh penukar panas pw/Lw = 0.029, kemudian berturut-turut penukar panas pw/Lw = 0.044 dan pw/Lw = 0.015. 4) Laju panas total (W) tertinggi dilepaskan oleh penukar panas pw/Lw = 0.015, kemudian berturut-turut penukar panas pw/Lw = 0.029 dan pw/Lw = 0.044.
Ananthanarayanan, P.A. (1982), Basic Refrigerant and Air Conditioning, Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited, New Delhi. Cengel, Y . A . (1998), Heat Transfer a Practical Approach, McGraw-Hill, New York.
Collicot, H.E., Fontaine, W.E,
dan Witzell, O.W.
(1963), R a d i a t i o n a n d F r e e C o n v e c t i o n H e a t Transfer F r o m W i r e a n d Tube H e a t E x c h a n g e r s , ASHRE Journal, Vol. 5, No. 12, pp. 79-83.
(9)
Cyphres, J.A., Cess, R.D., dan Somers, E.V. (1959), dimana: ( n ) 0
Ra
= Efisiensi penukar panas
H e a t Transfer
= Bilangan Rayleigh
H e a t E x c h a n g e r s , ASHRE Journal, Vol. 1,
Pw/Lw = Geometri kawat
C h a r a c t e r of W i r e - a n d - T u b e
No. 5, pp. 86-110. Vol. 13, No. 4, Nopember 2002 - Majalah IPTEK
164
Incropera, F.P. (1990), Fundamentals of Heat and
Watson, J.C., Anand, N . K . , dan Fletcher, L.S.
Between
Sons, New York.
(1996), M i x e d C o n v e c t i v e
Mass Transfer, 3 Kundu, B. dan Analysis Annular Transfer.
Das, and Disk Vol.
rd
Edition, John Wiley &
P.K. (1999), P e r f o r m a n c e O p t i m i z a t i o n of E c c e n t r i c F i n s , Journal of Heat 121, pp. 419-429.
Kreith, F dan Piijono, A . (1986), Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas, Edisi ketiga, Penerbit Erlangga, Jakarta. Srinivasan, V . dan Shah, R.K. (1997), F i n Efficiency of E x t e n d e d Surfaces i n Two P h a s e - F l o w , Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 18, pp. 419-429.
a Series of
Heat
Transfer
Vertical ParaM F l a m
W i t h P l a n a r H e a t Sources, ASME Journal of Heat Transfer, Vol. 118, pp. 984-990. Witzell, O.W. dan Fontaine, W.E. (1957a), What a r e t h e H e a t Transfer C h a r a c t e r i s t i c s of W i r e and-Tube Condensers?, Refrigerating Engineering, Vol. 65. No. 3, pp. 33-37 dan p. 127. Witzell, O.W. dan Fontaine, W.E. (1957b), D e s i g n of W i r e - a n d - T u b e Condensers, Refrigerating Engineering, Vol. 65, No. 9, pp. 41-44.
Tanda, G., dan Tagliafico, L. (1997), F r e e C o n v e c t i o n H e a t Transfer F r o m Wire and Tube H e a t E x c h a n g e r s , Journal of Heat Transfer, Vol. 119, pp. 370-372.
Majalah IPTEK - Vol. 13. No. 4 Nopember 2002
