.j.r,::;s.:.-l .lJj.--':j. . :t j
--
DI DALAM KOEFESIEN PERPINDAHAN KALOR PENGEMBUNAN PIPA HORIZONTAL Danvin Rio Budi SYaha Urliversitas Multarlinradiyah Magclang' Tclurik Fakultas Darwin-UMM@ Yahoo'Com
Purnonlo dan Prajitno l;akultas toknik j trltrslttt tclitti li tttcsi Universitas Gadjah mada
rr
ABSTITAI(
penelitian bertujuan untuk mengetahui koefesien perpindahan kalor pengembunan
vqriasi kualitas dan aliran massa yang Petro2on Rossy-12 di daiant pipa horizontil pada berbagai sebuah sistem pendingin kompresi uap berbeda. Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah yang ditentpalkan yang dimodifikasr delntga,n minqmbahkan orifce, pre'he.ater dan seksi ryi setelah kondenser dan sebelum katup ekspanri.
s"fri uii berupa suatu pipa ganda aliran
searah
80 cm dengan diameter dalant yang mana pipa bagian dalam teriuat dari tembaga sepanjang pipa bagian luar merupakan pipa PVC yang 16,60 mm dan diameter luar 18,85 mm , sedangkan refrigeran Pctrozott Rossy-12 yang terisolasi. Data yang diidapalkan berupa laju aliran massa yang diatur melaltti pre-healer' diukur dengan orifice, ku)tno, refrigeran Petrozon Rossy')2 daerah pada seksi rt'ii serla tekanansebelum masuk seksi uji dan temperatur pada beberapa peneLitian berupa koefesien temperatur dan debit ai, yirg mendinginkan seksi uji.Hasit pipa horizontal pada berbagai perpindahan kalor penge^iuni Petroz_on Rossy-12 didalqm variasi kualitas uop ,rfrig"ran dan laju aliran massa refrigeran yang berbeda. pengembunan, tabung horizontal' Kata kunci : petrozon i.ossy-rZ, koefisien perpindahan kalor kualitas, Iaju aliran massa
PENGANTAR kerusakan lapisan ozon yang salah satu penyebabnya adalah Kekawatiran tentang "yung mengandung cFC untuk sistem pendingin' Hal ini telah digunakannya bahan-bahun tidak beracun dan tidak mendorong untuk mencari r#igerant aiternatii yang ramah lingkungan, adalah Petrozon' merusak lapisan ozon. Salah satu refrigerant alternatiftersebut
sistem pendingin' Kondenser merupakan salah satu bagian yang penting dalam suatu pengembunan merupakan Selain luas penampang dari kondenser, koefesien perpindahan kalor mengetahui koefesien itulah dari Maka kondenser. suatu kerja faklor yang ,,'",rp"ngiuhi unjuk p.rpiniuir* kaloi pengembunan Petrozon amatlah perlu untuk merencanakan suatu kondenser
dalim sistem pendingin yang menggunakan refrigerant Petrozon' karena Kondlnsasi (r"ng"-tunan) merupakan transisi fluida dari fase uap ke fase cair pendinginan proses pada dari besar lebih yangjauh laten kalor pendinginan dengan meniindahkan kasus yang i*pu iounya perubahan fase. Pengembunan didalam pipa horizontai merupakan pendingin pada sistem kondenser dalam digunakan *"1npunyui niiai praktis karena banyak (refrigerator) dan penyejuk hawa (air conditioning)'
Tinjauan Pustaka
Nuselt. Dalarn Kondensasi film dapat dianalisa dengan metode yang telah diusulkan oleh metode ini Nuselt memberikan beberapa asumsi yaitu : o Aliran laminer dan sifat-sifat cairan film tidak berubah' yaitu o Gas yang mengalir merupakan uap murni dan mempunyai temperatur yang seragam maka templratur jenuhnya (T*,). dengan tidak adanya perbedaan temperatur pada uap, p"rpina*run panas'dari permukaan cairan-uap hanya terjadi pada permukaan kondensasi dan
. o
tidak ada perpindahan panas konduksi dari uap' Gaya geser antara permukaan cairan-uap diabaikan' Sehingga Momentum dan tiansfer energi secara adveksi pada film kondensat diabaikan' cairan temperatur distribusi sehingga konduksi, perpindahan panas melalui film terjadi secara
linier.
ISSN:1412-9612
M-
29
Dengan asumsi-asurnsi tersebut diatas maka didapatkan koefisien perpindahan panas kondensasi lokal untuk plat vertikal bila dinyatakan dalam angka nuselt
:
ILY I pb- p,,)sh,,*')''o
' k lqpk(Ts-T,,) ]
Untuk kondensasi film dalam pipa horizontal merupakan fenomena yang cukup rumit dan tidak cocok untuk pengolahan analitis, Laju aliran menyeiuruh uap sangat dipengaruhi oleh iaju perpindahan kalor dalam sistem kondensasi konveksi paksa, dan ini pun dipengaruhi oleh laju pengumpulan zat cair dalam dinding. Perbedaan model perpindahan kalor pengembunan didalam pipa horizontal tergantung pada apakah gaya gesek uap ataukah gaya gravitasi yang lebih berpengaruh dalarn aliran (P.J Marto, 1988). Ketika kecepatan uap rendah, pengaruh aliran akan didominasi oleh gaya gravitasi dan pola aliran strata licin (stratified flow) dari kondensat akan terjadi. Namun, pada kecepatan uap yang tinggi dirnana gaya gesek antar permukaan (interfacial) yang terjadi besar sehingga gaya gravitasi dapat diabaikan dan pola aliran kondensat akan menjadi annular. Untuk kecepatan uap yang rendah korelasi empiris yang biasa digunakan yang merupakan analogi dari korelasi nuselt pada plat vertikal yaitu :
P,(P, - P,)gh'*d'1''o ' - hd ^l "L 4p,(7,", -T,,) /.,
ltu, r\qd
j
I
dimana
: h'r, - hr, +3/rco,(7,o,-7,,,)
:
C suatu nilai ernPiris P.J Marto menulis bahwa untuk aliran dengan kecepatan rendah nilai empiris dipengaruhi oleh fr.aksi harripa clari uap serta kualitas. Di sisi lain, LY. Chen dan G. Kocamustafaogullari (1987) mengemukakan korelasi yang lain yang mempertimbangkan gesekan antara gas dan uap seria rasio antara panjang dengan diarneter. Untuk keccpatan uap yang tinggi dimana pola aliran yang terbentuk adalah digunakan korelasi umum yang digunakan pada konveksi paksa yaitu
:
Nu6: a Rcl'Pr' r\ckcrs ct nl (l9SS) rrrcngtrsrrlknrr korc:lnsi 1'nrrg lnirr ttrtltlk lrilnrrgsrt nttsclt loknl dnlnrn kcndnan aliran turbulent yang melibatkan kualitas uap serta perbandingan antara kerapatan kondensat pada saat fase cair dengan kerapatannya pada saat fase gas. Sementara itu Korelasi lain diberikan oleh Boyko dan Krrrzhilin (1993) juga nternperhitungkan kualitas scrla pcrbandingan antara kcrapatan kondensat pada saat fase cair dengan kerapatannya pada saat fase gas namun bentuk korelasi dan nilai empiris yang berbeda dengan Ackers et al. Shah (1993) mengemukakan korelasi yang lain dengan memasukkan tekananan yang diredukasi P, (P/P"), kualitas dan dan bilangan nuselt yang dihitung dengan menggunakan persamaan Dittus-Boelter. pada penelitian ini hal yang menarik pada refrigeran Petrozon Rossy-12 ialah bahwa suhu saturasinya meningkat seiring dengan bertambahnya kualitas, sehingga penggunaan suhu saturasi harus diganti dengan suhu refrigeran pada kualitas tersebut. Hal ini kemungkinan besar disebabkan sifat fisis dari Petrozon Rossy-12 itu sendiri yang merupakan campuran.
CARA PENELITIAN Peralatan penelitian yang merupakan sistem pendingin kompresi uap yang dimodifikasi disusunan pada Gambar l. diagram instalasi. Uap yang telah dikompresi kompresor diernbunkantan didalarn kondenser selanjutnya cairan yang keluar dari kondenser dalam kondisi cair jenuh diukur laju alirannya dengan menggunakan orrifice. Kemudian cairan refrigeran itu ,]ruruk ke pre-heater yang digunakan untuk mengatur kualitas refrigeran yang akan memasuki seksi uji. Kualitas dapat dihitung dari fluks kalor yang diberikan, temperatur refrigeran di sisi rnasuk ian keluar dari pre-heater, dan laju aliran massa refrigeran yang diukur oleh orrifice.
Q=m(ht-ht) ISSN
:
I4l2-9612
M-30
Sintposittrn Nasional
dimanaQ (Flux kalor dari arus listrik), yang masuk ke pre-heater) dan
m (Laju aliran
massa refrigerant),
h, (Entalpy refrigerant yang keluar
Kualitas dihitung dari persamaan
I MPI
2AA2
ft, (Entalpi refrigerant
dari pre-heater)
:
*=h'-h'
hft
h1
(Entalpy refrigerant pada keadaan cair jenuh),. h2 (Entalpy refrigerant yang keluar dari pre'
heater) dan hi, (Panas laten penguapan). Selanjutnya uap dengan kualitas tertentu itu masuk dalanr seksi uji berupa suatu pipa ganda aliran searah yang mana pipa bagian dalam terbuat dari tembaga sepanjang 80 cm dengan diameter dalam 16,60 mm dan diameter luar 18,85 mm, sedangkan pipa bagian luar merupakan pipa PVC yang terisolasi. Kemudian uap yang telah diuji tersebut diturunkan tekanannya dalarn katup ekspansi dan selanjutnya diuapkan seluruhnya dalam evaporator yang untuk kemudian dikompresi kembali didalam kompresor
diagram instalasi percobaan
Keterangan gambar:
l. Kompresor
4, onifice
2. Kondensor 3. filter
5.
pre-heater
6. seksi uji
7. katup ekspansi 8. evaporator 9. tangki air
10. pompa air
I L rotameter
Pengukuran temperatur dilakukan dengan menggunakan termokopel tipe T, dimana temperatur refrigeran diukur melalui pipa tembaga kecil yang dimasukkan kedalam pipa siksi uji, pengukuran temperatur refrigeran ini dilakukan pada sebelum pre-heater, sebelum seksi uji dan sesudah seki uji. Pengukuran temperatur juga dilakukan pada sebeium dan sesudah dinding pipa seksi uji pada bagian atas, samping dan bawah pipa seksi uji. Air pendingin seksi uji diukur laju alirannya dengan menggunakan rotameter dimana temperatur air pendingin itu diukur pada sebelum dan sesudah memasuki seki uji. Pengukuran tekanan juga dilakukan pada sebelum pre hdater untuk mengetahui tekanan uap pada saat dilakukan pengujian. Tekanan yang terukur selama pengujian berkisar antara 127 Psi- 140 Psi.
Nilai koefisien
perpindahan panas untuk kualitas yang telah ditentukan dihitung menurut
persamaan berikut
hp --
T _'rtsal
tw
ISSN.: 1412-9612
:
Simposirm Nasionol I RAPI 2002
T* Tr",
q"
: : :
Temperatur dinding Temperatur saturasi refrigerant Flux kalor yang diambil air pendingin
:ffi
tn oi, Cp oir(To.o,,
- T,.o,r)
HASIL DAN PEMBAHASAN perpindahan kalor Gambar 2,3 dan 4 menunjukkan hubungan antara koefesien dan 4 tersebut juga 2,3 Gambar pengembunan dengan kualitas uap refrigeran. Pada masing-masing samping dan bawah terhadap kenaikan men"unjukkan p"ngu.ut posisi penampang pipa bagian atas, Petrozon Rossy-12' koefesien perpindahan kalor pengembunan -perpindahan kalor pengembunan seiring dengan bertambahnya pertambahan koefesien
juga menaikkan kualitas uap refrigeran dikarenakan pertambahan kualitas uap refrigeran dan pendingin refrigeran antara temperatur uap .efiig"ran itu sehingg4 perbedaan temperatur akan pendingin dan semakin besar. Peningkatan perbidaan temperatur antara refrigeran
yang kemudian menambah besar meningkatkan fluks kalJr dari refrigeran ke pendingin, hal inilah Bertambahnya koefesien perpindahan kalor pengembunan refrigeran Petrozon Rosssy-12'
kualitas uapnya temperatur'refrigeran Petrozon Rossy-12 seiring dengan peningkatan dari beberapa hidrokarbon' kenrungkinan disebabkan Petrozon Rossy-12 merupakan campuran
posisi atas, samping dan Perbedaan koefesien perpindahan kalor pengembunan pada pada penampang bawah dari penampang pipa terjadi karena perbedaan tebal lapisan kondensat ini yaitu percobaan pada pipa itu. Variasi laju lerpindahan massa refrigeran yang dilakukan 0,00296 kg/dtk, cairan berturut-turut yakni 0,000345 kg/dtk dan 0,000319 kg/dth mempunyai bilangan Reynolds yang transisi' Pada 2066, 2410 dan 2926. Karena itu refrigeran dalam pipa memiliki aliran mempengaruhi gesek saling gaya uap pengembunan dengan aliran yang transisi gravitasi dan mengalir mengembun yang telah ketebalan ketebalan kondensat pudu p.n"rnpang pipa itu. Uap atas bagian menyebabkan kebawah dari penampang pipa kut.nu adanya gaya gravitasi sehingga pipa penampang bawah penampang pipa memilifi'tupi.un kondensat tertipis sedangkan bagian fluks kalor dari menghalangi ini kondensat lapisan Ketebalan tertebal. memiliki iapisan kondensat kalor perpindahan refrigeran te penainiin sehingga menyebabkan iug" rendahnya koefesien kecil semakin Reynoldnya maka peng"embunannya. . Hl ini terlil;t bahwa semakin tesar bilangan bilangan p..i.duun koefisein perpindahan kalor pengembunannya, karena semakin besar reynolsnya maka pengaruh gaya gesek uap semakin besar
rssN
;
M14I2-9612
32
I llAPl
Sitnposiuu
2002
",lctsionul
5452rfI R2 =
0 8505
:,__
.109
?
1573.1x + 1 R' o 0 845!
)z
N
€
_-_a_.__,-,...- , -.,-
a*-
zooo
y
.
1252x + 955 72 R2 = 0.8378
atas
t
samping buwrilt
t,ooo
a
{l'
E CJ
g
a
looo
atas sam ping
bawah
8. E
o.1o
0.50
0.60
kualitas uap refrigeran (x)
Gambar 2.
koefesien perpindahan kalor pengembunan dengan kualitas uap refrigeran Pada laju massa refrigeran 0,00296 Kg/dtk
Grafik hubungan
4000 = 3O82.6x + 428. 3500
:0.9812
3000
Y
sc
t
E q)
o cq) o
I
.
:"-2;
2000
J n
I
J../
^l E 2500
.
R? = 0.9784
7y:2O91 4x-439O R?=0.9694
/ a- -.
500
E
1000
500
0 0.00
0.60
0.80
kualitas refrigeran (x)
Gambar 3.
ISSN
:
l4l2-9612
Grafik hgbungan koefesien perpindahan kalor pengembunan dengan kualitas uap refrigeran Pada laiu massa refrigerau 0'00345 Kgidtk
M-33
Srntposiunt Nosional I R/lPl 2002
y = 3086.8x+ 167.58
y = 3092 4x + 36. R2 . 0.904
Y
2500
N
E
dc
atas
y.2446.4x+212
rom
sarp ping
o c l
bawah
.o
E 0)
15oo
-
O')
c
c)
!
samping
- bawah
rooo
0.60
Kualitas refrigeran (x)
Grafik hubungan koefesien perpindahan kalor pengembunar. dengan kualitas uap refrigeran pada laju massa refrigeran 0,00419 Kg/dtk
Gambar 4.
Berikutnya yaitu Gambar 5. menunjukkan hubungan antara koefesien perpindahan kalor pengembunan rata-rata dari penampang pipa pada beberapa kualitas dengan laju perpindahan massa refrigeran. Gambar 5. menunjukkan bahwa peningkatan laju aliran massa refrigeran akan meningkatkan pula koefesien perpindahan kalor pengembunan refrigeran Petrozon Rossy-12. hal ini dikarenakan besarnya massa refrigeran yang lewat dalam pipa dalam suatu waktu tertentu semakin besar , maka fluks kalor yang terjadi bertambah besar sehingga koefesien perpindahan kalor pengembunannya juga meningkat.
I
!t
!
!E
\t
zsoo
co
2000
€E
rsoo
o 5 o
rooo
to
cf, o
E rr"f
_I
lr
n
030216
I
mref o.oos+s
,i mrer o.oor |
r
o
I
I
a
E
0 0 00250
0
00270 0.00200 0.00310 0.00330 0.00350 0.00370 0 003s0 0.00410
0.00430
laju massa refrlgeran (Kg/dtk)
Gnnrbar
5.
Grafik hubungan koefesien perpindahnn knlor pengembunan refrigeran pada laju mrssa refrigcran tcrtentu
KISIMPULAN Dari hasil pengarnatan dan studi koefesien perpindahan kalor pengembunan maka dapat disimpulkan bahwa
ISSN:
1412-9612
SintPosiun Nasional I
fulPl 2042
uap kalor pengernbunan meningkat seiring dengan peningkatan kualitas juga temperatur menaikkan refrigeran,'irai ini disebabkan peningkatan kualitas uap refrigeran semakin tinggi' uap i'efrigeran sehingga fluks kalo*iftig.tun ke pendingin pipa yang sarna paling besar penampang pada pengembunan kalor Koefesien perpinoaian semakin kecil pada bagian terjadi pada bagian atas, berkurang pada bagian iamping dan penampang pipa tersebut' pada film bawah. Hal ini terjadi karena perbedaan ketebalan lapisan
1. Koefesien perpindahan
z.
laminer, dimana 3. Aliran yang terjadi pada ienelitian ini seluruhnya merupakan aliranperpindahan kalor peningkatan laju massa ,rf,ig.'un meningkatkan pula koefeisien pengembunannYa.
DAFTAR PUSTAKA for stratified' chen I.Y,; Kocamustafaogullari, i 987, condensation Heat Transfer Studies Mass Transfcr vol 30' No'6' cocurrent Two-phase"Flow in Horizontal Tubes,Jurnal Heat Pergamon Jurnal, Great Britain' page : I133-l148 Hidroflourocarbon Refrigera't choi. T.Y,; Kim,M.S,; Ro.S.T, 199?, Evaporation Heat Transfer of Bnergy in a Horizontal Smooth Tube, lnternational conference on Fluid aud l'hermal Conversion'97, Yogyakarta, page : 431-436 Heat mb and Mass Transfer' Incropera, F. p, dan O.lp. O"Witt, 1990, Fundarnentals'Of - 624 610 Third edition, John Wiley & Sons, New York, page : (eds), Trvo-Phase Flow Heat Marto, P,J., 1988, Fundamental of condensation, dalam Kakac Exchanger, Kluwer Academic Pubiisher, page :245-251 ........,....',l993,Fundamentals Handbook (SI), page : 4'l-4'16
ISSN
:
1412-9612
