LAPORAN HASIL PENELITIAN FUNDAMENTAL
JUDUL PENELITIAN
KAJIAN KARAKTERISTIK ALIRAN DAN PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI ALAMIAH PADA SALURAN PERSEGI EMPAT BERBELOKAN TAJAM
OLEH
Prof. DR. Ir. Ahmad Syuhada, M. Sc Dinni Agustina, ST.
Dibiayai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Nasional Sesuai dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Hibah Penelitian Nomor: 019/SP2H/PP/DP2M/III/2007tanggal 29 Maret 2007
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SYIAH KUALA 2007
1
Kajian Karakteristi Aliran dan Perpindahan Panas Koveksi Alamiah Pada Saluran Persegi Emat Berbelokan Tajam
I. PENDAHULUAN Saluran penampang persegi empat dengan belokan tajam 180o sering digunakan sebagai laluan aliran pada berbagai tipe peralatan termal. Medan aliran dalam saluran tersebut mempunyai suatu stuktur tiga dimensi yang kompleks, karena pemisahan aliran disebabkan oleh perubahan arah yang mendadak/tiba-tiba dari aliran didalam belokan tajam [Metzger 1984] lebih-lebih untuk aliran sekunder yang disebabkan oleh gaya sentrifugal [Johnston,1976]. Oleh karena itu laju perpindahan panas konveksi lokal untuk permukaan daerah yang kecil diharapkan tingkat perubahan secara nyata. Hampir semua riset yang telah ada, dilakukan pada aliran berkecepatan tinggi dengan perpindahan panas konveksi paksa. Yang aplikasinya untuk teknologi tinggi yang sering dirancang bangun di negara-negara maju seperti untuk saluran pendinginan dalam (internal cooling) dari turbin gas. Untuk perperpindahan panas/massa konveksi paksa masalah yang dikaji adalah bilangan Reynold (Re) untuk mendapat angka Nusselt (Nu) bagi penentuan karakteristik perpindahan panas, dan angka Sherwood (Sh) untuk pengkajian karakteristi perpindahan massa. Tetapi penggunakan pada teknologi menengah, untuk proses pendinginan dan pemanas dengan menggunakan energi pembakaran bahan bakar masih sangat minim. Untuk pemahaman yang lebih baik dari karakteristik aliran dan perpindahan panas konveksi alamiah pada saluran persegi empat dengan belokan tajam 180o ini adalah dibutuhkan suatu pengkajian secara eksperimental dari karakteristik perpindahan panas lokal pada saluran dengan pola gerakan aliran konveksi alamiah. Lebih lanjut, dengan data hasil eksperimental yang detail akan diperoleh suatu database yang lebih baik untuk pengevaluasi dari hasil-hasil simulasi komputer. Hasil ini juga dapat digunakan pada perencanaan
dari komponen-komponen penukar panas yang bertemperatur medium
kebawah, seperti peratan pemanas dan pendingin. Dengan ini sebagai latar belakang, kami akan melakukan suatu studi eksperimental untuk membuat jelas pola aliran dan karakteristik perpindahan panas (massa) lokal secara detil saluran persegi empat dengan
2
suatu belokan tajam 180
o
dibawah kondisi stasioner. Kajian pada perpindahan
panas/massa konveksi alamiah adalah angka Rayleigh (Ra). Untuk mendapat distribusi Ra local
maka distribusi temperatur local perlu pengukuran. sehingga karakteristik
medan aliran dapat diperkirakan. Karakteristik aliran dalam saluran akibat pemanasan dapat diprediksi jika distribusi temperature di sepanjang laluan saluran terutama dibelokan dapat di data. Dengan demikian untuk kasus ini, pemanasan dan pengukuran temperatur fluida pada titik-titik tertentu yang melalui saluran uji adalah hal yang utama pada riset ini. untuk menjaga kestabilan temperatur pada objek uji, maka alat (material) pentransfer panas yang digunakan adalah pasir besi dengan sumber panas energi mata hari (surya) ataupun sumber pemanas lainnya.. Karena pergerakan fluida didalam saluran ini dikarenakan oleh gaya apung (Buoyancy Force) akibat adanya perbedaan gaya badan (Body Force) diantara partikelpartikel fluida, perbedaan ini disebabkan oleh adanya perbedaan massa jenis (density) antar partikel fuida di dalam saluran ketika pemanasan berlangsung. Maka bidang pemanas (dinding saluran) yang akan ditinjau adalah, pemanas atas, pemanas bawah, dan pemanas samping. Sedangkan pengaruh terhadap posisi saluran dengan gaya grafitasi bumi akan ditinjau dengan cara menvariasikan tata letak saluran aliran terhadap arah grafitasi. Alat ukur temperatur yang digunakan adalah thermometer dan termokopel beserta insrumen pengukurannya. Pungukuran dan pengambilan data dilakukan pada selang waktu tertentu di Laboratorium Konversi Energi, Teknik Mesin Unsyiah yang kondisi akademik dan peralatan bantu sangat mendukung pelaksanaan penelitian ini. Penelitian ini diajukan untuk 2 tahun, untuk pemanas bawah pada tahun pertama dan pemanas atas untuk tahun kedua. Perbedaan yang mendasar antara pemanas bawah dan pemanas atas adalah tempat diletakan perangkat pemanas saluran, sehingga perangkat ujipun harus berbeda. Dengan diketahui/didata distribusi temperatur di sepanjang laluan, maka distribusi angka Rayleigh (Ra) local dapat diperkirakan, dengan demikian angka Nusselt (Nu) dapat dihitung, sehingga pola perpindahan panas konveksi bebas yang terjadi di dalam saluran dengan belokan tajam dapat dipahami. Dengan pemahaman karakteristik perpidahan panas dan aliran, perencanaan dan aplikasi jenis saluran belokan tajam pada pemanas dan pendingin dapat dioptimalkan
3
II. TINJAUAN PUSTAKA Pada konveksi alami, perbedaan temperatur akan terjadinya perbedaan densitas dari fluida dan akan menghasilkan perpindahan panas ke atau dari suata benda dari atau ke fluida. Berbeda dengan konveksi paksa, dimana kecepatan dari fluida ditentukan oleh gaya luar. Sedangkan gerakan fluida pada konveksi alami diakibatkan oleh kenaikan gaya apung akibat variasi temperatur dan densiti dari partikel fluida. Seperti pada konveksi paksa perpindahan fluida secara umum oleh gaya apung dapat berupa pola aliran laminer atau turbulen. Perbedaan densitas dapat dilihat sebagai suatu fungsi dari koefesien ekspansi voleume fluida β berdasarkan defenisi
ρ−ρ 1 ∂v 1 v − v∞ ∞ = β = = ν ∂T v∞ T − T ∞ ρ (T − T ∞ ) Pensubstitusian dalam hubungan di atas untuk ρ
(1) ~
- ρ , gaya apung menjadi
ρ g β (Ts – T~) untuk suatu objek pada temperatur Ts. Pengenalan terhadap gaya apung dapat dilihat dalam bagian variabel β , g dan (Ts – T~), hal ini jelas kelihatan bahwa variabelnya ada tiga macam yaitu suatu system dari karakteristik dimensi linier, L, dan sifat fluida, ρ , µ , Cp dan k harus dipakai dalam analisa dimensi. Namun pada keadaan normal daerah gravitasi adalah konstan β dan g dapat digabung menjadi suatu variabel ( β g) untuk analisa dimensi. Penulisan variabel-variabel, kenaikan setiap variabel tersebut yang tidak diketahui powernya, dan pembentukan analisa dimensi, seperti yang ditunjuk pada banyak literature, juga dapat dilihat melalui parameter tiga dimensi untuk korelasi data pada pemindahan panas pada konveksi alami :
λ1 =
hc L = NuL k
λ12 =
Cp µ = Pr k
λ13 =
βgρ 2 (Ts _ T∞) L3 = GrL µ2
4
Parameter pertama adalah bilangan Nusselt, parameter kedua adalah bilangan Prandt, dan paremeter ketiga disebut bilangan Grashof, GrL adalah perbandingan dari gaya apung terhadap gaya geser. Gaya apung dalam konveksi alami ditukar menjadi gaya momentum dalam konveksi paksa. Di tulis sebagai ρgρ (Ts − T ) ~ adalah gaya apung per satuan volume, ( βgρ (Ts − T ~) L) menjadi gaya apung persatuan luas. Sehingga perbandingan gaya apung terhadap gaya ikat adalah βgρ (Ts − T ~) L /( µV / L) . Bagaimanapun, kecepatan V adalah variabel bebas menuju ( µ / ρL) , maka perbandingan gaya apung dan gaya ikat menjadi :
βgρ 2 (Ts − T∞ ) L3 GrL = µ2
(2)
Pada percobaan dasar yang berulang kali sudah diperoleh bilangan Nusselt rata-rata yang dapat dihubungkan kebilangan Grashof dan bilangan Prandt 1 dengan persamaan sebagai berikut :
Nu f = C (Grf Pr f ) n
(3)
Dimana f menunjukkan bahwa semua sifat-sifat pisik harus dievaluasi pada Tf = Ts + T~)/2. hasilnya, GrPr, diketahui sebagai bilangan Rayleigh, Ra. Pengaruh aliran laminar dan turbulen dari kajian yang ada, pada konveksi alami aliran transisi biasanya terjadi dalam batas 107 < GrPr < 109, bergantung pada system geometric. Kajian perpindahan panas konveksi alami sangat minim jika dibandingkan dengan konveksi paksa (aliran paksa tuurbulen) Studi secara intensif pada aliran turbulen dan perpindahan panas dalam saluran dengan penampang persegi empat telah dilakukan lebih dari puluhan tahun. Pada tahap awal dari studi, penyelidikan secara riset dan numeric dilakukan pada belokan-U oleh Chang et al. (1983), dengan pengukuran gerakan aliran kedua. Johnson (1988) melakukan prediksi numeric angka Nusselt untuk aliran turbulent tiga dimensi didalam saluran belokan–U. Lacovides dan Launder(1988) melakukan numeric simulasi dari aliran tiga dimensi dan medan thermal dengan menggunakan model turbulent tegangan Reynold. Sedangkan Breuer dan Rodi (1994) melaporkan pengembangan teknik Large –Eddy Simulasi (LES) untuk menghitung aliran turbulent di dalam belokan-U.
5
