PENGUJIAN KARAKTERISTIK ALIRAN FASA TUNGGAL ALIRAN AIR KE BAWAH PADA PENUKAR KALOR SALURAN REKTANGULAR BERCELAH SEMPIT
SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Oleh : TAUFAN SULISTYO DARMAWAN NIM : I 0405046
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2010
PENGUJIAN KARAKTERISTIK ALIRAN FASA TUNGGAL ALIRAN AIR KE BAWAH PADA PENUKAR KALOR SALURAN REKTANGULAR BERCELAH SEMPIT Disusun oleh :
Taufan Sulistyo Darmawan NIM. I0405046 Dosen Pembimbing I
Tri Istanto, ST., MT NIP. 19700820 200010 1001 Dosen Pembimbing II
Wibawa Endra J., ST., MT NIP. 19700911 200003 1001
Dosen Pembimbing II
Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari Senin tanggal 2 Juni 2010
1. Zainal Arifin, ST., MT NIP. 19730308 200005 1001
…………………………
2. Rendhy Adhi R, ST.,MT NIP. 19710119 200012 1006
………………………...
3. Syamsul Hadi, ST.,MT NIP. 19710615 199802 1002
………………………...
Mengetahui:
Ketua Jurusan Teknik Mesin
Koordinator Tugas Akhir
Dody Ariawan, ST., MT NIP. 19730804 199903 1001
Syamsul Hadi, ST., MT NIP. 19710615 199802 1002
PERSEMBAHAN Alloh SWT, hidup dan matiku kupersembahkan kepada-Mu Dan sebuah karya singkat yang seolah menjadi rangkuman perjalanan pendidikanku dalam menjalani jenjang pendidikan S1 ini aku persembahkan kepada : Bapak Sudarman, S.Pd (Bapak), Ibu Dyah Suprihanti (Ibu), Mas Beta, dan Mbak Beti, yang telah memberikan bimbingan dan bombongan dengan penuh kesabaran Seluruh anggota keluarga besar almarhum Simbah Tjokrowitjono dan keluarga besar Simbah Sutarno. Mr.3G dan “Prof” Bawa yang bersedia mengerahkan segala kemampuan dan kecakapan dalam membimbing pelaksanaan penelitian dan penyusunan skripsi Seluruh dosen pengajar dan karyawan Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik UNS-Solo Teman-teman tim “the loss galacticos” narrow channel; Yusno, Febri, Mindy, Assen, dan Santa dengan kelebihannya masing-masing, serta teman-teman kuliah di Jurusan Teknik Mesin UNS-Solo Teman-teman dekat yang bersedia menjadi tempat luapan spontanitasku ; Agung, M Nur, Mbak Dyan, Niar serta seluruh teman-teman kos BMW dan Puri Rahma Dan kepada seseorang yang telah meng-gembleng-ku untuk bersabar menghadapi sebuah masalah.
MOTTO ” Sebaik-baik manusia diantaramu adalah yang paling banyak manfaatnya bagi orang lain ” (HR. Bukhari). “Keraguan hanya dapat dihilangkan dengan tindakan.” (Johann Wolfgang von Goethe) “Untuk mencapai kesuksesan, kita jangan hanya bertindak, tapi juga perlu bermimpi, jangan hanya berencana, tapi juga perlu untuk percaya.” (Anatole France) “Kelakukan kita terhadap kehidupan, menentukan sikap kehidupan terhadap kita.” (Earl Nightingale) “Tinggalkanlah kesenangan yang menghalangi pencapaian kecemerlangan hidup yang diidamkan. Dan berhati-hatilah, karena beberapa kesenangan adalah cara gembira menuju kegagalan.” (Mario Teguh) The ‘enemy’ must down. (Penulis)
PENGUJIAN KARAKTERISTIK ALIRAN FASA TUNGGAL ALIRAN AIR VERTIKAL KE BAWAH PADA PENUKAR KALOR SALURAN REKTANGULAR BERCELAH SEMPIT Taufan Sulistyo Darmawan Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia e-mail :
[email protected] Abstrak Penelitian ini dilakukan untuk menguji karakteristik aliran fasa tunggal aliran air vertikal ke bawah dengan/tanpa pertukaran kalor pada penukar kalor saluran rektangular bercelah sempit. Seksi uji adalah sebuah penukar kalor pipa konsentrik. Pipa dalam terbuat dari aluminium dengan panjang sisi dalam dan sisi luar adalah 17,4 mm dan 18,4 mm. Pipa luar terbuat dari aluminium dengan panjang sisi dalam dan sisi luar adalah 23,68 mm dan 24,68 mm. Panjang pengukuran tekanan 1.200 mm. Diameter hidraulik saluran sempit adalah 5,28 mm. Aliran dalam pipa dalam dan dalam anulus adalah berlawanan arah. Fluida kerja yang digunakan dalam penelitian ini adalah air. Untuk aliran dengan pertukaran kalor, temperatur air yang masuk ke pipa dalam dipertahankan pada 60 o C. Pada penelitian ini, laju aliran air dan penurunan tekanan pada saluran sempit diukur pada kondisi tunak. Hasil penelitian dibandingkan dengan perkiraan teori aliran konvensional. Hasil penelitian menunjukkan bahwa karakteristik aliran air yang melalui saluran sempit berbeda dengan aliran air melalui pipa – pipa normal. Pada aliran tanpa pertukaran kalor dalam saluran sempit, transisi dari aliran laminar ke turbulen dimulai lebih awal dibanding dalam pipa – pipa normal,yaitu pada kisaran bilangan Reynolds dari 1.633 hingga 2.239. Transisi aliran dengan pertukaran kalor terjadi pada kisaran bilangan Reynolds antara 1.510 hingga 1.728. Faktor gesekan aliran pada aliran air vertikal ke bawah dengan pertukaran kalor lebih besar dibanding dalam aliran tanpa pertukaran kalor pada bilangan Reynolds yang lebih rendah dari 301. Karakteristik gesekan aliran dalam saluran sempit berhubungan dengan beda temperatur air yang masuk dan keluar saluran sempit. Pengaruh beda temperatur air yang masuk dan keluar saluran terhadap gesekan aliran terkonsentrasi pada daerah aliran laminar. Pada aliran tanpa pertukaran kalor, pada daerah aliran laminar (Re < 1.600), nilai bilangan Poiseuille (Po) adalah 47,57% – 92,53 % lebih besar dibanding dalam pipa – pipa normal. Bilangan Poiseuille (Po) pada aliran dengan pertukaran kalor adalah 53,79 % – 324,52 % lebih besar dibanding dalam pipa – pipa normal pada daerah bilangan Reynolds di bawah 301. Kata kunci : faktor gesekan, saluran rektangular sempit, bilangan Reynolds, bilangan Poiseuille.
INVESTIGATION ON FLOW CHARACTERISTICS OF SINGLE-PHASE VERTICAL DOWNWARD WATER FLOW IN NARROW GAP RECTANGULAR CHANNEL HEAT EXCHANGER Taufan Sulistyo Darmawan Department of Mechanical Engineering Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia e-mail :
[email protected] Abstract This research was conducted to investigate the flow characteristics of single-phase vertical downward water flow with/without heat exchange in a narrow rectangular channel heat exchanger. Test section was a concentric tube heat exchanger. The inner tube was made of aluminium with inner side and outer side lengths of 17.4 mm and 18.4 mm. The outer tube was made of aluminium with inner side and outer side lengths of 23.68 mm and 24.68 mm. The pressure measuring length was 1,200 mm. The hydraulic diameter of the narrow rectangular channel was 5.28 mm. Flows in the inner tube and in annulus were in opposite directions. The working fluid used in this research was water. For the flow with heat exchange, the water temperature at the inlet of inner tube was maintained at 60oC. In this research, the water flow rate and the pressure drop in the narrow channel were measured at the steady state condition. The results of the research were compared with predictions from conventional flow theory. The results show that the characteristics of water flow through the narrow rectangular channel were distinct from which through normal pipes. At the flow without heat exchange in the narrow channel, the flow transition from laminar to turbulent flow was initiated earlier than that in normal pipes, that is at a Reynolds number range from 1,633 – 2,239. The flow transition with heat exchange at a Reynolds number range from 1,510 – 1,728. The flow frictions in the vertical downward water flow with heat exchange were larger than those without heat exchange at the Reynolds number area lower than 301. Flow friction characteristics in the narrow rectangular channel had relations to the water temperature difference at the inlet and outlet of narrow rectangular channel. The influence of water temperature difference at the inlet and outlet of channel to the flow friction was concentrated at laminar flow area. At the flow without heat exchange, at the laminar area (Re < 1600), the Poiseuille number (Po) was 47% 92.53% larger than those in the normal pipes. Poiseuille number (Po) at the flow with heat exchange was 53.79% - 328.52% larger than those in normal pipes at Reynolds number area lower than 301. Keyword : friction factor, narrow rectangular channel, Reynolds number, Poiseuille number
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kehadirat ALLAH SWT, Tuhan Yang Maha Esa atas segala limpahan rahmat dan Karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan Skripsi ‘Pengujian Karakteristik Aliran Fasa Tunggal Aliran Air Ke Bawah (Downward) Pada Narrow Rectangular Channel” ini dengan baik. Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dalam Penyelesaian Skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang setulus - tulusnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada: 1. Bapak Dody Ariawan, ST., MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS Surakarta. 2. Bapak Tri Istanto, ST. MT, selaku Pembimbing I atas bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini. 3. Bapak, selaku Wibawa Endra J, ST. MT Pembimbing II yang telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis. 4. Bapak Nurul Muhayat, ST. MT, selaku Pembimbing Akademis yang telah menggantikan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas Sebelas Maret ini. 5. Bapak Syamsul Hadi, ST. MT, selaku koordinator Tugas Akhir 6. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1. 7. Bapak, Ibu, Mas Beta, Mbak Beti , atas do’a restu, motivasi, dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir. 8. Rekan Skripsi Ahmad (Assen), Yusno (Yesno), Indri (Mindy), Santa (Dek San), dan Febri yang telah bersama-sama mengerjakan penelitian ini, terima kasih yang tak terkira atas bantuan kalian semua. Thanks Guys, matur nuwun, sukron kasiiro, arigato gozaimasu….!!!
9. Rekan – rekan asisten yang pernah bekerjasama dengan saya dalam berbagai praktikum dan berbagi pengalaman. 10. Rekan - rekan Teknik Mesin semua, khususnya angkatan 2005 terima kasih atas kerjasamanya selama ini. 11. Semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu yang telah membantu pelaksanaan dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini.
Penulis menyadari bahwa penyusunan Skripsi ini masih jauh dari sempurna, maka kritik dan saran penulis harapkan untuk kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu pengetahuan dan kita semua Amin. Surakarta,
Penulis
DAFTAR ISI
Halaman Abstrak ........................................................................................................
v
Kata Pengantar .............................................................................................
vii
Daftar Isi .....................................................................................................
ix
Daftar Tabel ................................................................................................
xi
Daftar Gambar .............................................................................................
xii
Daftar Notasi .................................................................................................
xiv
Daftar Lampiran ..........................................................................................
xvi
BAB I
PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah .........................................................
1
1.2 Perumusan Masalah ..............................................................
2
1.3 Batasan Masalah ...................................................................
2
1.4 Tujuan dan manfaat ...............................................................
3
1.5 Sistematika Penulisan ...........................................................
4
BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Pustaka ...................................................................
5
2.2 Dasar Teori ............................................................................
9
2.2.1 Klasifikasi Saluran (Channel) dalam Alat Penukar Kalor.. .................................................................................... 9 2.2.2 Pertimbangan-pertimbangan Hidrodinamik..................
9
1. Kondisi-kondisi Aliran ............................................
9
2. Kecepatan Rata-Rata (Mean Velocity)....................
11
3. Profil Kecepatan di dalam Daerah Kembang Penuh
12
4. Perubahan Tekanan dan Faktor Gesekan di dalam Aliran Kembang Penuh.......................................................
12
2.2.3 Aliran Melalui Pipa Annulus ........................................
16
2.2.4 Karakteristik Aliran dalam Internal Flow .....................
18
2.2.5 Ketidakpastian Pengukuran (Measurement Uncertainty) .................................................................................... 19
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Lokasi dan Waktu Penelitian ................................................
22
3.2 Bahan Penelitian ...................................................................
22
3.3 Alat Penelitian .......................................................................
22
3.4 Prosedur Penelitian .................................................................
32
3.4.1
Tahap Persiapan ........................................................
32
3.4.2
Tahap Pengujian........................................................
32
3.5 Analisis Data ...........................................................................
34
3.6 Diagram alir penelitian............................................................
35
BAB IV DATA DAN ANALISIS 4.1 Data Hasil Pengujian .............................................................
36
4.1.1 Data Hasil Pengujian Tanpa Pertukaran Kalor (Without Heat Exchange)......................................................................
37
4.1.2 Data Hasil Pengujian Dengan Pertukaran Kalor (With Heat Exchange)......................................................................
38
4.2 Perhitungan Data.....................................................................
39
4.2.1 Tanpa Pertukaran Kalor ... ...........................................
39
4.2.2 Dengan Pertukaran Kalor.............................................
44
4.3 Ketidakpastian Pengukuran.....................................................
50
4.3.1 Contoh perhitungan ketidakpastian pada bilangan Reynolds terbesar pada variasi tanpa pertukaran kalor................
53
4.3.2 Contoh perhitungan ketidakpastian pada bilangan Reynolds terbesar pada variasi dengan pertukaran kalor ............. 65 4.4 Analisis Data ...........................................................................
76
4.4.1 Pengaruh Variasi Bilangan Reynolds Terhadap Karakteristik Gesekan Pada Aliran Tanpa Pertukaran Kalor ............
76
4.4.2 Pengaruh Variasi Bilangan Reynolds Terhadap Karakteristik Gesekan Pada Aliran Dengan/Tanpa Pertukaran Kalor
77
4.4.3 Pengaruh Ketidakpastian Bilangan Reynolds Terhadap Ketidakpastian Faktor Gesekan ..................................
80
4.4.4 Pengaruh Ketidakpastian Bilangan Reynolds Terhadap Ketidakpastian Bilangan Poiseuille ............................
82
5.1 Kesimpulan ...........................................................................
85
5.2 Saran ......................................................................................
86
Daftar Pustaka .............................................................................................
87
Lampiran .....................................................................................................
88
BAB V PENUTUP
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 4.1 Data hasil pengujian variasi bilangan Reynolds aliran air di anulus sempit tanpa pertukaran kalor .................................................... 37 Tabel 4.2 Data hasil pengujian variasi bilangan Reynolds aliran air di anulus sempit dengan pertukaran kalor ................................................. 38 Tabel 4.3 Hasil pengukuran dimensi seksi uji ............................................
50
Tabel 4.4 Hasil perhitungan ketidakpastian dimensi seksi uji ....................
51
Tabel 4.5 Hasil pengambilan data massa dan waktu pada Re terbesar.......
53
Tabel 4.6 Hasil pembacaan beda ketinggian air pada manometer ..............
59
Tabel 4.7 Hasil pengambilan data massa dan waktu pada Re terbesar.......
65
Tabel 4.8 Hasil pembacaan beda ketinggian air pada manometer ..............
70
Tabel 4.9 Kontribusi ketidakpastian pada variasi tanpa pertukaran kalor ..
81
Tabel 4.10 Kontribusi ketidakpastian pada variasi dengan pertukaran kalor ................................................................................................. 81
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Gambar 2.2 Gambar 2.3 Gambar 2.4 Gambar 2.5 Gambar 2.6 Gambar 2.7 Gambar 3.1 Gambar 3.2 Gambar 3.3 Gambar 3.4 Gambar 3.5 Gambar 3.6 Gambar 3.7 Gambar 3.8 Gambar 3.9 Gambar 3.10 Gambar 3.11 Gambar 3.12 Gambar 3.13 Gambar 3.14 Gambar 3.15 Gambar 3.16 Gambar 3.17 Gambar 3.18 Gambar 3.19 Gambar 3.20 Gambar 3.21 Gambar 4.1 Gambar 4.2 Gambar 4.3 Gambar 4.4 Gambar 4.5
Karakteristik gesekan tanpa pertukaran kalor pada tiga arah aliran (Lu dan Wang, 2007) . .......................................................... 6 Karakteristik gesekan aliran vertikal dengan atau tanpa pertukaran kalor (Lu dan Wang, 2007) ................................................... 7 Perbandingan bilangan Poiseuille hasil eksperimen dengan korelasi fungsi Re (Mokrani et al, 2008). ........................................... 8 Perkembangan kecepatan lapis batas pada pipa (Y. A. Cengel, 2003). .................................................................................... 10 Skema pengukuran beda tekanan pada seksi uji aliran vertikal ke bawah dengan menggunakan manometer pipa U ................ 15 Penukar kalor pipa ganda yang terdiri dari 2 pipa konsentrik (Y. A. Cengel, 2003). ....................................................................... 17 Skema penampang melintang saluran sempit berbentuk segiempat ............................................................................................... 17 Air dingin dalam bak penampung......................................... 22 Air panas dalam bak penampung .......................................... 22 Skema instalasi alat penelitian .............................................. 23 Skema seksi uji alat penkar kalor saluran rektangular bercelah sempit dengan titik-titik penempatan termokopel................. 23 Foto instalasi alat penelitian tampak depan.................................... Foto instalasi alat penelitian tampak belakang............................... Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air .. Termokopel tipe T.......................................................................... (a) Lem Araldite ; (b) Konektor termokopel .................................. Flange............................................................................................. Display Termokopel ....................................................................... Pompa Sentrifugal .......................................................................... Bak penampung atas....................................................................... Stop kran ........................................................................................ (a) Stop kran dan (b) Ball valve ..................................................... (a) Thermocontroller, (b) Relay/contactor ..................................... Electric heater ................................................................................ Manometer U.................................................................................. Penjebak air .................................................................................... Timbangan digital .......................................................................... Stopwatch .......................................................................................
24 25 26 27 27 27 28 28 29 29 30 30 30 31 31 32 32
Grafik variasi massa air terhadap waktu ............................... 54 Grafik variasi massa air terhadap waktu ............................... 65 Kurva karakteristik gesekan pada aliran tanpa pertukaran kalor ............................................................................................... 77 Kurva karakteristik gesekan pada aliran dengan/tanpa pertukaran kalor ...................................................................................... 78 Hubungan antara faktor gesekan aliran dengan perbedaan temperatur air dalam anulus sempit ...................................... 79
Gambar 4.6 Gambar 4.7 Gambar 4.8 Gambar 4.9
Ketidakpastian faktor gesekan pada aliran tanpa pertukaran kalor ............................................................................................... 82 Ketidakpastian faktor gesekan pada aliran dengan pertukaran kalor ............................................................................................... 82 Ketidakpastian bilangan Poiseuille pada aliran tanpa pertukaran kalor ...................................................................................... 83 Ketidakpastian bilangan Poiseuille pada aliran dengan pertukaran kalor ...................................................................................... 84
DAFTAR NOTASI
a
= Panjang sisi bagian luar inner tube (m)
Ac
= Luas penampang melintang aliran (m2)
b
= Panjang sisi bagian dalam outer tube (m)
D
= Diameter dalam pipa (m)
Dh
= Diameter hidrolik (m)
Di
= Diameter luar inner tube (m)
Do
= Diameter dalam outer tube (m)
∆P
= Penurunan tekanan dalam pipa (Pa)
∆z
= Perubahan elevasi (m)
ε
= Kekasaran absolut (m)
ε/D
= Kekasaran relatif
f
= Faktor gesekan
g
= Percepatan gravitasi (m/s2)
hf
= Kerugian head karena gesekan (m)
l
= Panjang pipa (m) ·
m
= laju aliran massa (kg/s)
µ
= Viskositas dinamik (kg/m∙s)
µw
= Viskositas dinamik air dalam saluran sempit (kg/m∙s)
p
= Keliling basah pipa / wetted perimeter (m)
Po
= Bilangan Poiseuille
Pf
= Frictional pressure drop (Pa)
ρ
= Massa jenis fluida (kg/m3)
ρm
= Massa jenis fluida dalam manometer (kg/m3)
ρw
= Massa jenis air dalam saluran sempit (kg/m3)
Re
= Bilangan Reynolds
um
= Kecepatan rata-rata fluida (m/s)
uxi
= Ketidakpastian xi
uy
= Ketidakpastian variable yang dihitung
v
= Kecepatan aliran fluida dalam pipa (m/s)
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman Lampiran A Data hasil pengujian ............................................................... 88 Tabel A.1 Tabel A.2
Data hasil pengujian variasi bilangan Reynolds aliran air di anulus sempit pada variasi tanpa pertukaran kalor. ................................................ 89 Data hasil pengujian variasi bilangan Reynolds aliran air di anulus sempit pada variasi dengan pertukaran kalor............................................... 90
Lampiran B Properti Air (Zat Cair Jenuh).................................................. 90 Lampiran C Properti air yang mengalir dalam anulus sempit. ................... 91\ Tabel C.1 Properti air yang mengalir dalam anulus sempit pada variasi tanpa pertukaran kalor...................................................................... 92 Tabel C.2 Properti air yang mengalir dalam anulus sempit pada variasi dengan pertukaran kalor...................................................................... 93 Lampiran D Hasil perhitungan data pengujian ........................................... 94 Tabel D.1 Tabel D.2
Hasil perhitungan data pengujian pada variasi tanpa pertukaran kalor .........................................................................................................94 Hasil perhitungan data pengujian pada variasi dengan pertukaran kalor .........................................................................................................96
Lampiran E Hasil perhitungan ketidakpastian data pengujian ................... 97 Tabel E.1 Hasil perhitungan ketidakpastian pada pengujian tanpa pertukaran kalor........................................................................................ 98 Tabel E.2 Hasil perhitungan ketidakpastian pada pengujian dengan pertukaran kalor........................................................................................ 100 Lampiran F Hasil perhitungan kontribusi ketidakpastian .......................... 102 Tabel F.1 Hasil perhitungan kontribusi ketidakpastian pada variasi tanpa pertukaran kalor...................................................................... 102 Tabel F.2 Hasil perhitungan kontribusi ketidakpastian pada variasi dengan pertukaran kalor...................................................................... 104
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah Penukar kalor atau lebih sering disebut dengan heat exchanger adalah suatu alat yang digunakan sebagai media transfer kalor antara fluida panas dan fluida dingin. Penukar kalor banyak digunakan dalam bidang rekayasa, misalnya: dalam hal pemanas ruangan, pengkondisian udara, pembangkit tenaga, dan proses–proses
kimia.
Dalam
perkembangannya,
alat-alat
penukar
kalor
mengaplikasikan teknologi struktur mikro untuk meningkatkan perpindahan kalor, salah satunya adalah penukar kalor dengan menggunakan saluran sempit (narrow channel). Penukar kalor dengan saluran sempit digunakan dalam produk atau peralatan yang memiliki fluks panas tinggi seperti : reaktor nuklir, bioreaktor (berfungsi memodifikasi dan memisahkan sel–sel makhluk hidup dan membran sel), piranti – piranti elektronik, dan automobile. Teknik peningkatan perpindahan kalor dengan saluran sempit memiliki keunggulan-keunggulan yang besar di dalam perbedaan temperatur yang kecil, efisiensi perpindahan kalor yang tinggi, dan konfigurasi yang ringkas (compact) tanpa proses permesinan yang rumit atau pemrosesan permukaan tambahan. Geometri penampang dan ukuran saluran sempit sangat penting dalam sebuah penukar kalor. Sebagai contoh saluran non circular dalam sebuah penukar kalor dapat mempengaruhi pola aliran. Karakteristik aliran dari saluran-saluran sempit ini memegang sebuah peranan penting dalam keamanan dan keandalan dari alat penukar kalor. Dasar pemahaman karakteristik aliran pada suatu saluran adalah distribusi kecepatan dan penurunan tekanan. Hal tersebut merupakan hal dasar dalam desain dan proses kontrol pada peralatan microfluidic. Penurunan tekanan pada penukar kalor saluran bercelah sempit merupakan parameter desain yang penting dalam aplikasi rekayasa karena menentukan daya pemompaan (pumping power) yang dibutuhkan. Adanya penurunan tekanan berarti terdapat kehilangan energi akibat gesekan antara fluida dengan permukaan saluran. Semakin besar penurunan tekanan dalam penukar kalor saluran bercelah sempit semakin besar pula daya
pemompaan yang dibutuhkan untuk mempertahankan aliran, yang berdampak pada biaya pemompaan yang semakin besar pula. Sehingga menentukan daya pemompaan fluida yang diperlukan adalah hal yang utama sebagai bagian dari desain sistem dan analisis biaya operasi. Daya pemompaan dihubungkan dengan gesekan fluida (fluid friction) dan kontribusi penurunan tekanan lain sepanjang lintasan aliran fluida. Oleh karena itu, perlu diadakan penelitian mengenai karakteristik aliran sebuah penukar kalor dengan saluran sempit, yang diyakini mempunyai karakteristik aliran yang berbeda dengan penukar kalor konvensional. Penelitian ini akan menguji pengaruh bilangan Reynolds aliran air di saluran bercelah sempit dan pengaruh tanpa pertukaran kalor dan dengan pertukaran kalor terhadap karakteristik aliran fasa tunggal aliran air vertikal ke bawah (downward) yang terjadi pada penukar kalor saluran rektangular bercelah sempit. 1.2 Perumusan masalah a. Bagaimanakah pengaruh bilangan Reynolds aliran air pada saluran rektangular bercelah sempit terhadap karakteristik aliran fasa tunggal aliran air vertikal ke bawah (downward) pada penukar kalor saluran rektangular bercelah sempit. b. Bagaimanakah pengaruh tanpa pertukaran kalor dan dengan pertukaran kalor terhadap karakteristik aliran fasa tunggal aliran air vertikal ke bawah (downward) yang terjadi pada penukar kalor saluran rektangular bercelah sempit. 1.3 Batasan masalah Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut ini : 1.
Alat penukar kalor berupa penukar kalor pipa konsentrik (concentric tube heat exchanger) satu laluan dengan bentuk penampang pipa (tube) adalah segiempat (rectangular) dengan lebar celah (gap) antar pipa seragam sebesar 2,64 mm (diameter hidrolik = Dh = 5,28 mm). Panjang penukar kalor 1.900 mm dan panjang pressure tap sebesar 1.200 mm.
2.
Pipa-pipa yang digunakan terbuat dari aluminium di mana friction factor diperhatikan. Pada pipa segiempat luar (outer tube); dimensi sisi luar 24,68
mm dan sisi dalam 23,68 mm dan pipa segiempat dalam (inner tube); dimensi sisi luar 18,4 mm dan sisi dalam 17,4 mm. 3.
Arah aliran fluida dalam penukar kalor adalah berlawanan arah (counter flow heat exchanger).
4.
Seksi uji diisolasi sehingga perpindahan panas ke lingkungan diabaikan.
5.
Pengujian karakteristik aliran fasa tunggal aliran air vertikal ke bawah (downward) dalam saluran rektangular bercelah sempit dilakukan pada posisi vertikal.
6.
Pengujian dilakukan dalam keadaan diam (static experiment).
7.
Penelitian dilakukan pada temperatur kamar.
8.
Faktor pengotoran (fouling factor) diabaikan.
9.
Jumlah titik pembacaan temperatur yang akan diamati pada pengujian ini adalah 4 titik, yaitu 2 titik untuk mengukur temperatur air dingin dan air panas masuk seksi uji dan 2 titik lagi untuk mengukur temperatur air dingin dan air panas keluar dari seksi uji.
1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk : 1.
Mengetahui pengaruh bilangan Reynolds aliran air pada saluran rektangular bercelah sempit terhadap karakteristik aliran fasa tunggal aliran air vertikal ke bawah (downward) pada penukar kalor saluran rektangular bercelah sempit.
2.
Membandingkan karakteristik aliran fasa tunggal di penukar kalor saluran rektangular bercelah sempit aliran air vertikal ke bawah (downward) dengan pertukaran kalor dan tanpa pertukaran kalor.
Hasil yang diperoleh dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut : 1.
Mampu memberikan pengetahuan baru yang berguna dalam ilmu mekanika fluida khususnya mengenai karakteristik aliran pada penukar kalor saluran rektangular bercelah sempit.
2.
Menjadi dasar bagi penelitian berikutnya, yakni pada aliran dua fasa dalam penukar kalor saluran rektangular bercelah sempit.
3.
Dapat diterapkan dalam bidang industri dan reaktor nuklir sebagai alat penukar kalor yang kompak, ringan, murah, dan mempunyai karakteristik aliran yang baik.
1.5 Sistematika Penulisan Sistematika penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut : BAB I
: Pendahuluan,
menjelaskan
tentang
latar
belakang
masalah,
perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian, serta sistematika penulisan. BAB II
: Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan pengujian karakteristik aliran, dan teori tentang karakteristik aliran di dalam sebuah saluran.
BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan, tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan dan pengambilan data. BAB IV : Data dan analisa, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan data hasil pengujian serta analisa hasil dari perhitungan. BAB V
: Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.
BAB II LANDASAN TEORI
1.2 Tinjauan Pustaka Li, dkk (2003) menyelidiki karakteristik tahanan gesekan pada aliran deionized water dengan menggunakan microtubes dari bahan kaca, silikon, dan stainless steel berdiameter 79,9 - 166,3 mm, 100,25 - 205,3 mm, dan 128,76 179,8 mm. Microtubes dari kaca dan silikon dapat dianggap sebagai material halus, sedangkan microtubes dari stainless steel dengan kekasaran relatif 3 - 4% dapat dianggap material kasar. Hasil penyelidikan menunjukkan bahwa untuk aliran air kembang penuh dalam microtubes dari kaca dan silikon yang halus, hasil perkalian dari faktor gesekan Darcy (f) dan bilangan Reynolds (Re) mendekati 64, dimana sesuai dengan hasil dalam macrotubes. Sedangkan nilai f ∙ Re untuk aliran air dalam microtubes dari stainless steel yang kasar adalah 15% - 37% lebih tinggi dari 64. Celata, dkk (2004) menyelidiki perpindahan panas dan aliran fluida pada micropipes berdiameter 130 mm dan kekasaran permukaan 2,65 % dengan variasi bilangan Reynolds dari 100 – 8.000 menggunakan R114 sebagai fluida kerjanya. Hasil penyelidikan menunjukkan bahwa terdapat kesesuaian dengan teori Hagen Poiseuille pada daerah laminar untuk bilangan Reynolds 600 – 800. Sedangkan untuk bilangan Reynolds yang lebih besar menunjukan harga faktor gesekan (friction factor) lebih besar dari hukum Hagen – Poiseuille. Daerah transisi dari aliran laminar ke turbulen terjadi pada kisaran bilangan Reynolds 1.800 – 2.500. Lu dan Wang (2007) melakukan penelitian terhadap karakteristik aliran dengan pertukaran kalor dan tanpa pertukaran kalor pada anulus sempit dengan diameter dalam pada inner tube 12,93 mm dan diameter dalam pada outer tube 22,09 mm, sedangkan diameter hidroliknya 6,16 mm. Bilangan Reynolds divariasi dari 3 sampai 30.000. Penelitian ini menggunakan fluida air dengan arah aliran horizontal, ke atas (upward), dan ke bawah (downward). Hasil penelitian menunjukkan bahwa karakteristik aliran air yang melalui anulus sempit berbeda bila dibandingkan dengan pipa ukuran konvensional. Karakteristik aliran dalam anulus sempit berhubungan dengan perbedaan temperatur cairan pada bagian
masuk dan keluar anulus. Hal ini relatif terlihat jelas pada daerah aliran laminar. Ketika bilangan Reynolds lebih besar dari 10.000, terdapat sedikit perbedaan antara faktor gesekan aliran dengan pertukaran kalor dan tanpa pertukaran kalor. Transisi aliran dimulai lebih awal dibandingkan dengan pipa normal pada kisaran bilangan Reynolds dari 1.100 sampai 1.500. Melalui perbandingan antara kurva karakteristik gesekan (friction characteristic) aliran air dalam anulus sempit dan pipa normal dalam Gambar 2.1 oleh Lu dan Wang (2007), terlihat bahwa pada daerah aliran laminar faktor gesekan dalam anulus sempit adalah 19 – 47% lebih besar dibanding dalam pipa – pipa normal. Akan tetapi dalam daerah aliran turbulen, kedua kurva karakteristik gesekan ini mempunyai sedikit perbedaan. Dalam daerah aliran laminar, persamaan regresi untuk faktor gesekan adalah,
f =
88,9 Re
(2.1)
Dalam daerah aliran laminar, hasil yang didapat dengan regresi Persamaan (2.1) adalah 1,389 kali sebesar nilai yang dihitung dengan persamaan f=64/Re.
Gambar 2.8
Karakteristik gesekan tanpa pertukaran kalor pada tiga arah aliran (Lu dan Wang, 2007).
Penelitian Lu dan Wang (2007) terhadap karakteristik aliran dilakukan dengan pertukaran kalor dan tanpa pertukaran kalor dalam anulus sempit. Karakteristik aliran dalam anulus sempit itu dianalisa dengan faktor gesekan (f) yang diplot terhadap bilangan Reynolds seperti dalam Gambar 2.2 berikut:
Gambar 2.9
Karakteristik gesekan aliran vertikal dengan atau tanpa pertukaran kalor (Lu dan Wang, 2007)
Dari Gambar 2.2 disimpulkan bahwa pada range bilangan Reynolds 3
1.500 merupakan daerah aliran turbulen. Daerah dimana terjadi perubahan trendline nilai faktor gesekan (f) untuk daerah aliran laminar ke trendline faktor gesekan (f) untuk daerah aliran turbulen disimpulkan sebagai daerah transisi, dimana dalam penelitian ini terletak pada range bilangan Reynolds 1.100 < Re < 1.500. Ketika terjadi pertukaran panas pada aliran di anulus, arah aliran mempunyai dampak yang kecil terhadap gesekan aliran begitu juga dengan aliran tanpa pertukaran panas. Akan tetapi, pertukaran kalor mempunyai pengaruh besar pada gesekan aliran khususnya pada daerah dengan bilangan Reynolds rendah. Jie Jiang, dkk (2008) meneliti karakteristik aliran fluida dan pertukaran kalor pada rectangular microchannels. Seksi uji terbuat dari tembaga dengan tebal 3 mm, lebar 20 mm dan panjang 80 mm. Pada seksi uji terdapat 30 parallel rectangular micro-slot dengan lebar 900 µm, tinggi 350 µm, panjang 80 mm dan dipisahkan dengan tebal dinding 500 µm. Deionized water dipanaskan dengan pemanas listrik dan konduktor termal kemudian dialirkan melalui seksi uji. Hasil pengujian menunjukkan bahwa faktor gesekan (friction factor) pada microchannel mengalami penurunan dengan peningkatan bilangan Reynolds dan nilainya lebih kecil daripada kondisi konvensional yaitu sekitar 20 – 30 %. Bilangan Reynolds kritis terjadi lebih kecil daripada kondisi konvensional yaitu sekitar 1.100. Mokrani, dkk (2009) melakukan penelitian aliran fluida dan pertukaran panas konveksi pada flat microchannels menggunakan air sebagai fluida kerjanya.
Microchannel berpenampang segiempat (rectangular) dengan ketinggian saluran sempit divariasi 50 - 500 mm dan melakukan variasi diameter hidrolik antara 100 mm dan 1 mm. Penurunan tekanan ditandai dengan bilangan Poiseuille, yaitu untuk macrochannel bilangan Poiseuille bernilai konstan pada daerah aliran laminar tergantung pada bentuk dari penampang saluran, dan pada daerah aliran turbulen nilai dari bilangan ini akan meningkat seiring dengan peningkatan bilangan Reynolds. Koefisien gesekan aliran diperkirakan dengan pengukuran penurunan tekanan (pressure drop) di dalam microchannel secara langsung pada daerah dimana aliran telah kembang penuh. Bilangan Poiseuille diukur secara eksperimental untuk semua tinggi microchannel dalam daerah laminar dan turbulen. Hasil eksperimen di daerah laminar dibandingkan dengan korelasi Shah dan London, sedangkan untuk daerah turbulen dibandingkan dengan korelasi Blasius dan Kakaç. Hasil eksperimen dan hasil teoritis untuk Po sebagai fungsi bilangan Reynolds (Re) untuk berbagai tinggi saluran (e) dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Gambar 2.10
Perbandingan bilangan Poiseuille hasil eksperimen dengan korelasi fungsi Re (Mokrani et al, 2008).
Dari Gambar 2.3 dapat diambil kesimpulan bahwa hasil eksperimen Po untuk daerah laminar sesuai dengan nilai teoritis, sedangkan untuk daerah turbulen kehilangan tekanan (pressure losses) yang didapat dalam korelasi Blasius agak lebih rendah dibanding hasil eksperimen, tetapi perbedaannya lebih kecil dibanding ketidakpastian pengukuran (measurement uncertainties). Pengukuran terletak diantara korelasi Blasius yang didapat dari saluran segiempat dengan aspect ratio yang besar dan korelasi Kakac, dkk untuk saluran segiempat. Disimpulkan juga bahwa untuk tinggi saluran antara 100 mm dan 500 mm, transisi antara daerah laminar dan turbulen terjadi pada bilangan Reynolds antara 2.000 dan 3.000. 1.3 Dasar Teori 2.2.1
Klasifikasi Saluran (Channel) dalam Alat Penukar Kalor
Saat ini telah banyak dikembangkan sistem penukar kalor baru dengan penampang saluran yang bervariasi mulai dari dimensi nanometer hingga yang besar (konvensional). Ini tidak terlepas juga dengan tuntutan akan alat penukar kalor untuk sistem-sistem mikro dalam dunia rekayasa. Klasifikasi saluran menurut Mehendale, et.al (2000) adalah sebagai berikut : 1. Conventional passages
D > 6 mm
2. Compact passages
1 mm < D < 6 mm
3. Meso-channels
100 µm < D < 1 mm
4. Microchannels
1 µm < D < 100 µm
2.2.2 Pertimbangan-pertimbangan Hidrodinamik 1.
Kondisi-kondisi Aliran
Dimisalkan terdapat aliran laminar di dalam sebuah pipa bulat dengan jari–jari ro , dimana fluida memasuki pipa dengan kecepatan yang seragam. Ketika fluida mengalami kontak dengan permukaan, efek kekentalan menjadi penting dan lapis batas (boundary layer) akan berkembang dengan meningkatnya x. Perkembangan ini terjadi pada saat aliran mulai mengalami pengerutan pada daerah aliran tak kental ( inviscid flow ).
Gambar 2.11
Perkembangan kecepatan lapis batas pada pipa (Y. A. Cengel, 2003).
Efek kekentalan akan memanjang ke seluruh luasan permukaan pipa dan profil kecepatan berubah dengan bertambahnya jarak x. Aliran ini yang disebut dengan aliran kembang penuh ( fully developed flow ), dan jarak dari arah masukan hingga kondisi ini dicapai disebut dengan ”hydrodynamic entry length”, xfd,h. Profil kecepatan aliran kembang penuh berbentuk parabola untuk aliran laminar. Untuk aliran turbulen berbentuk lebih datar karena aliran berputar pada arah pipa. Untuk pipa berbentuk anuli, panjang saluran yang dibutuhkan untuk mencapai kondisi kembang penuh adalah antara 20 hingga 25 kali diameter hidrolik (Olson et.al, 1963). Ketika berhadapan dengan aliran internal (aliran dalam pipa), sangat penting untuk mengenal sifat masukan aliran, apakah aliran tersebut bersifat laminar atau turbulen. Angka Reynolds untuk pipa bulat didefinisikan : Re =
r um D m
(2.2)
dimana : Re
= bilangan Reynolds
r
= massa jenis fluida (kg/m3)
m
= viskositas dinamik (kg/m.s)
um
= kecepatan rata – rata fluida (m/s)
D
= diameter dalam pipa (m)
Untuk aliran yang melewati pipa tidak bulat, bilangan Reynolds, dihitung berdasarkan diameter hidrolik (Dh), yang didefinisikan : Dh =
4 Ac p
(2.3)
dimana : Dh
= diameter hidrolik (m)
Ac
= luas penampang aliran (m)
p
= keliling basah pipa (wetted perimeter) (m)
Sangat penting mengetahui nilai bilangan Reynolds yang tepat untuk aliran laminar, transisi, dan aliran turbulen. Pergantian aliran laminar ke turbulen juga dipengaruhi oleh gangguan yang ada pada pipa , seperti : kekasaran pipa, getaran pipa, dan fluktuasi aliran. Untuk prakteknya, nilai bilangan Reynolds untuk aliran laminar, transisi, dan turbulen adalah sebagai berikut : Ø aliran laminar, Re < 2.300 Ø aliran transisi, 2.300 < Re < 10.000 Ø aliran turbulen, Re > 10.000 Pada aliran transisi, aliran berubah antara aliran laminar dan turbulen secara acak. Perlu diingat bahwa aliran laminar dapat dijaga pada nilai bilangan Reynolds yang tinggi pada pipa yang sangat halus dengan kondisi tanpa gangguan aliran dan tanpa getaran pada pipa. Di dalam aliran kembang penuh, nilai bilangan Reynolds untuk terjadinya aliran turbulen adalah Re » 2.300, meskipun untuk mencapai aliran turbulen sepenuhnya bilangan Reynolds harus mencapai nilai lebih besar dari 10.000. Transisi aliran ke turbulen terjadi pada perkembangan lapis batas pada daerah masukan. 2.
Kecepatan Rata-Rata (Mean Velocity)
Karena kecepatan selalu bervariasi sepanjang masukan pipa, maka digunakan
kecepatan rata – rata, um , untuk menyelesaikan permasalahan
mengenai aliran dalam pipa. Ketika kecepatan rata – rata, um , dikalikan dengan massa jenis fluida , r , dan luasan pipa A, maka akan didapat nilai laju aliran massa ( m& ) yang melalui pipa : m& = r u m A
(2.4)
Untuk aliran stedi, tidak termampatkan di dalam sebuah pipa dengan luas permukaan melintang yang seragam, m& dan um konstan tidak tergantung pada x. Dari persamaan (2.2) dan (2.4) , untuk aliran di dalam sebuah pipa bulat (A=πD2/4), bilangan Reynolds diturunkan menjadi :
·
4m Re = p Dm
3.
(2.5)
Profil Kecepatan di dalam Daerah Kembang Penuh
Sebuah tanda yang penting untuk kondisi hidrodinamik pada daerah kembang penuh adalah kedua komponen baik komponen kecepatan arah radial
u dan gradien komponen kecepatan arah aksial
u =0
dan
¶u di setiap tempat adalah nol. ¶x
æ ¶u ö ç ÷ =0 è ¶x ø
(2.6)
Komponen kecepatan arah aksial hanya tergantung pada r, u(x,r) = u(r). komponen kecepatan arah radial didapat dari penyelesaian persamaan momentum arah x. Dengan perhitungan lebih lanjut didapat rumus profil kecepatan : 2 u (r ) é æ r ö ù = ê1 - ç ÷ ú u (m ) ê çè r0 ÷ø ú ë û
(2.7)
um dapat dicari dari rumus laju aliran massa. 4.
Perubahan Tekanan dan Faktor Gesekan di dalam Aliran Kembang Penuh
Penurunan tekanan diperlukan untuk menopang sebuah aliran internal dan parameter ini menentukan kebutuhan daya pompa atau fan. Untuk menentukan penurunan tekanan, sangat sesuai bila menggunakan faktor gesekan Moody (Moody/Darcy friction factor) yang merupakan parameter tanpa dimensi yang didefinisikan sebagai :
æ dP ö - ç ÷D dx f = è 2ø r .v 2
(2.8)
Faktor gesekan (friction factor) pada aliran laminar kembang penuh fluida fasa tunggal dalam pipa–pipa normal berbentuk bulat dapat dihitung dengan persamaan berikut: f =
64 ; Re
Re < 2.300
(2.9)
Persamaan (2.9) ini menunjukkan bahwa dalam aliran laminar, faktor gesekan hanya merupakan fungsi dari bilangan Reynolds dan tak tergantung pada kekasaran permukaan pipa. Untuk aliran turbulen kembang penuh, selain tergantung pada bilangan Reynolds, faktor gesekan merupakan fungsi dari kondisi permukaan pipa. Pada permukaan halus nilai faktor gesekan minimum dan meningkat dengan meningkatnya kekasaran permukaan, e. Hubungan yang mendekati kondisi permukaan halus untuk aliran turbulen kembang penuh: f = 0,3164 Re -0, 25 ; 4 ´ 10 3 < Re < 3 ´ 10 4
(2.10)
f = 0,184 Re -0, 2
(2.11)
; 3 ´ 10 4 < Re < 10 6
Diagram Moody dikembangkan untuk pipa – pipa bulat, tapi dapat digunakan untuk pipa tidak bulat dengan menggunakan diameter hidrolik. Diagram Moody merupakan representasi grafis dari persamaan Colebrook. Bagian turbulen pada diagram Moody dinyatakan oleh persamaan Colebrook (akurasi sampai ± 15%) : æe /D 2,51 = -2 logç + ç 3,7 f Re f è
1
ö ÷ ÷ ø
(2.12)
dimana : f
= faktor gesekan
ε
= kekasaran absolut (m)
D
= diameter dalam pipa (m)
Re
= bilangan Reynolds
ε/D
= kekasaran relatif
Kesulitan dalam penggunaannya adalah bahwa persamaan (2.12) ini berbentuk implisit dalam ketergantungannya terhadap f. Artinya, untuk suatu kondisi yang diberikan (Re dan ε/D), tidaklah mungkin mencari penyelesaian untuk f tanpa melakukan suatu metode iteratif. Dengan penggunaan Excel atau aplikasi komputer matematis, perhitungan seperti itu tidaklah sulit. Miller (1996), menyarankan sebuah iterasi tunggal yang akan menghasilkan f dalam 1% jika nilai perkiraan dihitung dengan persamaan :
é æ s / D 5,74 öù f o = 0,25 êlogç + 0,9 ÷ú ë è 3,7 Re øû
Bila
-2
(2.13)
dP = konstan, dan diintegrasikan dari x = 0 dimana adalah tekanan dx
P1 , ke x = L dimana adalah tekanan P2 , maka didapat : dP P2 - P1 DP = =dx l l
(2.14)
Dalam mekanika fluida, pressure drop ( DP ) adalah kuantitas positif, dan didefinisikan sebagai DP = P1 - P2 , frictional pressure drop dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.15) : DP = f f =2
l rv 2 = r × g × Dh d 2
d DP l rv 2
dimana : f
= faktor gesekan
DP
= penurunan tekanan dalam pipa (Pa)
r
= densitas aliran fluida dalam pipa (kg/m3)
d
= diameter pipa (m)
l
= panjang pipa (m)
v
= kecepatan aliran fluida dalam pipa (m/s)
(2.15) (2.16)
Gambar 2.12
Skema pengukuran beda tekanan pada seksi uji aliran vertikal ke bawah dengan menggunakan manometer pipa U
Perhitungan penurunan tekanan air di dalam pipa vertikal dengan menggunakan persamaan energi adalah sebagai berikut : P1 v12 P v2 + + z1 = 2 + 2 + z 2 + h f g w 2g g w 2g P2 - P1 v12 - v22 = + z1 - z 2 - h f gw 2g P2 - P1 = g w (
(2.17)
(2.18)
v -v + z1 - z2 - h f ) 2g 2 1
2 2
(2.19) Pipa berdiameter konstan ( Dh1 = Dh 2 ) sehingga V1 = V2 = V , kerugian tinggi tekan akibat gesekan (hf) : P2 - P1
= g w ( z1 - z2 - h f )
g m .Dh
= g w (D z - h f
hf
=
hf
=
)
(g w .Dz ) - (g m .Dh ) gw
(ρ w g Δz ) - (r m .g.Dh ) ρw g
(2.20) (2.21) (2.22)
(2.23)
=
hf
(ρ w g Δz ) - (DP ) ρw g
(2.24)
Penurunan tekanan air akibat gesekan (frictional pressure drop), Pf, pada pipa vertikal adalah : DPf = r w × g × h f
(2.25)
Faktor gesekan aliran dihitung dengan persamaan (2.24) : f =
2 × Dh × g × h f l × v2
(2.26)
dimana : hf
= kerugian head gesekan (m)
∆Pf
= frictional pressure drop (Pa)
rm
= massa jenis air dalam manometer (kg/m3)
rw
= massa jenis air dalam annulus sempit (kg/m3)
g
= percepatan gravitasi (m/s2)
∆z
= perubahan elevasi (m)
∆h
= beda ketinggian fluida dalam manometer (m)
gw
= berat jenis air dalam saluran rektangular bercelah sempit (kg/(m².s²))
gm
= berat jenis fluida dalam manometer (kg/(m².s²)) Blasius (1913) membuat korelasi nilai faktor gesekan untuk daerah
turbulen dengan rentangan nilai bilangan Reynolds 4×103 ≤ Re ≤ 3×104 , sebagai berikut : f = 0,3164∙Re-0,25 2.2.3
(2.27)
Aliran Melalui Pipa Annulus Peralatan penukar kalor yang sederhana terdiri dari dua buah pipa konsentrik, dan
sering disebut dengan penukar kalor pipa ganda (double – pipe heat exchanger). Pada penukar kalor tersebut, salah satu fluida mengalir melalui pipa, dan fluida yang lain mengalir melalui ruang anulus (ruang antara pipa satu dengan pipa yang lain). Aliran laminar yang stedi melalui pipa anulus dapat dipelajari secara analitis dengan menggunakan kondisi batas yang cocok.
Gambar 2.13
Penukar kalor pipa ganda yang terdiri dari 2 pipa konsentrik (Y. A. Cengel, 2003).
Anggap sebuah pipa konsentrik annulus dengan diameter luar inner tube Di, dan diameter dalam outer tube Do, diameter hidrolik annulus adalah:
4 Ac 4p ( D0 - Di ) / 4 Dh = = = Do - Di p p ( D0 + Di ) 2
2
(2.28)
dimana : Dh
= diameter hidrolik (m)
Do
= diameter dalam pipa luar/outer tube (m)
Di
= diameter luar pipa dalam/inner tube (m)
Ac
= luas penampang melintang aliran (m2)
p
= keliling basah / wetted perimeter (m) Jika penampang dari concentric tube berbentuk segiempat, maka diameter
hidroliknya adalah :
Gambar 2.14
Skema penampang melintang saluran sempit berbentuk segiempat
(
)
4 Ac 4 b 2 - a 2 Dh = = (4a + 4b ) p
Dh =
(b
)
- a2 (b - a ) ´ (b + a ) = (a + b ) (b + a ) 2
Dh = (b - a )
(2.29)
(2.30)
(2.31)
dimana :
Dh
= diameter hidrolik (m)
b
= panjang sisi dalam outer tube (m)
a
= panjang sisi luar inner tube (m)
Dalam perhitungan faktor gesekan untuk aliran dalam anulus dengan persamaan (2.16) diameter saluran diganti dengan diameter hidrolik anulus. Pressure losses dapat dikarakterisasikan dengan bilangan Poiseuille. Untuk macrochannels, dalam daerah laminar bilangan ini merupakan konstanta yang hanya tergantung pada bentuk penampang melintang saluran. Ketika aliran menjadi turbulen, bilangan Poiseuille akan meningkat sebanding dengan bilangan Reynolds. Dalam penyelidikan yang dilakukan Mokrani, dkk (2009), bilangan Poiseuille pada daerah turbulen dapat diperkirakan seperti dalam daerah laminar dimulai dari pengukuran secara simultan laju aliran dan penurunan tekanan (pressure drop) antara bagian pemasukan dan keluaran pada microchannel. Pressure drop diukur secara langsung dalam saluran dimana aliran telah kembang penuh secara hidrodinamis (hydrodynamically fully developed). Nilai bilangan Poiseuille diperoleh dari: Po = f . Re
(2.32)
dimana : Po
= bilangan Poiseuille
f
= faktor gesekan
Re
= bilangan Reynolds
2.2.4 Karakteristik Aliran dalam Internal Flow
Ada 2 hal dasar yang biasanya menjadi pertimbangan dalam analisis konfigurasi internal flow, yaitu gesekan antara fluida dengan dinding saluran dan laju perpindahan panas (heat transfer rate) atau tahanan termal (thermal resistance) antara fluida dan dinding – dinding pembatas. Gesekan fluida berhubungan dengan penurunan tekanan yang dialami oleh aliran sepanjang arah aliran. Untuk menghitung laju perpindahan panas dan distribusi temperatur melewati aliran, pertama harus mengetahui aliran tersebut, atau distribusi
kecepatan. Prediksi yang akurat mengenai penurunan tekanan dan karakteristik perpindahan kalor adalah hal yang dasar untuk merancang suatu penukar kalor. Kelakuan aliran fluida dan perpindahan kalor di internal flow berkaitan erat dengan jenis dan daerah aliran fluida tersebut. Kelakuan aliran fluida di daerah aliran laminar, transisi, dan daerah turbulen mempunyai karakteristik tersendiri. Aplikasi internal flow dalam suatu alat penukar kalor tersebut merupakan hal yang dasar. Data menunjukkan bahwa parameter geometris saluran pada penukar kalor seperti; diameter hidrolik (Dh), perbandingan tinggi dan lebar saluran, dan perbandingan diameter hidrolik dan jarak antar pusat saluran (untuk multi-channel), semuanya mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap daerah aliran dan perpindahan kalornya. Pembagian daerah aliran dalam internal flow (laminar, transisi, dan turbulen) dihubungkan dengan nilai bilangan Reynolds (Re) yang terjadi. Perlu sekali mengetahui nilai bilangan Reynolds yang tepat untuk daerah aliran laminar, transisi, dan turbulen untuk geometri saluran tertentu. Beberapa peneliti membuat korelasi karakteristik gesekan aliran laminar dan turbulen fasa tunggal dalam saluran konvensional, saluran sempit (narrow channel), dan microchannel dalam nilai faktor gesekan (f) fungsi bilangan Reynolds (Re). Sehingga dalam banyak penelitian untuk mengetahui karakteristik aliran dari suatu saluran, biasanya dibuat grafik hubungan antara faktor gesekan (f) dengan bilangan Reynolds (Re). 2.2.5
Ketidakpastian Pengukuran (Measurement Uncertainty)
Kesalahan (error) merupakan unsur yang tak dapat dihindari dalam proses pengukuran. Kesalahan dalam pengukuran biasanya didefinisikan sebagai perbedaan antara nilai sebenarnya dengan nilai terukur. Efek error adalah menciptakan ketidakpastian (uncertainty) dalam nilai sebuah hasil pengukuran. Ketika digunakan dalam konteks pengukuran, ketidakpastian mempunyai sebuah angka dan satuan yang berhubungan dengannya. Lebih spesifik lagi, ketidakpastian pengukuran mempunyai satuan yang sama dengan hasil pengukuran. Perhitungan ketidakpastian yang teliti tak hanya memberikan perkiraan yang tepat mengenai data penelitian yang didapat, tapi juga dapat digunakan untuk menentukan pengukuran–pengukuran yang memerlukan kepresisian lebih tinggi agar didapat hasil yang akurat. Analisis ketidakpastian
merupakan alat yang sangat berguna untuk menetapkan tingkat reliabilitas sebuah pengukuran dan untuk validasi model–model teoritis dan simulasi. Selain itu, analisis ketidakpastian dapat memberikan kontribusi nyata dalam merencanakan penelitian–penelitian. Analisis ketidakpastian digunakan untuk mengukur seberapa baik data eksperimental mengambarkan nilai-nilai faktor gesekan aktual. Metode yang diuraikan oleh R.J Moffat (1988) untuk ketidakpastian pengukuran sampel tunggal digunakan untuk melakukan analisis. Persamaan dasar dalam analisis ketidakpastian : uy
æ ¶y ö = ± åi =1 ç u xi ÷ è ¶x ø
2
n
(2.33)
dimana y
= variabel yang diukur/diinginkan
uy
= ketidakpastian variabel yang diinginkan
xi
= salah satu dari variabel-variabel terukur untuk mendapatkan nilai y
u xi
= ketidakpastian xi
¶y ¶x i
= koefisien kepekaan (sensitivity coefficient) y terhadap xi
Variabel yang diukur sering tak dapat ditentukan secara langsung. Sebagai gantinya, diukur kuantitas–kuantitas input yang menentukan nilai dari variabel yang diukur. Jika terdapat n input kuantitas, x1 , x 2 ,...., x n , digambarkan hubungan mereka terhadap variabel yang diukur, y, dengan hubungan fungsional. y
= f (x1 , x 2 ,..., x n )
(2.34)
Ketika y tergantung pada angka sembarang dari kuantitas – kuantitas input, seperti dalam persamaan 2.37, ketidakpastian u (x i ) i = 1, 2, …, n berpropagasi ke dalam y menurut :
æ æ ¶y ö 2 æ ¶y ÷÷ u 2 ( x1 ) + çç u ( y ) = ±ç çç ç è ¶x1 ø è ¶x 2 è 2
2
æ ¶y ö 2 ÷÷ u ( x 2 ) + ... + çç ø è ¶x n
2 ö ö 2 ÷÷ u ( x n )÷ ÷ ø ø
(2.35)
xi ( i = 1, 2, …, n) tak terhubung satu sama lain. Jika ¶y ¶x i = 1 untuk semua i =
1, 2, …, n sehingga didapat : u 2 ( y ) = ± (u 2 ( x1 ) + u 2 ( x 2 ) + ... + u 2 ( x n ))
atau u( y)
(
= ± u 2 ( x1 ) + u 2 ( x 2 ) + ...+ u 2 ( x n )
(2.36)
)
(2.37)
Persamaan 2.40 menunjukkan bahwa u ( y ) adalah akar penjumlahan kuadrat (root-sum-square) dari u (x ) .
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 1.
Lokasi dan Waktu Penelitian. Penelitian dilakukan di Laboratorium Termodinamika dan Perpindahan Panas
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta dimulai pada bulan Agustus 2009 hingga bulan Maret 2010. 2.
Bahan Penelitian Pada penelitian ini bahan yang digunakan adalah :
1.
2.
3.
Air Dingin
Gambar 3.1
Air dingin dalam bak penampung
Gambar 3.2
Air panas dalam bak penampung
Air Panas
Alat Penelitian
Alat yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada skema instalasi alat penelitian dan seksi uji pada gambar 3.3 dan 3.4, sedangkan foto instalasi alat penelitian dapat dilihat pada gambar 3.5 dan 3.6.
Gambar 3.3 Skema instalasi alat penelitian
Gambar 3.4
Skema seksi uji alat penkar kalor saluran rektangular bercelah sempit dengan titik-titik penempatan termokopel
Gambar 3.5 Foto instalasi alat penelitian tampak depan
Gambar 3.6 Foto instalasi alat penelitian tampak belakang
Spesifikasi alat penelitian a. Penukar kalor saluran rektangular bercelah sempit. 1) Kontruksi : penukar kalor pipa konsentrik (concentric tube heat exchanger) atau double tube heat exchanger satu laluan dengan bentuk penampang kedua pipa adalah segiempat (rectangular). 2) Bahan tube : · inner tube : aluminium · outer tube : aluminium 3) Dimensi : · inner tube : panjang sisi luar 18,4 mm, panjang sisi dalam 17,4 mm · outer tube : panjang sisi luar 24,68 mm, panjang sisi dalam 23,68 mm · panjang inner dan outer tube : 1620 mm · lebar celah : 2,64 mm · diameter hidrolik : 5,28 mm 4) Pola aliran : counterflow (aliran berlawanan arah) · inner tube : aliran air panas ke atas (upward) · outer tube/ saluran rektangular bercelah sempit : aliran air dingin ke bawah (downward). 5) Instrumentasi dan alat tambahan : · Termokopel tipe T. Pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air masuk dan keluar penukar kalor baik itu untuk air dingin maupun air panas dapat dilihat pada gambar 3.7 berikut ini: Posisi Termokopel Pipa Lem
Ujung Termokopel
Gambar 3.7
Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air.
Gambar 3.8 Termokopel tipe T
(a)
(b)
Gambar 3.9 (a) Lem Araldite ; (b) Konektor termokopel
· Flange Flange terbuat dari bahan nilon yang dipasang pada bagian ujung-ujung dari alat penukar kalor yang berfungsi untuk menyangga pipa bagian dalam dan pipa bagian luar agar konsentrik (sehingga lebar celah saluran seragam.) Selain itu juga berfungsi sebagai tempat saluran masuk dan saluran keluar dari air dingin.
Gambar 3.10 Flange
· Isolator Dinding luar dari outer tube ini diisolasi untuk mencegah kehilangan panas (heat loss) ke lingkungan. Bahan isolasi adalah termoplex isolator.
b. Display Termokopel /Thermocouple reader Alat ini digunakan untuk menunjukkan/membaca temperatur yang diukur oleh sensor termokopel.
Gambar 3.11 Display Termokopel
c. Pompa Sentrifugal Pompa sentrifugal digunakan untuk mengalirkan air dari bak air masuk ke dalam alat penukar kalor melalui pipa – pipa. Tabel 3.1. Spesifikasi teknik pompa DAB
Model Aqua 125 A – pompa sumur dangkal ( non otomatis ) Daya hisap
9 meter
Daya dorong
15 meter
Pompa Total Head
24 meter
Voltage Motor
Output Amper 220 V
Kapasitas Max
37 ltr/min
110 V
220 V
125 Watt 1,4 Ampere
WINDING CLASS B MOTOR PROTECTOR INCORPORATED
Gambar 3.12 Pompa Sentrifugal
d. Bak penampung atas Bak penampung atas digunakan agar aliran air yang masuk ke dalam narrow annulus dalam kondisi steadi. Bak ini dilengkapi dengan saluran overflow untuk menjaga ketinggian air agar tetap sama tiap variasi debit aliran, sehingga aliran air yang masuk ke bagian celah sempit di penukar kalor stedi.
Gambar 3.13 Bak penampung atas
e. Pipa – pipa saluran air Pipa – pipa saluran air ini berasal dari bahan PVC berdiameter ¾ inchi dan digunakan untuk mempermudah aliran air masuk ke dalam alat penukar kalor. f. Stop kran Stop kran ini dari bahan kuningan yang digunakan untuk mengatur debit dari aliran air, dan diletakkan pada sisi keluaran seksi uji.
Gambar 3.14 Stop kran
g. Ball valve Ball valve ini digunakan untuk mengatur arah dari aliran air baik itu untuk arah aliran vertikal maupun horisontal dari penukar kalor.
(a)
(b)
Gambar 3.15 (a) Stop kran dan (b) Ball valve
h. Thermocontroller dan Relay Thermocontroller dan Relay digunakan untuk mengontrol temperatur dari air panas yang akan masuk ke seksi uji agar konstan.
Gambar 3.16 (a) Thermocontroller, (b) Relay/contactor
i. Pemanas (Heater) Pemanas ini berfungsi untuk memanaskan air dalam bak penampung. Pemanas yang digunakan berjumlah 14 buah dengan total daya yang dipakai adalah 9700 Watt.
Gambar 3.17 Electric heater
j. Manometer
Manometer berfungsi untuk mengukur perbedaan tekanan di dua titik yang berlawanan yaitu tekanan masuk dan keluar celah sempit. Manometer yang digunakan manometer kolom cairan bentuk pipa U yang diisi dengan fluida berupa air.
Gambar 3.18 Manometer U k. Penjebak Air
Berfungsi untuk menetralkan manomemeter, agar air dari saluran celah sempit tak masuk ke manometer.
Gambar 3.19 Penjebak air l. Timbangan Digital
Digunakan untuk menimbang massa air keluar dari seksi uji dalam selang waktu tertentu untuk mengetahui laju aliran massa air.
Gambar 3.20 Timbangan digital m. Stopwatch
Digunakan untuk mencatat waktu pengukuran massa tertentu dengan menggunakan gelas ukur untuk mengetahui laju aliran massa air.
Gambar 3.21 Stopwatch 4.
Prosedur Penelitian
Prosedur yang dilakukan dalam pengambilan data adalah sebagai berikut : 3.4.1
Tahap Persiapan
1) Mempersiapkan dan memasang seluruh alat yang digunakan dalam pengujian, seperti : pompa sentrifugal, seksi uji, termostat, heater, manometer, tandon air dingin dan alat pendukung lainnya. 2) Memastikan bahwa tidak ada kebocoran pada alat percobaan baik itu pada pipa – pipa saluran, sambungan, selang, seksi uji, atau pada bagian yang lain. 3) Memastikan bahwa semua termokopel telah dipasang sebelumnya dan semua termokopel telah dihubungkan dengan thermocouple reader. 4) Memastikan bahwa ketinggian cairan dalam manometer adalah sama. 5) 3.4.2
Tahap Pengujian
· Tanpa Pertukaran Kalor (Without Heat Exchange)
1) Menyalakan pompa air panas dan pompa air dingin 2) Mengatur debit aliran air dalam inner tube sehingga alirannya konstan.
3) Mengatur debit aliran air yang akan masuk ke saluran rektangular bercelah sempit dengan cara mengatur bukaan katup pengatur debit aliran air dingin. 4) Memastikan bahwa air yang masuk dan keluar saluran rektangular bercelah sempit dalam kondisi kembang penuh yang ditandai dengan tidak adanya gelembung udara dalam selang air yang masuk dan keluar saluran sempit. 5) Mengukur laju aliran massa yang keluar dari saluran rektangular bercelah sempit dengan menggunakan timbangan digital dan stopwatch serta mencatat data temperatur pada titik - titik pengukuran setiap 10 menit hingga 1 jam. 6) Mengukur beda ketinggian permukaan cairan pada manometer setiap 10 menit hingga 1 jam seiring pengukuran debit air yang keluar dari saluran sempit. 7) Mengulangi langkah 2 sampai 6 untuk variasi debit aliran berikutnya hingga diperoleh sejumlah ± 35 variasi debit aliran. 8) Setelah percobaan selesai, mematikan pompa dan seluruh unit kelistrikan. 9) Menganalisa data hasil percobaan. · Dengan Pertukaran Kalor (With Heat Exchange)
1) Menyalakan heater dan menyetel thermocontroller pada temperatur 60oC. 2) Menyalakan pompa air panas dan pompa air dingin. 3) Mengatur debit aliran air dalam inner tube sehingga alirannya konstan. 4) Mengatur debit aliran air dingin yang akan masuk ke saluran rektangular bercelah sempit dengan cara mengatur bukaan katup pengatur aliran air dari tandon air dingin (diatur sama dengan percobaan tanpa pertukaran kalor). 5) Memastikan bahwa air yang masuk dan keluar saluran sempit dalam kondisi kembang penuh yang ditandai dengan tidak adanya gelembung udara dalam selang air yang masuk dan keluar saluran sempit.
6) Mencatat seluruh data temperatur setiap 10 menit hingga temperatur pada setiap titik-titik pengukuran temperatur dinding luar inner tube tersebut mencapai kondisi tunak (steady state). 7) Menghitung debit air yang keluar dari saluran sempit dengan bantuan timbangan,kalkulator, dan stopwatch setiap 10 menit hingga mencapai kondisi tunak. 8) Mengukur beda ketinggian permukaan cairan pada manometer setiap 10 menit hingga mencapai kondisi tunak. 9) Menetralkan alat uji untuk pengambilan data variasi debit aliran air dingin berikutnya. 10) Mengulangi langkah 2 sampai dengan 9 untuk variasi debit aliran berikutnya hingga diperoleh sejumlah ± 35 variasi debit aliran 11) Setelah percobaan selesai, mematikan pompa dan seluruh unit kelistrikan. 12) Menganalisa data hasil percobaan. 5.
Analisis Data Dari data yang telah diperoleh, selanjutnya dapat dilakukan analisis data
yaitu dengan melakukan perhitungan terhadap : · Bilangan Reynolds (Re) · Faktor gesekan (f) · Bilangan Poiseuille ( Po ) Berdasarkan data hasil pengujian, yaitu berupa temperatur air masuk dan keluar saluran rektangular bercelah sempit, laju aliran massa air di saluran rektangular bercelah sempit, dan beda ketinggian fluida di manometer (∆h) , dapat dihitung perbedaan temperatur sisi masuk dan keluar saluran rektangular bercelah sempit (∆T), bilangan Reynolds (Re), bilangan Poiseuille (Po), dan faktor gesekan (f). Dari perhitungan tersebut dapat dibuat grafik-grafik hubungan f-Re, Po-Re dan hubungan matematis yang selanjutnya dapat digunakan untuk analisa karakteristrik aliran fasa tunggal aliran air vertikal ke bawah (downward) dalam penukar kalor saluran rektangular bercelah sempit dengan atau tanpa pertukaran kalor.
6.
Diagram alir penelitian Mulai
Persiapan : Penukar kalor saluran rektangular bercelah sempit
· ·
Variasi : Tanpa pertukaran kalor, dengan variasi bilangan Reynolds di dalam celah sempit Dengan pertukaran kalor, temperatur air di dalam inner tube dijaga pada 60oC, dan dengan variasi bilangan Reynolds di sisi celah sempit
Pengambilan data: Beda ketinggian cairan dalam manometer pada sisi celah sempit dan temperatur air masuk dan keluar celah sempit.
Analisa data: · Perbedaan temperatur air masuk dan keluar celah sempit ( DT ) · Bilangan Reynolds (Re) · Bilangan Poiseuille (Po) · Faktor gesekan (f)
Hasil analisa data : Karakteristik aliran air fasa tunggal aliran air vertikal ke bawah (downward) dengan atau tanpa pertukaran kalor di pada penukar kalor saluran rektangular bercelah sempit
Kesimpulan
Selesai
