PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI SIRIP - SIRIP PIN DIAMOND SUSUNAN SEGARIS DALAM SALURAN SEGIEMPAT

PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI SIRIP - SIRIP PIN DIAMOND SUSUNAN SEGARIS DALAM SALURAN SEGIEMPAT SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

Oleh: EFENDI DWI HARIYANTO I1407505

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2010

PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI SIRIP - SIRIP PIN DIAMOND SUSUNAN SEGARIS DALAM SALURAN SEGIEMPAT Disusun oleh :

Efendi Dwi Hariyanto NIM. I1407505

Dosen Pembimbing I

Tri Istanto, ST., MT NIP. 19730820200121001

Dosen Pembimbing II

Wibawa Endra J., ST., MT NIP. 197009112000031001

Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari ....... tanggal ...... 2009

1. Eko PB, ST., MT. NIP. 19710615 199802 1 002

…………………………

2. Rendy Adhi Rachmanto, ST., MT. NIP. 19710119 200012 1 006

………………………...

3. Zaenal Arifin, ST., MT. NIP. 19730308 200003 1 001

…………………………

Mengetahui:

Ketua Jurusan Teknik Mesin

Dody Ariawan, ST., MT. NIP. 19730804 199903 1 003

Koordinator Tugas Akhir

Syamsul Hadi, ST., MT. NIP. 19710615 199802 1 002

MOTTO

Allah akan memberikan jalan keluar bagi orang yang bertaqwa kepada-Nya dan akan memberikan rezeki kepadanya dari arah yang ia tidak duga. ( Q.S Ath Thalaq ; 2-3 )

Manungsa kang taberi ulah kapinteran iku koyo inten sinoro wedi, during ambabar wus katon ajine. ( M. Atmo diwiryo ) Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan, maka apabila kamu telah selesai (dari suatu urusan) kerjakanlah dengan sungguh-sungguh (urusan) yang lain. Dan hanya kepada Tuhanmulah hendaknya kamu berharap. ( Q.S Ala Nasyrah ; 6-8 )

Manfaatkanlah masa mudamu dan gunakanlah dengan sebaikbaiknya sehingga kamu tidak merugi masa tuamu.

Menghormati dan menghargai orang lain berarti pula menghormati dan menghargai dirimu sendiri. Raihlah ilmu, dan untuk meraih ilmu belajarlah untuk tenang dan sabar. ( Khalifah ‘Umar )

Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan dari Sirip-Sirip Pin Diamond Dalam Saluran Segi Empat

Efendi Dwi Hariyanto Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia E-mail : [email protected]

Abstrak

Penelitian ini dilakukan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin diamond dalam saluran udara segiempat, dimana udara mengalir di dalamnya sebagai fluida pendingin. Sirip-sirip pin ini disusun secara segaris. Dimensi plat dasar dimana sirip-sirip pin dipasang adalah 150 mm x 200 mm x 6,5 mm. Temperatur ratarata permukaan plat dasar dijaga konstan sebesar 60oC. Sirip-sirip pin terbuat dari bahan duralumin dengan tinggi 75 mm, dengan sisi-sisinya berturut-turut 12,7 mm dan 12,7 mm, dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah melintang aliran udara dibuat konstan sebesar Sx/D = 2,95. Parameter-parameter dalam penelitian ini adalah bilangan Reynolds 3.123 – 37.847 berdasarkan kecepatan udara masuk rata-rata dan diameter hidrolik, dan jarak antar titik pusat sirip arah aliran udara (Sy/D = 1,97 – 3,94).

Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa peningkatan bilangan Reynolds dan semakin kecil jarak Sy/D akan meningkatkan bilangan Nusselt, yang berarti meningkatkan laju perpindahan panas, dimana mencapai maksimum pada Sy/D = 2,36. Nilai penurunan tekanan (DP) dan faktor gesekan (f) menurun dengan meningkatnya Sy/D. Unjuk kerja termal meningkat dengan kenaikan Sy/D. Semua nilai unjuk kerja termal (h) dan nilainya bervariasi antara 0,77 dan 1,22. Ini berarti bahwa pemakaian sirip pin diamond susunan segaris untuk keseluruhan nilai Sy/D dan Re akan menghasilkan perolehan energi netto. Meningkatnya bilangan Reynolds akan

menurunkan unjuk kerja termal (h) untuk keseluruhan Sy/D. Perolehan energi netto hingga 22% dapat dicapai untuk nilai Sy/D = 2,36 pada Re = 3.123.

Kata kunci : sirip pin diamond, bilangan Reynolds, faktor gesekan, unjuk kerja termal.

Investigation on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Inline Diamond Pin Fin Array in Rectangular Channel

Efendi Dwi Hariyanto Mechanical Engineering Departement Engineering Faculty, Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia E-mail : [email protected]

Abstract

This research was conducted to investigate the characteristics of heat transfer and pressure drop as well as the thermal performance of diamond pin fin array in the rectangular channel which air was passed through it as coolant fluid. The pin fins were arranged in inline manner. Dimension of base plate in which pin fins were attached was 150 mm x 200 mm x 6.5 mm. The average temperature of base plate surface was kept

constant at 60oC. Pin fins were made of duralumin having the dimension of 75 mm of height, wide 12.7 and 12,7 mm respectively, and the distance inter-fin picth in the spanwise direction was kept constan at Sx/D = 2.95. The parameters of this research were Reynolds number 3,123 – 37,847 based on averaged inlet air velocity and hydraulic diameter, and the distance between the inter-fin pitch in the streamwise direction (Sy/D = 1.97 – 3.94). The research result shown that increasing Reynolds and decreasing the distance Sy/D increased Nusselt number, that means increased heat transfer rate where it reach maximum at Sy/D = 2,36. The values of pressure drop (DP) and friction factor (f) decreased with increasing Sy/D. Thermal performance increased with increasing Sy/D. All of values of the thermal performances (h) and varies between 0,77 – 1.22. This means that the usage of inline diamond pin fin array for all of values Sy/D and Re produce a net energy gain. Increasing Reynolds number would decrease the thermal performance (h) for all Sy/D. A net energy gain up to 22% was achieved for Sy/D = 2,36 and Re = 3,123.

Keywords : diamondPin fin, Reynolds number, friction factor, thermal performance.

PERSEMBAHAN

Penulisan ini saya persembahkan kepada : 1. Ayah dan Ibu yang menyayangiku, terima kasih atas cinta dan kasih. 2. Kakak dan Adik yang selalu memberikan dorongan dan motivasi. 3. My future wife. 4. Dan semua teman-teman seperjuangan, terima kasih.

2.1.

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 ini yang berjudul “Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas Dan Penurunan Tekanan Dari Sirip-sirip pin diamond susunan segarisdalam saluran segi empat ” dengan baik dan lancar. 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 penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih 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 Wibawa Endra J, ST. MT, selaku Pembimbing II yang telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis. 4. Bapak Heru Sukanto, ST. MT, selaku Pembimbing Akademis yang telah memberikan pengarahan selama menempuh studi di Universitas Sebelas Maret ini. 5. Bapak Syamsul Hadi, ST. MT, selaku koordinator Tugas Akhir 6. Bu Elisa, Pak Endras, Pak Agus dan Mas Har yang banyak membantu dalam hal administarsi. 7. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1.

8. Ayah, Ibu, kakakku ( Eko ) dan adikku ( Bagus ) dan segenap keluarga Bekasi atas do’a restu, motivasi, dan dukungan material maupun spiritual dalam menyelesaian Tugas Akhir ini. 9. Rekan Skripsi : Semua personil tim “Sirip Pin” tuk semua dukungan, sindiran, kritikan, serta bantuan yang sangat berarti dalam mengerjakan penelitian ini. 10. Semua teman-teman mahasiswa teknik mesin UNS khususnya angkatan 2004. 11. Semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu yang telah membantu pelaksanaan dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini.

Penulis menyadari bahwa dalam 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, juni 2010

Penulis

DAFTAR ISI

Halaman Halaman Judul .........................................................................................................

i

Halaman Surat Penugasan........................................................................................

ii

Halaman Pengesahan ...............................................................................................

iii

Halaman Motto .......................................................................................................

iv

Halaman Abstrak ....................................................................................................

v

Halaman Persembahan ...........................................................................................

vii

Kata Pengantar ........................................................................................................

viii

Daftar Isi .................................................................................................................

x

Daftar Tabel ............................................................................................................

xii

Daftar Gambar ........................................................................................................

xiii

Daftar Notasi ............................................................................................................

xv

Daftar Lampiran .......................................................................................................

BAB I

PENDAHULUAN 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5.

BAB II

xvi

Latar Belakang Masalah ..................................................................... Perumusan Masalah ......................................................................... Batasan Masalah ............................................................................... Tujuan dan Manfaat Penelitian ........................................................ Sistematika Penulisan .......................................................................

1 2 2 4 4

DASAR TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka ............................................................................... 2.2. Dasar Teori ........................................................................................ 2.2.1. Sirip ............................................................................................ 2.2.2. Sirip Pin ...................................................................................... 2.2.3. Macam-Macam Bentuk Sirip Pin................................................ 2.2.3.1. Silinder...............................................................................

6 7 7 12 13 13

2.2.3.2. Kubus................................................................................. 2.2.3.3. Oblong ............................................................................... 2.2.3.4. Ellips .................................................................................. 2.2.4. Aplikasi Sirip Pin ......................................................................... 2.2.5. Perpindahan Panas .................................................................... 2.2.6. Parameter Tanpa Dimensi ......................................................... 2.2.7. Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada Pin Fin Array .....................................................................

14 14 15 16 17 18

2.2.7.1. Perhitungan Perpindahan Panas (Heat Transfer)..............

19

2.2.7.2. Perhitungan Faktor Gesekan (Friction Factor)...................

25

2.2.7.3. Perhitungan Unjuk Kerja Termal Pin Fin Array ..................

26

19

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Tempat Penelitian ............................................................................ 3.2. Alat Penelitian.................................................................................... 3.3. Spesimen .......................................................................................... 3.4. Pelaksanaan Penelitian ..................................................................... 3.4.1. Tahap Persiapan ....................................................................... 3.4.2. Tahap Pengujian ....................................................................... 3.5. Metode Analisis Data ........................................................................ 3.6. Diagram Alir Penelitian .....................................................................

28 28 33 35 35 36 36 38

BAB IV DATA DAN ANALISIS 4.1 Data Hasil Pengujian ..........................................................................

39

4.2 Perhitungan Data............................................................................... 4.3 Analisis Data ...................................................................................... 4.3.1 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas .........................................................................................

48 55

55

4.3.2 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Karakteristik Penurunan Tekanan ....................................................................................

58

4.3.3 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Unjuk Kerja Termal ...........

59

BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan ........................................................................................ 5.2. Saran ................................................................................................. Daftar Pustaka ........................................................................................................

62 62 64

Lampiran .................................................................................................................

66

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 3.1.

Spesifikasi spesimen penelitian .........................................................

30

Tabel 4.1.

Data hasil pengujian spesimen 1 (Sx/D = 2,95 ; Sy/D = 1,97) .............

41

Tabel 4.2.


42

Tabel 4.3.


43

Tabel 4.4.


44

Tabel 4.5.

Data hasil pengujian spesimen 5 (Tanpa sirip)

Tabel 4.5.1. Data hasil pengujian spesimen 5 (Tanpa sirip)........................... Tabel 4.5.2. Data hasil pengujian spesimen 5 (Tanpa sirip)........................... Tabel 4.5.3. Data hasil pengujian spesimen 5 (Tanpa sirip)........................... Tabel 4.5.4. Data hasil pengujian spesimen 5 (Tanpa sirip)........................... Tabel 4.6.

Perhitungan spesimen 1 .....................................................................

59

Perhitungan spesimen 1 (Lanjutan) ...................................................

59


60


60


61


61


62


62

Tabel 4.10. Perhitungan spesimen 5 .....................................................................

63


63

Tabel 4.7.

Tabel 4.8.

Tabel 4.9.

DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 2.1. Beberapa contoh jenis extended surface .........................................

8

Gambar 2.2. Beberapa contoh jenis permukaan penukar kalor kompak .............

9

Gambar 2.3. Perbedaan-perbedaan gradien temperatur dalam sirip .................

10

Gambar 2.4. Sebuah susunan sirip pin diamond segaris ......................................

12

Gambar 2.5. Susunan sirip pin ..............................................................................

13

Gambar 2.6. Perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip pin silinder berfillet 13 Gambar 2.7. Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin kubus dan sirip pin diamond .............................................................

14

Gambar 2.8. Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin oblong...............................................................................................

14

Gambar 2.9. Ukuran relatif dari circular fin, SEF dan N fin ...................................

15

Gambar 2.10. Potongan melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam (internal cooling) ........................................................................................... 16 Gambar 2.11. Pin fin array dalam suatu saluran udara segiempat dengan clearance nol 17 Gambar 3.1. Alat penelitian .................................................................................. (a) (b) (c) Gambar 3.2.

Pin yang menancap pada base plate................................................ Base plate ........................................................................................ Sketsa spesimen keseluruhan ......................................................... Saluran Udara Segiempat (Rectanguler Channel) ...........................

29 29 30 31

Gambar 3.3. Pelurus aliran udara (flow straightener).............................................

31

Gambar 3.4. Fan Hisap .........................................................................................

31

Gambar 3.5. Rheostat ...........................................................................................

31

Gambar 3.6. Anemometer ....................................................................................

31

Gambar 3.7. Pemanas Listrik (heater)...................................................................

32

Gambar 3.8. Slide regulator ..................................................................................

32

Gambar 3.9. Voltmeter .........................................................................................

33

Gambar 3.10. Amperemeter ...................................................................................

33

Gambar 3.11. Manometer U ...................................................................................

33

Gambar 3.12. Thermocoupel tipe T ........................................................................

34

Gambar 3.13. Posisi 3 buah termokopel untuk mengukur temperatur udara masuk seksi uji .......................................................................

34

Gambar 3.14. Posisi 5 buah termokopel untuk mengukur temperatur udara keluar seksi uji....................................................................................................... 34 Gambar 3.15 Pemasangan termokopel pada base plate .......................................

34

Gambar 3.16 Thermocouple Reader......................................................................

35

Gambar 3.17 Dimensi dan tata nama spesimen ...................................................

35

Gambar 3.18 Model spesimen ................................................................................

35

Gambar 3.19 Spesimen 1 .........................................................................................

35

Gambar 3.20 Spesimen 2 .........................................................................................

36

Gambar 3.21 Spesimen 3 .........................................................................................

36

Gambar 3.22.Spesimen 4 ......................................................................................... Gambar 4.1. Posisi titik pengukuran temperatur udara .......................................

40

Gambar 4.2. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap bilangan Nusselt pada Sx/D = 2,95..................................................................

53

Gambar 4.3. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata pada Sx/D = 2,95 ................

54

Gambar 4.4. Grafik pengaruh nilai Sx/D terhadap bilangan Nusselt pada Sx/D = 2,95........................................................................................

55

Gambar 4.5. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap penurunan tekanan pada Sx/D = 2,95................................................................

56

Gambar 4.6. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor gesekan pada Sx/D = 2,95................................................................

57

Gambar 4.7. Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap unjuk kerja termal pada Sx/D = 2,95 ..................................................................

58

DAFTAR NOTASI

Lt

= Panjang seksi uji ( m )

H

= Tinggi sirip ( m )

Wb

= Lebar specimen ( m )

L

= Panjang specimen ( m )

S

= Sisi-sisi sirip diamond ( m)

Afront

= Luas frontal dari sirip – sirip ( m2 )

As

= Luas total permukaan perpindahan panas ( m2 )

At

= Luas penampang melintang saluran udara ( m2 )

Dh

= Diameter hidrolik ( m )

Tin

= Temperatur rata – rata udara masuk saluran udara ( oK )

Tout

= Temperatur rata – rata udara keluar saluran udara ( oK )

Tb

= Temperatur udara rata – rata base plate ( oK )

Tf

= Temperatur film ( oK )

V

= Kecepatan rata- rata dalam saluran udara (m/s)

Vmaks

= Kecepatan uadara maksimum yang melalui sirip pin (m/s)

ρ

= massa jenis udara (kg/m3)

ν

= viskositas kinematik udara (m2/s)

µ

= viskositas dinamik udara (kg/m.s)

CP

= Panas jenis udara (kJ/kg.oC)

Qelect

= Laju aliran panas dari heater (W)

m&

= Laju aliran masa udara ( kg/s )

Qconv

= Laju perpindahan panas konveksi (W)

Qloss

= Heat losses yang terjadi pada seksi uji

ha

= Koefisien perpindahan panas konveksi rata – rata dengan sirip (W/m2.K)

hs

= Koefisien perpindahan panas konveksi rata – rata tanpa sirip (W/m2.K)

Nu

= Bilangan Nusselt saluran udara ( Duct Nusselt number )

NuD

= Bilangan Nusselt pada pin ( Pin Nusselt number )

Re

= Bilangan Reynold saluran udara ( Duct Reynold number )

ReD

= Bilangan Reynold pada pin ( Pin Reynold number )

DP

= Penurunan tekanan

f

= Faktor gesek

η

= Unjuk kerja termal

Vh

= Tegangan listrik heater ( V )

Ih

= Arus listrik heater ( A )

Vf

= Tegangan listrik fan ( V )

If

= Arus listrik fan ( A )

cosj

= Faktor daya listrik 2 phase

Pfan

= Daya listrik fan ( pumping power ) ( W )

g

= Kecepatan gravitasi ( kg m2/s )

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman Lampiran 1.

Data spesimen 1 kecepatan 0,5 m/s dan 1 m/s ..............................

67

Lampiran 2.

Data spesimen 1 kecepatan 2 m/s dan 3 m/s .................................

68

Lampiran 3.


69

Lampiran 4.


70

Lampiran 5.


71

Lampiran 6.


72

Lampiran 7.


73

Lampiran 8.


74

Lampiran 9.


75

Lampiran 10. Data spesimen 3 kecepatan 2 m/s dan 3 m/s ...................................

76


77

Lampiran 12. Data spesimen 3 kecepatan 5,5 m/s dan 6 m/s ................................

78


79


80


81


82


83


84


85

Lampiran 20. Data spesimen 5 kecepatan 5,5 m/s dan 6 m/s ..............................

86

Lampiran 21. Thermophysical Property untuk udara .............................................

87

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah Sirip banyak digunakan dalam alat penukar kalor untuk meningkatkan luasan perpindahan panas. Sirip-sirip biasa digunakan dalam pengkondisian udara dan juga peralatan elektronik, motor listrik dan motor bakar, dan lain-lain. Dalam semua peralatan tersebut, fluida digunakan sebagai media perpindahan panas. Berbagai tipe sirip alat penukar panas, mulai dari bentuk yang sederhana sampai kombinasi dari berbagai geometri yang berbeda, dan digunakan pada jarak yang telah diatur dalam susunan selang-seling (staggered) atau segaris (inline). Tipe sirip yang digunakan tergantung dari ruang yang tersedia dalam peralatan pembangkit panas yang terlibat dalam proses pendinginan. Salah satu tipe sirip alat penukar panas yang biasa digunakan adalah sirip pin. Sirip pin adalah elemen berbentuk silinder atau bentuk lainnya yang dipasang secara tegak lurus terhadap dinding alat penukar panas, dengan fluida pendingin mengalir dalam arah aliran melintang (crossflow) terhadap elemen tersebut. Siripsirip pin yang menonjol dari sebuah permukaan yang dipanaskan dapat meningkatkan luas permukaan disipasi panas dan menyebabkan percampuran aliran yang turbulen, sehingga meningkatkan unjuk kerja disipasi panas yang berdampak pada meningkatnya ketahanan (reliabilty) dan umur peralatan. Terdapat berbagai parameter yang menggolongkan sirip pin, seperti bentuk, tinggi, diameter, perbandingan tinggi-diameter (H/D) dan sebagainya. Sirip pin dengan perbandingan tinggi-diameter (H/D) antara 0,5 – 4 dikategorikan sebagai sirip pin pendek (short pin fin), sedangkan perbandingan tinggi diameter > 4 digolongkan kedalam sirip pin panjang (long pin fin). Perbandingan tinggidiameter yang besar merupakan bagian yang menarik dalam aplikasi alat penukar panas dalam hal pencapaian koefisien perpindahan panas yang sangat tinggi. Sirip pin banyak digunakan dalam berbagai aplikasi industri, khususnya dalam alat

penukar panas kompak (compact heat exchanger), trailing edge sudu turbin gas, beberapa sistem elektronik modern dan industri pesawat terbang. Laju perpindahan panas dari suatu rakitan sirip pin (pin fin assembly) ke lingkungan tergantung pada distribusi temperatur pada sirip pin dan plat dasar (base plate), geometri sirip pin, shroud clearance (jarak antara ujung sirip pin dengan permukaan atas saluran udara), sifat-sifat fluida dan sirip pin, laju aliran udara, jarak antar titik pusat sirip (inter-fin pitch), susunan sirip pin, dan orientasi dari penukar panas (terutama untuk laju aliran udara yang rendah). Untuk plat dasar dengan temperatur tertentu, laju perpindahan panas dapat ditingkatkan dengan menaikkan koefisien perpindahan panas rata-rata, menaikkan luas permukaan perpindahan panas atau kedua-duanya. Kenaikan perpindahan panas dapat dicapai dengan cara konveksi paksa (forced convection) atau mengubah konfigurasi geometri dari alat penukar panas. Dalam praktiknya, cara-cara ini dibatasi oleh penurunan tekanan maksimum yang diijinkan melalui susunan sirip pin tersebut karena kenaikan perpindahan panas akan disertai penurunan tekanan. Energi yang hilang karena penurunan tekanan dapat melebihi energi yang didapatkan dari usaha peningkatan perpindahan panas tersebut. Karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan dalam sistem sirip pin telah menjadi bahan penelitian secara luas karena perannya yang penting dalam berbagai aplikasi keteknikan. Penelitian ini bertujuan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin diamond susunan segaris (inline) dalam saluran segiempat (rectangular channel). 1.2. Perumusan Masalah Bagaimanakah pengaruh bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise) terhadap karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin diamond susunan segaris (in line) dalam saluran segiempat (rectangular channel).

1.3. Batasan Masalah

Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut: 1. Material sirip pin dan plat dasar (base plate) yang digunakan adalah duralumin. 2. Dimensi base plate yang digunakan adalah : panjang 200 mm, lebar 150 mm dan tebal 6,5 mm 3. Dimensi sirip pin yang digunakan adalah : tinggi 75 mm, dan sisi-sisi 12,7 mm x 12,7 mm, atau H/D = 5,9 4. Jarak antara ujung sirip pin dengan permukaan atas saluran udara (shroud clearence) adalah nol. 5. Penelitian menggunakan alat saluran udara segiempat yang terdiri dari: a. Saluran udara segiempat berdimensi penampang 150 mm x 75 mm b. Fan hisap c. Pemanas listrik tipe plat (plate electric heater) d. Pelurus aliran udara (flow straightener) e. Manometer U 6. Permukaan dalam saluran udara dilapisi dengan bahan melamin yang halus, sehingga faktor gesekan diabaikan. 7. Permukaan luar saluran udara dimana seksi dengan

glasswool

dan

uji diletakkan diisolasi

styrofoam sehingga perpindahan panas ke

lingkungan diminimalisasi. 8. Parameter yang dibuat konstan yaitu temperatur permukaan base plate sebesar 60oC, temperatur udara masuk, jarak antar titik pusat sirip dalam arah melintang (spanwise direction) sebesar 37,5 mm. 9.

Parameter yang divariasi adalah kecepatan udara masuk yaitu sebesar 0,5 m/s, 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s serta jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise) yaitu sebesar 25 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm.

10. Pengujian karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin diamond susunan segaris dilakukan pada kondisi tunak (steady state). 11. Penelitian dilakukan dalam keadaan diam (static experiment) dan pada

temperatur kamar.

1.4. Tujuan dan Manfaat Penelitian ini bertujuan untuk: 1. Mengetahui pengaruh bilangan Reynolds terhadap karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan dari sirip-sirip pin diamond susunan segaris dalam saluran segiempat. 2. Mengetahui pengaruh jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise direction) terhadap

karakteristik perpindahan

panas

dan

penurunan tekanan dari sirip-sirip pin diamond susunan segaris dalam saluran segiempat. 3. Mengetahui pengaruh bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara terhadap unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin diamond susunan segaris dalam saluran segiempat. Hasil penelitian yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut: 1. Mampu memberikan pengetahuan baru yang berguna dalam ilmu perpindahan panas, khususnya mengenai karakteristik perpindahan panas, penurunan tekanan dan unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin diamond susunan segaris dalam saluran segiempat. 2. Dapat diterapkan dalam sistem pendinginan sudu-sudu turbin gas, sistem elektronik modern dan industri pesawat terbang. 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. BAB II

: Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan

pengujian susunan sirip pin, dasar teori tentang sirip pin dan teori perhitungan perpindahan panas, penurunan tekanan dan unjuk kerja termal dari susunan sirip pin dalam saluran segiempat. BAB III

: Metodologi

penelitian,

menjelaskan tempat dan pelaksanaan

penelitian, peralatan yang digunakan, langkah-langkah penelitian dan pengambilan data. BAB IV

: Data dan analisis, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan data hasil pengujian serta analisis hasil dari perhitungan.

BAB V

: Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.

BAB II DASAR TEORI

2.2.

Tinjauan Pustaka

Chyu et al (1998) meneliti peningkatan perpindahan panas dari susunan sirip pin kubus (cubic pin fin). Dalam penelitian ini, sirip kubus diorientasikan sebagai persegi dan diamond terhadap arah aliran. Semua susunan dalam penelitian ini mempunyai geometri S/d = X/d = 2,5 dan H/d = 1. Kedua susunan segaris (inline) dan selang-seling (staggered) diteliti. Dari penelitian ini diperoleh bahwa sirip pin kubus orientasi persegi menghasilkan perpindahan panas yang lebih besar secara signifikan daripada diamond atau sirip pin silinder lurus. Untuk susunan selang-seling, peningkatan perpindahan panas sirip pin kubus orientasi persegi adalah 20-40% lebih besar daripada susunan diamond dan 30-80% lebih tinggi daripada susunan sirip pin silinder. Untuk susunan segaris, perbedaan lebih kecil tetapi tetap signifikan, dimana susunan sirip pin kubus orientasi persegi adalah 10-20% lebih besar daripada susunan diamond dan 10-40% lebih besar daripada susunan sirip pin silinder. Tanda, G., (2000) melakukan penelitian tentang peningkatan perpindahan panas dan penurunan tekanan pada plat bersirip pin diamond di dalam suatu saluran udara segiempat. Penelitian dilakukan dengan menggunakan spesimen berupa plat datar berdimensi 0,28 m x 0,1 m x 0,5 mm yang diberi sirip pin berbentuk diamond dengan panjang sisi-sisi 0,5 cm x 0,5 cm dan tinggi sirip 2 cm yang disusun secara inline dan staggered dengan jarak antar sirip, SL/W = 4 - 8 dan ST/W = 4 – 8,5. Spesimen diletakkan pada saluran udara segiempat yang berdimensi 3,28 m x 0,1 m x 0,02 m dengan clearance ratio sebesar 4 dan 1. Pengujian dilakukan dengan variasi bilangan Reynolds sebesar 8000 – 30.000. Dari penelitian tersebut diperoleh bahwa penggunaan sirip pin berpenampang diamond dapat meningkatkan

perpindahan

panas.

Efisiensi

meningkat seiring dengan menurunnya bilangan Reynolds. Faktor gesekan dan bilangan Nusselt meningkat seiring dengan meningkatnya jarak antar sirip

pin dan clearance ratio. Parameter terpenting yang mempengaruhi perpindahan panas adalah bilangan Reynolds, tinggi sirip pin dan jarak antar sirip pin, dimana perpindahan panas dapat ditingkatkan dengan mengontrol parameterparameter tersebut. Jeng, M.T., (2006) melakukan penelitian tentang karakteristik perpindahan panas, faktor gesekan (friction factor) dan menganalisis unjuk kerja termal pada suatu permukaan bersirip didalam saluran udara segiempat. Dimana pada penelitian tersebut menggunakan spesimen berupa plat datar yang diberi sirip pin berbentuk diamond dengan sisi 9,6 mm x 9,6 mm dan tinggi 76,5 mm yang terbuat dari aluminium paduan yang disusun secara inline dengan jarak antar sirip, XT = 1,060, 1,414, 1,979 dan XL = 1,060, 1,414, 1,979. Spesimen diletakkan

dalam

saluran

berdimensi 300 mm x diperoleh

hasil

udara

segiempat

(rectangular

channel) yang

81,5 mm x 76,5 mm . Dari penelitian tersebut

bahwa dengan

meningkatnya bilangan

Reynolds

akan

meningkatkan bilangan Nusselt, yang berarti meningkatkan perpindahan panas. Tetapi dengan meningkatnya bilangan Reynolds, peningkatan perpindahan panas dan unjuk kerja termal semakin menurun, dimana perpindahan panas maksimum terjadi pada variasi XT = 1,414 dan XL= 1,060, dibatasi oleh panas yang terbuang yang terbesar dalam daya pemompaan (pumping power) yang sama. Penambahan sirip pin pada suatu permukaan meningkatkan perpindahan panas dari permukaan tersebut sebagai hasil dari kenaikan luasan permukaan perpindahan panas dan turbulensi tetapi mengorbankan penurunan tekanan yang lebih besar dalam saluran. 2.3. Dasar Teori 2.2.1. Sirip Perluasan permukaan

perpindahan

panas

(extended

surface

heat

transfer) adalah studi tentang komponen-komponen perpindahan panas berunjuk kerja tinggi yang berkenaan dengan berat, volume, dan biaya yang semakin kecil, dan perilakunya dalam berbagai kondisi lingkungan termal. Komponen-komponen tertentu telah diterapkan dalam berbagai macam aplikasi seperti pesawat

ruang angkasa (air-land-space vehicles) dan sumber dayanya dalam prosesproses kimia, refrigerasi, dan kriogenika, dalam peralatan listrik dan elektronika, dalam tungku konvensional dan turbin gas, dalam proses pembuangan panas pada boiler, dan dalam modul bahan bakar nuklir. Dalam

desain dan konstruksi dari berbagai

macam

peralatan

perpindahan panas, bentuk-bentuk sederhana seperti; silinder, batang dan plat biasa diterapkan pada aliran panas antara sumber panas dan penyerap panas (heat source and heat sink). Permukaan-permukaan penyerap panas maupun pembuang panas masing-masing dikenal sebagai

permukaan utama

(prime

surface). Apabila permukaan utama diperluas dengan permukaan tambahan seperti dalam gambar 2.1, maka gabungan antara kedua permukaan tersebut dinamakan

permukaan

yang diperluas

(extended

surface). Elemen

yang

digunakan untuk memperluas permukaan utama dikenal sebagai sirip (fin). Jika elemen sirip tersebut berbentuk kerucut atau silinder, sirip tersebut dinamakan spines atau pegs.

Gambar 2.1. Beberapa contoh jenis extended surface: (a) sirip longitudinal (memanjang) dengan profil segiempat (b)pipa silindris dengan sirip berprofil segiempat (c) sirip longitudinal dengan profil trapezioda (d) sirip longitudinal dengan profil parabola (e) pipa silindris dengan sirip radial berprofil segiempat (f) pipa silindris dengan sirip radial berprofil trapezoida (g)cylindrical spine (h)truncated conical spine (i) truncated parabolic spine

Kebutuhan

untuk

perlengkapan

pesawat

terbang,

pesawat

ruang

angkasa, turbin gas, pengkondisian udara, dan kriogenika telah mendapatkan perhatian khusus dalam hal keringkasan permukaan alat penukar panas, terutama pada permukaan yang mengalami gradien tekanan yang kecil dalam fluida yang bersirkulasi melaluinya. Beberapa diantaranya ditunjukkan dalam gambar 2.2 Keringkasan (compactness) mengacu pada

perbandingan luas permukaan

perpindahan panas per satuan volume alat penukar panas. Definisi awal dari Kays dan London (1950) menetapkan bahwa elemen alat penukar panas kompak adalah alat penukar panas yang mempunyai 2

kelebihan 245 m per meter kubik alat penukar panas. Elemen alat penukar 2

panas kompak telah tersedia lebih dari 4100 m per meter kubik dibandingkan 2

dengan 65 – 130 m per meter kubik untuk alat penukar panas konvensional dengan pipa 5/8 – 1 in. Kebanyakan elemen alat penukar panas kompak terdiri dari plat-plat permukaan utama atau pipa-pipa yang dipisahkan oleh plat, batang atau spines, yang juga bertindak sebagai sirip. Seperti pada gambar 2.2(d), setiap sirip dapat diperlakukan sebagai sirip tunggal dengan tinggi sirip sama dengan setengah dari jarak plat pemisah dan dengan plat pemisah bertindak sebagai permukaan utama. Sehingga, alat penukar panas kompak dipandang sebagai bentuk lain dari permukaan yang diperluas (extended surface).

Gambar 2.2 Beberapa contoh jenis permukaan penukar kalor kompak: (a) pipa silinder (b) pipa silinder dengan sirip-sirip radial (c) flat tube dengan sirip kontinyu (d) sirip plat (plate fin) (e)offset plate fin (f) crossed rod matrix

Apabila sirip dan permukaan utamanya ditempatkan pada lingkungan termal yang seragam, efektivitas permukaan sirip lebih kecil daripada permukaan utama. Hal ini dapat dilihat pada plat dengan sirip memanjang (longitudinal) pada penampang melintang segiempat pada gambar 2.3. Permukaan plat bagian dalam membuang panas dari sumber panas dengan koefisien perpindahan panas seragam dan temperatur T1, sedangkan permukaan plat bagian luar dan sirip membuang panas tersebut ke lingkungan sekelilingnya yang lebih dingin dengan koefisien perpindahan panas seragam dan temperatur Ts. Permukaan plat yang lebih dingin berada pada temperatur intermediate Tp, dan panas dari sumber panas meninggalkan plat karena adanya gradien temperatur, Tp – Ts. Dengan cara yang sama, permukaan sirip dengan temperatur tertentu T, dan panas meninggalkan sirip karena adanya gradien temperatur T – Ts. Panas memasuki sirip melalui dasarnya (base), dimana itu berhubungan dengan plate dan bergerak berpindah secara kontinyu melalui sirip secara konduksi. Hampir dalam setiap kasus,

temperatur dasar sirip akan sangat mendekati sama dengan Tp. Panas yang diserap oleh sirip melalui dasarnya dapat mengalir menuju ujung sirip hanya jika ada gradien temperatur dalam sirip, yakni Tp lebih besar dari T. Untuk kondisi ini, karena temperatur T bervariasi dari dasar hingga ujung sirip, gradien temperatur T – Ts akan lebih kecil daripada Tp – Ts, sehingga satu satuan luas permukaan sirip akan kurang efektif dibandingkan dengan satu satuan luas permukaan plat atau permukaan utama.

Gambar 2.3. Perbedaan-perbedaan gradien temperatur dalam sirip

Rugi mutlak dari unjuk kerja satu satuan permukaan sirip dibandingkan terhadap satu satuan permukaan utama dinamakan inefisiensi sirip. Efisiensi sirip didefinisikan sebagai perbandingan antara panas aktual yang hilang dari sirip terhadap panas ideal yang hilang jika temperatur seluruh permukaan sirip sama dengan temperatur dasarnya. Sirip dengan ukuran, bentuk, dan material tertentu bervariasi

memiliki efisiensi sirip yang berbeda-beda, dan efisiensi sirip akan terhadap konduktivitas termal dan cara perpindahan panasnya

berkenaan dengan lingkungannya. Referensi telah dibuat untuk permukaan yang diperluas berisikan beberapa tipe permukaan utama dan beberapa tipe sirip. Banyak pengetahuan mengenai aliran

panas, profil temperatur, efisiensi dan

optimasi parameter-parameter sirip dapat diperoleh dari analisis tiga geometri dasar sirip yang ditunjukkan dalam gambar 2.1. yaitu sirip longitudinal, sirip radial dan spines. Sirip dengan berbagai macam geometri dan konduktivitas termal akan memberikan tanggapan yang berbeda terhadap sumber panas dan penyerap panas (source and sink) yang seragam dan identik. Sebaliknya, terdapat

banyak hal mengapa temperatur dan koefisien perpindahan panas dari sumber panas dan penyerap panas bisa bervariasi. Hal penting dalam menganalisis geometri sirip adalah

asumsi-asumsi yang diambil untuk menentukan dan

membatasi masalah dan tentunya menyederhanakan penyelesaiannya. Analisis dari tiga geometri dasar sirip dapat dilakukan dengan mengacu pada asumsi Murray-Gardner, yaitu: 1. Aliran panas dalam sirip dan temperaturnya tetap konstan terhadap waktu. 2. Material sirip adalah homogen, konduktivitas termal sama di segala arah, dan tetap konstan. 3. Koefisien perpindahan panas konveksi di permukaan sirip konstan dan seragam di keseluruhan permukaan sirip. 4. Temperatur dari medium lingkungan sirip konstan. 5. Ketebalan sirip adalah

kecil,

dibandingkan

dengan

tinggi

dan

panjangnya, sehingga gradien temperatur melewati ketebalan sirip dan perpindahan panas dari tepi sirip dapat diabaikan. 6. Temperatur dasar sirip adalah seragam. 7. Tidak ada tahanan kontak dimana dasar sirip digabung dengan permukaan utama. 8. Tidak ada sumber panas di dalam sirip itu sendiri. 9. Panas yang ditransfer melalui ujung sirip diabaikan dibandingkan dengan panas yang meninggalkan permukaan lateralnya. 10. Perpindahan panas ke atau dari sirip sebanding terhadap kelebihan temperatur antara sirip dan medium sekitar.

2.2.2. Sirip Pin Sirip pin adalah elemen berbentuk silinder atau bentuk lainnya yang dipasang secara tegak lurus terhadap dinding alat penukar panas, dengan fluida pendingin mengalir dalam arah aliran melintang (crossflow) terhadap elemen tersebut. Terdapat berbagai parameter yang menggolongkan sirip pin, seperti bentuk, tinggi, diameter, perbandingan tinggi-diameter (H/D) dan

sebagainya. Sirip pin dengan perbandingan tinggi-diameter (H/D) antara 0,5 – 4 dikategorikan sebagai sirip pin pendek (short pin fin), sedangkan sirip pin panjang (long pin fin) memiliki perbandingan tinggi-diameter > 4. Perbandingan tinggi-diameter yang besar merupakan bagian yang menarik dalam aplikasi alat penukar panas dalam hal pencapaian koefisien perpindahan panas yang sangat tinggi.

Gambar 2.4. Sebuah susunan sirip pin diamond susunan segaris

Sirip pin dapat disusun dalam dua arah utama. Pada gambar 5 siripsirip pin ditunjukkan dalam susunan segaris (inline) dan selang-seling (staggered). Sy adalah jarak antar titik pusat sirip sepanjang arah aliran (stream-wise direction),

sedangkan Sx adalah

jarak

antar titik pusat sirip yang

normal/tegak lurus terhadap arah aliran (span-wise direction).

diukur

Gambar 2.5. Susunan sirip pin (a) inline (b) staggered

2.2.3. Macam-Macam Bentuk Sirip pin 2.2.3.1 Silinder Silinder lurus merupakan geometri sirip pin yang paling umum. Geometri sirip pin yang lain adalah silinder lurus dengan ujung difillet (filleted pin fin) dan silinder tirus (tapered cylindrical pin fin). Hubungan antara geometri sirip pin silinder lurus dengan geometri sirip pin silinder berfillet ditunjukkan dalam gambar 2.6.

Gambar 2.6. Perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip pin silinder berfillet

2.2.3.2 Kubus Sirip pin berbentuk kubus (cubic pin fin) dapat disusun secara segiempat maupun diamond berdasarkan arah aliran. Diamond merupakan susunan

segiempat

yang

o

diputar 45 . Gambar 2.7 menunjukkan sketsa kedua tipe

susunan.

Gambar 2.7. Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin kubus dan sirip pin diamond

2.2.3.3. Oblong Sirip pin oblong merupakan perpaduan antara bentuk silinder dan bentuk kubus. Sirip pin oblong tersusun pada sudut orientasi yang berbeda, γ, berdasarkan

arah aliran.

Gambar

2.8

menunjukkan

tata

nama

yang

digunakan dalam sirip pin oblong.

Gambar 2.8. Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin oblong

2.2.3.3 Ellips Sirip pin ellips adalah bentuk silinder yang direntangkan dalam satu

arah garis diameternya. Gambar 2.9 menunjukkan sketsa geometri circular fin dan dua bentuk sirip pin ellips. Dalam menguji sirip pin ellips, sumbu utama (major axis) segaris dengan arah aliran.

Gambar 2.9. Ukuran relatif dari circular fin, SEF dan N fin.

Bentuk-bentuk sirip pin ellips dapat dijelaskan sebagai berikut : a. Standard Elliptical Fin (SEF). Sirip pin ini mempunyai standar penampang ellips dengan panjang sumbu minor sama dengan diameter circular fin dan panjang sumbu utama adalah 1,67 kali panjang sumbu minor. Luas permukaan dari SEF dihitung 1,35 kali luas permukaan circular fin, tetapi luas frontal efektif sama dengan circular fin karena panjang sumbu minor sama dengan diameter circular fin. b. N fin Bentuk sirip ini diturunkan dari seri airfoil simetris 4 digit NACA. Panjang sumbu minor sama dengan diameter circular fin dan panjang sumbu utama 2,5 kali panjang sumbu minor. Luas permukaan N fin dihitung 1,85 kali lebih besar daripada luas permukaan circular fin. Luas frontal efektif adalah sama dengan circular fin. Kemampuan bentuk sirip pin dalam meningkatkan perpindahan panas dapat dilihat dari kemampuannya dalam menyebabkan pemisahan aliran (flow separation) dan menghasilkan turbulensi dalam medan aliran. Sehingga, sirip pin dengan bentuk yang kurang aerodinamis akan menghasilkan peningkatan perpindahan panas yang lebih baik, misalnya pada sirip pin kubus. Karena kuatnya gaya inersia dari aliran fluida di sekitar sirip pin, aliran tidak dapat melekat pada permukaan sirip bagian belakang (downstream) dari sudut yang tajam. Selain itu, perubahan lintasan aliran secara tiba-tiba di sekeliling sirip pin

kubus menyebabkan pemisahan aliran dan daerah pusaran turbulen (turbulent vortex shedding), yang dapat menambah perpindahan panas dalam susunan sirip pin tersebut.

2.2.4. Aplikasi Sirip pin Perpindahan panas dari susunan sirip pin merupakan subjek yang sangat penting dengan banyak aplikasi keteknikan. Aplikasi tersebut mulai dari alat penukar panas kompak, boiler untuk turbin uap dan pendinginan internal secara konveksi dari air foils turbin gas. Seperti pada gambar 2.10, sirip

pin

biasanya dimasukkan dalam ruang pendinginan dalam (internal

cooling) dekat trailing edge dari sudu turbin untuk meningkatkan perpindahan panas. Hal ini memungkinkan sudu beroperasi dalam temperatur tinggi tanpa mengalami kerusakan, sehingga meningkatkan efisiensi termal dan daya output.

Gambar 2.10. Potongan melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam (internal cooled)

Oleh karena pertimbangan aerodinamis, seperti pada gambar 2.10 trailing edge dari sudu menuntut profil yang semakin mengecil. Untuk itu, ruang pendinginan dalam daerah ini harus dengan bentuk penampang trapesium. Pendingin dari pangkal sudu (blade base) bergerak memutar ke samping kemudian dikeluarkan dari slot ujung sudu, atau melalui saluran sirip pin kemudian keluar dari slot sepanjang trailing edge sudu. Namun, kebanyakan

penelitian yang dilakukan adalah untuk sirip pin yang menggunakan saluran segiempat (rectangular channel) dengan aliran keluar yang lurus. 2.2.5. Perpindahan Panas Perpindahan panas adalah ilmu yang mempelajari tentang cara untuk meramalkan perpindahan (distribusi) energi berupa panas yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur di antara benda atau material. Perpindahan panas dapat dibagi menjadi tiga macam, yaitu : Perpindahan panas secara konduksi adalah distribusi energi berupa panas yang terjadi pada benda atau medium yang diam (padat) bertemperatur tinggi ke bagian benda yang bertemperatur rendah atau terdapat gradien temperatur pada benda tersebut. Rumus dasar perpindahan panas secara konduksi adalah : Q=

k A DT x

(2.1)

dimana: Q = laju perpindahan panas (Watt) k

= konduktivitas panas (W/m.oC)

A = luasan perpindahan panas arah normal Q (m2) ∆T = beda temperatur (oC) x

= ketebalan bahan (m)

Perpindahan panas konveksi adalah distribusi energi berupa panas yang terjadi karena terdapat aliran fluida. Persamaan dasar perpindahan panas konveksi adalah : Q = h. A.(T w - T¥ )

dimana: Q = laju perpindahan panas (Watt) h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 oC) A = luasan perpindahan panas arah normal Q (m2) Tw = temperatur permukaan benda (oC) T¥ = temperatur fluida (oC)

(2.2)

Perpindahan panas radiasi atau thermal radiation adalah distribusi energi berupa panas yang terjadi melalui pancaran gelombang cahaya dari suatu zat ke zat yang lain tanpa zat perantara atau radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu benda karena suhunya. Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu bahan, maka sebagian dari radiasi itu di pantulkan (refleksi), sebagian diserap (absorsi), dan sebagian lagi diteruskan (transmisi). Untuk menghitung besarnya panas yang dipancarkan yaitu menggunakan rumus : Q = e AT 4 s

(2.3)

dimana: Q = panas yang dipancarkan (Watt) ε

= emisivitas permukaan benda (0 s.d. 1)

A = luas perpindahan panas (m2) T = temperatur permukaan benda (K) σ

= konstanta Stefan Boltzmann (W/m2.K4)

Untuk benda hitam sempurna nilai emisivitasnya (ε) adalah 1 dan besar nilai σ = 5,67.10-8 W/m2.K4 2.2.6. Parameter Tanpa Dimensi Persamaan perpindahan panas konveksi berkaitan dengan variabel penting yang dinamakan parameter tanpa dimensi (dimensionless). Parameter tanpa dimensi dalam kaitannya dengan perpindahan panas konveksi adalah: a. Bilangan Reynolds ( Reynolds Number ) Bilangan Reynolds dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya inersia dengan gaya kekentalan, di dalam kecepatan lapis batas. Untuk kontrol volume yang berbeda pada lapis batas ini, gaya inersia diasosiasikan dengan sebuah kenaikan momentum dari fluida yang bergerak melewati kontrol volume. Gaya inersia dalam bentuk ¶[( r u ) u ] / ¶x didekati dengan persamaan :

FI =

rV 2 . Gaya kekentalan diwakili dengan gaya geser dalam bentuk L

¶t yx / ¶ y = ¶[m (¶u / ¶y )] / ¶y dan dapat didekati dengan persamaan : Fs = mV / L2 .

Perbandingan gaya tersebut dapat ditulis : FI rV 2 / L rVL = = = Re L Fs mV / L2 m

(2.4)

Untuk harga Re yang tinggi , gaya inersia akan lebih berpengaruh daripada gaya kekentalan. Untuk harga Re yang rendah, gaya kekentalan akan lebih berpengaruh dari gaya inersia. b. Nusselt ( Nusselt Number ) Bilangan Nusselt adalah bilangan tanpa dimensi yang menyatakan perbandingan antara koefisien perpindahan panas konveksi terhadap konduktivitas termal fluida. Bilangan ini menyediakan sebuah perhitungan tentang perpindahan panas konveksi yang terjadi pada permukaan. Bilangan Nusselt dirumuskan :

Nu =

hD kf

(2.5)

dimana : Nu = bilangan Nusselt h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2. oC) D

= diameter (m)

kf

= konduktivitas termal fluida (W/m.oC) Bilangan Nu merupakan fungsi universal dari bilangan Re. Apabila fungsi

bilangan Re diketahui, maka dapat digunakan untuk menghitung nilai Nu untuk fluida, nilai kecepatan, dan skala panjang yang berbeda. 2.2.7. Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada PinFin Assembly 2.2.7.1 Perhitungan Perpindahan Panas (Heat Transfer)

Kesetimbangan energi kondisi tunak (steady state) untuk permukaan uji yang dipanaskan secara elektrik adalah sebagai berikut : Qelect = Qconv + Qloss

(2.6)

dimana : Qelect

= laju aliran panas dari listrik (W)

Qconv = laju perpindahan panas konveksi (W) Qloss = laju aliran panas yang hilang dari sistem (heat loss) (W) Input panas listrik dapat dihitung dari tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke permukaan. Kehilangan panas (heat loss) dari sistem bisa karena; (i) radiasi dari permukaan dan (ii) konduksi melalui dinding-dinding saluran ke atmosfer. Sehingga persamaan (2.6) dapat ditulis menjadi : Qelect = Qconv + Qrad + Qcond

(2.7)

dimana : Qrad

= laju perpindahan panas radiasi (W)

Qcond = laju perpindahan panas konduksi (W) Pada penelitian yang serupa, Naik et al (1987) dan Hwang dan Liou (1995) melaporkan bahwa total heat loss radiasi dari permukaan uji yang serupa sekitar 0,5% dari total input panas listrik, sehingga radiative heat loss diabaikan. Heat loss karena konduksi dari sisi dinding-dinding dapat diabaikan dibandingkan dari permukaan bawah dari seksi uji, karena luas total sisi plat yang dipanaskan jauh lebih kecil dari luas permukaan bawah. Pada penelitian ini, permukaan bawah dari plat uji tidak dipapar ke aliran, dan disolasi dengan kombinasi lapisan isolator dan lapisan kayu, sehingga heat loss konduksi dapat diminimalisir.

Analisis data akan memuaskan jika persentase total heat loss, (Qelect –Qconv)/Qconv kurang dari 10% (Naphon, P., 2007). Maka persamaan (2.7) menjadi : Qelect = Qconv

(2.8)

Panas yang dipindahkan dari permukaan bersirip dengan cara konveksi adalah :

é æ T + Tout Qconv = h . As . êTb - ç in 2 è ë

öù ÷ú øû

(2.9)

dimana : Qconv

= laju perpindahan panas konveksi (W)

h

= koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (W/m2.K)

As

= luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara dari pin fin assembly (m2)

Tb

= temperatur permukaan plat dasar (base plate) (K)

Tin

= temperatur inlet dari aliran udara (K)

Tout

= temperatur outlet dari aliran udara (K)

Dari persamaan (2.9), Qconv dapat juga dinyatakan dengan : Qconv

=

(2.10)

dimana : = laju aliran massa udara (kg/s) Cp

= panas jenis udara (J/kg.K)

Tin

= temperatur inlet aliran udara (K)

Tout

= temperatur outlet aliran udara (K)

Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) dapat dihitung dengan menggunakan kombinasi persamaan (2.9) dan (2.10), sehingga didapatkan bahwa:

h=

m& . C p . (Tout - Tin )

(2.11)

As . [Tb - ((Tout + Tin ) 2)]

Dari persamaan (2.11) laju aliran massa,

, dapat dihitung dengan menggunakan

persamaan : = r. At. V

(2.12)

dimana : r

= massa jenis (densitas) udara (kg/m3)

At

= luas penampang saluran udara (m2)

Gambar 2.11. Pin fin assembly dalam saluran udara segiempat dengan clearence nol

Untuk kasus dengan clearence nol seperti pada gambar 2.11, maka At dihitung dengan rumus : At

= H. Wb

V

= kecepatan rata-rata udara dalam saluran udara (m/s)

(2.13)

As adalah luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara dari pin fin assembly atau luas permukaan total dari permukaan plat dasar dan sirip-sirip diamond, dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : As

= Wb.L + 2 (a + b).H.Nf – a.b.Nf

(2.14)

dimana : Wb

= lebar base plate untuk pin fin assembly (m)

L

= panjang pin fin assembly (m)

Nf

= jumlah total sirip pin diamond dalam pin fin assembly

H

= tinggi saluran udara atau tinggi sirip pin diamond (m)

a,b

= panjang sisi-sisi sirip pin diamond (m)

Dari persamaan (2.11), nilai-nilai Tb, Tin dan Tout diukur dari percobaan yang dilakukan menggunakan termokopel. Sedangkan sifat termofisik dari udara Cp dihitung berdasarkan temperatur udara rata-rata, Tf = (Tin + Tout)/2 menggunakan persamaan sebagai berikut : Cp Persamaan 250 K £

= [9,8185 + 7,7 x 10-4 (Tin + Tout)/2] x 102 J/kg.K (2.15)

berlaku

untuk

udara

pada

tekanan

(2.15) atmosfer

dan

Tin + Tout £ 400 K 2

Parameter tanpa dimensi (dimensionless) yang digunakan dalam perhitungan perpindahan panas untuk permukaan bersirip dihitung sebagai berikut : a. Bilangan Reynolds (Re) Dua jenis bilangan bilangan Reynolds digunakan untuk menggolongkan kondisi aliran. Pertama adalah bilangan Reynolds berdasarkan kecepatan ratarata (V) dalam saluran halus (smooth duct) dan diameter hidrolik dari saluran (Dh) dan dinyatakan dengan :

Re

=

(2.16)

Re

=

(2.17)

Kedua adalah berdasarkan kecepatan maksimum melalui sirip-sirip pin dan ketebalan dari sirip-sirip pin, yaitu : ReD

=

(2.18)

dimana Vmaks adalah kecepatan maksimum melalui sirip-sirip pin dan diberikan dengan persamaan : Vmaks =

(2.19)

ReD telah digunakan secara luas dalam banyak studi perpindahan panas pada sirip pin, dan ReD tergantung pada jumlah pin dalam arah spanwise dan tinggi dari sirip pin. Re diatas biasa disebut sebagai duct Reynolds number dan ReD disebut sebagai pin Reynolds number.

b. Bilangan Nusselt (Nu) Seperti pada definisi bilangan Reynolds, bilangan Nusselt rata-rata dinyatakan juga dengan duct Nusselt number dan pin Nusselt number, dimana berturutturut dinyatakan dengan persamaan : Nu

=

(2.20)

Nu

=

(2.21)

dimana : Re

= duct Reynolds number

ReD

= pin Reynolds number

V


Vmaks = kecepatan maksimum melalui sirip-sirip pin (m/s)

Dh

= diameter hidrolik dari saluran udara (m)

d

= diameter sirip pin (m)

n

= viskositas kinematik udara (m2/s)

r


µ

= viskositas dinamik udara (kg/m.s)

A

= luas penampang saluran (m2)

Afront = luas frontal dari sirip-sirip (m2) Nu

= duct Nusselt number

NuD

= pin Nusselt number

h

= koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (W/m2.K)

k

= konduktifitas termal udara (W/m.K)

Untuk saluran udara segiempat, diameter hidrolik, Dh , dihitung dengan persamaan : Dh =

4 .H .Wb 4. A = P 2 (H + Wb )

(2.22)

Properties udara, µ dan k dihitung berdasarkan temperatur udara rata-rata, Tf = (Tin + Tout)/2 menggunakan persamaan sebagai berikut : µ

= [4,9934 + 4,483 x 10-2 (Tin + Tout/2)] x 10-6 kg/m.s

(2.23)

k

= [3,7415 + 7,495 x 10-2 (Tin + Tout/2)] x 10-3 W/m.K

(2.24)

Persamaan (2.23) dan (2.24) berlaku untuk udara pada tekanan atmosfer dan 250 K £

Tin + Tout £ 400 K 2

2.2.7.2 Perhitungan Faktor Gesekan (Friction Factor) Penelitian penurunan tekanan (pressure drop) sepanjang seksi uji dalam saluran bersirip diukur dibawah kondisi aliran panas. Pengukuran ini dikonversi ke faktor gesekan (friction factor), f. Faktor gesekan ditentukan dari nilai pengukuran penurunan tekanan, DP , sepanjang seksi uji menggunakan persamaan

f =

ΔP éæ Lt êçç ëêè D h

öæ V 2 ÷÷ç ρ ç øè 2

(2.25)

öù ÷ú ÷ú øû

dimana : f

= faktor gesekan

DP

= perbedaan tekanan statik (N/m2)

Lt

= panjang jarak titik pengukuran tekanan di seksi uji (m)

Dh

= diameter hidrolik (m)

r


V


2.2.7.3 Perhitungan Unjuk Kerja Termal Pin Fin Assembly Peningkatan perpindahan panas dicapai dengan mengorbankan penurunan tekanan. Banyak aplikasi praktis hal tersebut dibolehkan, sehingga perlu untuk menentukan keuntungan ekonomis karena peningkatan perpindahan panas dan pengaruh sirip-sirip pin dan susunannya terhadap unjuk kerja energi overall dari sistem perpindahan panas sekarang melalui sebuah analisis unjuk kerja termal. Daya pemompaan (pumping power) adalah daya yang dibutuhkan untuk mengalirkan fluida pendingin ke susunan sirip pin, dalam hal ini adalah daya blower. Daya pemompaan blower dapat diukur dari besaran arus dan tegangan listriknya. Untuk sebuah daya pemompaan yang konstan, adalah berguna untuk menentukan efektivitas peningkatan perpindahan kalor dari promotor perpindahan panas dibandingkan dengan permukaan halus, sedemikian sehingga : (2.26) Dimana

dan

berturut-turut adalah laju aliran volumetrik di atas plat tanpa

halangan (blocks) dan dengan halangan, sedangkan

dan

berturut-turut

adalah penurunan tekanan tanpa dan dengan halangan. Mengunakan persamaan Darcy untuk penurunan tekanan dan bilangan Reynolds untuk masing-masing geometri, dari hubungan antara permukaan dengan sirip dan permukaan halus untuk daya pemompaan yang sama, persamaan (2.26) dapat ditulis ulang menjadi: (2.27) Unjuk kerja termal peningkatan perpindahan panas untuk suatu daya pemompaan yang konstan dapat dinyatakan sebagai berikut :

h

= (ha/hs) P

(2.28)

dimana : ha

= koefisien perpindahan panas konveksi dengan sirip (W/m2.K)

hs

= koefisien perpindahan panas konveksi tanpa sirip (W/m2.K)

Jika nilai h ≥ 1, teknik yang dipakai untuk menaikkan laju perpindahan panas adalah menguntungkan dari sudut pandang energi. Jika h ≤ 1, energi yang telah digunakan untuk menaikkan laju perpindahan panas lebih besar daripada yang diperoleh.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3. 1 Tempat penelitian Penelitian

dilakukan

di

Laboratorium

Perpindahan

Panas

dan

Termodinamika, Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta. 3. 2 Alat penelitian

Gambar 3.1. Skema alat penelitian

Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah: a. Saluran udara segiempat (rectangular channel) Saluran udara segiempat terbuat dari kayu yang permukaan bagian dalam dan luarnya dilapisi melamin. Dimensi penampang bagian dalam dari saluran udara segiempat adalah 150 mm x 75 mm x 2.000 mm.

Gambar 3.2. Saluran udara segiempat (rectangular channel)

b. Pelurus aliran udara (flow straightener) Pelurus aliran udara terbuat dari selang plastik berdiameter 5 mm, panjang 200 mm yang disusun sedemikian hingga membentuk segiempat dimana dimensi keseluruhan dari pelurus aliran udara adalah 150 mm x 75 mm x 200 mm.

Gambar 3.3. Pelurus aliran udara (air flow straightener)

c. Fan hisap Fan hisap merupakan modifikasi dari blower, sedemikian rupa sehingga blower dapat menghisap udara.

Gambar 3.4. Fan hisap

d. Rheostat Rheostat digunakan untuk mengatur putaran fan hisap agar didapatkan kecepatan udara yang diinginkan.

Gambar 3.5. Rheostat

e. Anemometer Anemometer digunakan untuk mengukur kecepatan aliran udara yang masuk ke dalam saluran udara.

Gambar 3.6. Anemometer

f. Pemanas (heater) Pemanas terbuat dari pita nikelin dengan panjang 4.000 mm, lebar 3 mm dan tebal 1,3 mm yang dililitkan pada kertas mika tahan panas dengan dimensi panjang 200 mm, lebar 150 mm dan tebal 1 mm.

Gambar 3.7. Pemanas listrik (electric heater).

g. Regulator Regulator digunakan untuk mengatur tegangan listrik yang dialirkan ke heater sehingga temperatur permukaan base plate dapat dijaga konstan pada setiap variasi kecepatan dan variasi jarak antar titik pusat sirip pin arah streamwise.

Gambar 3.8. Regulator pengatur tegangan listrik yang masuk heater

h. Voltmeter Voltmeter digunakan untuk mengukur besarnya tegangan listrik yang dibutuhkan heater untuk mencapai temperatur permukaan base plate yang diinginkan.

Gambar 3.9. Voltmeter

i. Amperemeter Amperemeter digunakan untuk mengukur besarnya arus listrik yang dibutuhkan heater untuk mencapai temperatur permukaan base plate yang diinginkan.

Gambar 3.10. Amperemeter

j. Manometer U

Manometer digunakan untuk mengukur penurunan tekanan udara yang terjadi antara sisi masuk dan sisi keluar seksi uji. Manometer terbuat dari selang plastik berdiameter 5 mm yang kedua ujungnya ditempatkan pada awal dan akhir dari seksi uji, sehingga dapat mengukur besarnya beda tekanan yang terjadi antara keduanya. Fluida yang digunakan dalam manometer ini adalah solar.

Gambar 3.11. Manometer U dan posisi titik pengukuran tekanan

k. Termokopel Menggunakan termokopel tipe T sebanyak 17 buah, dimana 3 buah termokopel dipasang sebelum seksi uji untuk mengukur temperatur udara inlet, 5 buah termokopel dipasang setelah seksi uji untuk mengukur temperatur udara outlet dan 9 buah termokopel dipasang pada permukaan base plate untuk mengukur temperatur permukaan base plate.

Gambar 3.12. Termokopel tipe T

Gambar 3.13. Posisi 3 buah termokopel Gambar 3.14. Posisi 5 buah termokopel untuk mengukur temperatur udara masuk untuk mengukur temperatur udara keluar seksi uji seksi uji

Gambar 3.15. Pemasangan termokopel pada permukaan base plate

l. Thermocouple reader Alat ini digunakan untuk menunjukkan temperatur yang terukur oleh sensor termokopel.

Gambar 3.16. Display termokopel

3. 3 Spesimen Spesimen berupa pin fin assembly dengan dimensi plat dasar (base plate) panjang 200 mm, lebar 150 mm dan tebal 6,5 mm, yang dipasangi oleh sejumlah sirip-sirip pin diamond yang disusun secara segaris (inline) dengan panjang sisisisi sirip 12,70 mm x 12,70 mm dan tinggi sirip 75 mm. Spesimen sirip pin diamond dibuat dengan jarak antar titik pusat sirip arah spanwise (Sx) yang tetap dan divariasi pada jarak antar titik pusat sirip dalam arah streamwise (Sy), seperti terlihat pada tabel 3.1. Bahan base plate dan sirip-sirip pin diamond adalah duralumin.

Gambar 3.17. Dimensi dan tata nama spesimen

Gambar 3.18 Model spesimen Tabel 3.1. Spesifikasi spesimen penelitian

Jumlah sirip

Spesimen

Sx

Sy

1

37,5 mm

25 mm

28

1,97

2

37,5 mm

30 mm

24

2,36

3

37,5 mm

37,5 mm

20

2,95

(Nf)

Sy/D

4 5

37,5 mm

50 mm

Plat tanpa sirip

16

3,94

0

0

Gambar 3.19. Spesimen 1




3. 4 Pelaksanaan Penelitian Pengujian dilakukan pada keadaan diam (statis). Sistem beroperasi pada temperatur udara masuk yang konstan sebesar 26 oC dan temperatur permukaan base plate yang konstan sebesar 60 oC. Alat penelitian harus dinetralkan terlebih dahulu seperti pada kondisi pengujian sebelumnya (kondisi awal) untuk periode pengujian selanjutnya. Pengambilan data penelitian berupa temperatur dilakukan hingga semua temperatur udara keluar seksi uji mencapai steady state. Data-data temperatur dan beda tekanan pada keadaan steady state inilah yang akan digunakan untuk analisis data penelitian. Dalam setiap pencatatan data akan

diperoleh 17 data temperatur (3 data temperatur udara masuk seksi uji, 5 data temperatur udara keluar seksi uji dan 9 data temperatur permukaan base plate). 3.4.1

Tahap Persiapan Memastikan bahwa seluruh alat yang digunakan dalam pengujian, seperti

fan hisap, saluran udara, seksi uji, heater, regulator, rheostat, manometer dan alat pendukung lainnya telah terpasang dengan benar dan berfungsi dengan baik. Memastikan termokopel pengukur temperatur udara masuk dan keluar telah terhubung ke thermocouple reader serta termokopel pengukur temperatur permukaan base plate spesimen telah terpasang dengan benar.

3.4.2

Tahap Pengujian 1. Memasang spesimen ke dalam saluran udara. 2. Menghubungkan semua termokopel dengan thermocouple reader. 3. Menyalakan heater sebagai pemanasan awal (preheating) sebesar 70 o

C.

4. Menghidupkan fan hisap. 5. Mengatur kecepatan udara sebesar 0,5 m/s dengan mengatur putaran fan menggunakan rheostat. 6. Mengatur temperatur permukaan base plate pada temperatur 60 oC. 7. Mencatat seluruh data temperatur dan beda tinggi fluida manometer (h) setiap 15 menit sampai didapatkan temperatur steady. 8. Mencatat tegangan dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan hisap. 9. Mematikan heater setelah selesai mengambil data. 10. Mematikan fan. 11. Mengulangi langkah percobaan (1) – (10) untuk variasi kecepatan udara yang lain (1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s).

12. Mengulangi langkah percobaan (1) – (11) dengan mengganti spesimen untuk variasi jarak antar titik pusat sirip pin arah streamwise, Sy yang lain (30 mm, 37,5 mm dan 50 mm). 13. Mengulangi pengujian untuk spesimen tanpa sirip dengan daya pemompaan yang sama dengan spesimen bersirip. 14. Mematikan alat setelah selesai mengambil semua data.

3. 5 Metode Analisis Data Berdasarkan data hasil pengujian, yaitu berupa kecepatan aliran udara, temperatur rata-rata udara masuk seksi uji, temperatur rata-rata udara keluar seksi uji, temperatur rata-rata permukaan base plate, beda tinggi fluida manometer (h), serta tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater dan blower , selanjutnya dapat dilakukan analisis data yaitu dengan melakukan perhitungan terhadap:

a. Laju aliran panas dari heater listrik (Qelect) b. Laju perpindahan panas konveksi (Qconv) c. Koefisien perpindahan panas konveksi rata – rata (h) d. Bilangan Nusselt (Nu) e. Bilangan Reynolds (Re) f. Faktor gesekan (f) g. Unjuk kerja termal dari inline diamond pin fin assembly (η) Setelah melakukan perhitungan besaran diatas untuk setiap variasi berdasar data yang didapat maka selanjutnya dapat disusun grafik hubungan antara : a) Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) dengan bilangan Reynolds ( Re ) b) Bilangan Nusselt ( Nu ) dengan bilangan Reynolds ( Re )

c) Pengaruh jarak antar titik pusat sirip pin dalam arah aliran (streamwise direction, Sy/D) terhadap bilangan Nusselt (Nu). d) Penurunan tekanan (DP) dengan bilangan Reynolds (Re) e) Faktor gesekan (f) dengan bilangan Reynolds (Re) f) Unjuk kerja termal (η) dengan bilangan Reynolds (Re). Kemudian berdasarkan dari grafik-grafik yang disusun tersebut dapat dilakukan analisa karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal untuk setiap variasi kecepatan aliran udara (bilangan Reynolds) dan jarak antar titik pusat sirip pin dari sirip-sirip pin diamond susunan segaris (inline) dalam saluran segiempat (rectangular channel).

3. 6 Diagram Alir Penelitian

Mulai

Persiapan: Alat penelitian berupa saluran udara segiempat lengkap dengan seksi uji. (Inline diamond pin fin assembly) Variasi: · ·

Kecepatan udara; 0,5 m/s, 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s. Jarak antar titik pusat sirip pin dalam arah aliran udara (streamwise); 25 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm. Pengambilan data:

· Temperatur udara masuk, temperatur udara keluar dan temperatur permukaan plat dasar · Beda tinggi fluida manometer (h) · Tegangan listrik dan arus listrik yang digunakan

Analisis data: · · · · · · ·

Laju aliran panas dari listrik (Qelect) Laju perpindahan panas konveksi (Qconv) Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) Bilangan Reynolds (Re) Bilangan Nusselt (Nu) Faktor gesekan (f) Unjuk kerja termal inline diamond pin fin assembly (η) Hasil analisa untuk tiap variasi data

Kesimpulan

Selesai

3. 7 BAB IV 3. 8 DATA DAN ANALISA 3. 9 3. 10

Pada bab ini akan dianalisis mengenai pengaruh bilangan Reynolds dan jarak antar

titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise direction) terhadap karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari sirip pin diamond yang disusun segaris (inline) dalam saluran segiempat. Pengujian dilakukan dengan variasi kecepatan aliran udara masuk antara 0,5 m/s – 6 m/s, dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise direction) yaitu sebesar 25 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm. Data yang diperoleh dalam pengujian ini, yaitu kecepatan aliran udara masuk, temperatur udara masuk seksi uji, temperatur udara keluar seksi uji, temperatur base plate, penurunan tekanan serta tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan hisap. Sistem dijalankan sampai didapatkan temperatur pada kondisi tunak pada tiap variasi pengujian. Proses pengambilan data adalah setiap 10 menit hingga tercapai kondisi tunak.

4.1 Data Hasil Pengujian Pengujian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan Termodinamika Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dari hasil pengamatan temperatur udara masuk seksi uji, temperatur udara keluar seksi uji, temperatur base plate, penurunan tekanan, kecepatan aliran udara masuk serta tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan hisap saat pengujian pada kondisi steady, diperoleh data seperti pada tabel 4.1 – 4.8 di bawah ini :

Gambar 4.1 Posisi titik pengukuran temperatur udara 1. Spesimen 1 Tabel 4.1. Data hasil pengujian spesimen 1 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 1,97) Kecepatan aliran udara (m/s) 0,5

1

2

3

4

5

5,5

6

Tegangan heater (V)

39

54

68

77

88

96

98

100

Arus heater

(A)

2,2

2,9

4,2

4,8

5

5,3

5,5

5,7

Tegangan fan

(V)

88

108

125

140

152

170

190

200

Arus fan

(A)

1,2

1,3

1,6

1,7

1,8

1,9

2

2,2

Beda tinggi fluida manometer (mm)

0,8

1,5

2,5

3,5

4,6

6

6,8

7,5

Tin,1

(oC)

26,4

26,3

26,3

26,2

26,1

26,2

26,3

26,2

Tin,2

(oC)

26,4

26,2

26,3

26,1

26,2

26,2

26,3

26,3

Tin,3

(oC)

26,4

26,2

26,3

26,1

26,2

26,2

26,3

26,2

Tin,rata-rata (oC)

26,4

26,2

26,3

26,1

26,2

26,2

26,3

26,2

Tbase,1 (oC)

58,8

58,3

58,4

58,5

57,6

57

57,5

56,7

Tbase,2 (oC)

59,8

60,1

61,1

57,5

59,2

58,7

58,8

58,6

Tbase,3 (oC)

59,3

59,8

60,3

59,4

58,3

58,1

58

58

Tbase,4 (oC)

57,1

56

57,8

57,2

57,5

57,5

57,4

57,4

Tbase,5 (oC)

60,9

61

60,3

60,2

59

59

59,1

59,2

Tbase,6 (oC)

60,8

60,3

60,4

59,7

60,7

60,7

60,8

61

Tbase,7 (oC)

61,5

61,4

59,4

59,2

58,2

58,2

58,1

58,2

Tbase,8 (oC)

61,4

62,2

60,9

63,3

63,2

63,8

63,4

64,2

Tbase,9 (oC)

61,6

61

61,8

65,2

66,5

67,3

67,8

68,3

Tbase, rata-rata (oC)

60,1

60,0

60,0

60,0

60,0

60,0

60,1

60,2

Tout,1

(oC)

37,7

36,5

36,2

32,5

32,2

32,2

31,6

30,4

Tout,2

(oC)

35,5

34,5

33,2

32,2

31,4

31,3

31,2

31,1

Tout,3

(oC)

35,4

35

33,2

33,5

32,6

32,1

32

32

Tout,4

(oC)

36

35,5

34,1

34

33,8

33

33,2

33,2

Tout,5

(oC)

37,3

36,5

36,3

35,3

34

33,2

33

32,9

36,4

35,6

34,6

33,5

32,8

32,4

32,2

31,9

Tout, rata-rata (oC)

2. Spesimen 2 Tabel 4.2. Data hasil pengujian spesimen 2 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 2,36) Kecepatan aliran udara (m/s) 0,5

1

2

3

4

5

5,5

6

Tegangan heater (V)

36

52

63

75

81

86

90

92

Arus heater

(A)

2,4

3

4,2

4,7

5,2

5,7

5,8

6,1

Tegangan fan

(V)

75

79

98

102

162

180

195

218

Arus fan

(A)

1,2

1,4

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1


0,6

1,3

2

2,8

3,5

4,3

4,7

5,3

Tin,1

(oC)

26,2

26,1

26,2

26

26,2

26,2

26,1

26

Tin,2

(oC)

26,3

26

26,2

25,9

26,1

26,3

26,2

26

Tin,3

(oC)

26,3

26

26,2

26

26,2

26,1

26,1

26

26,3

26,0

26,2

26,0

26,2

26,2

26,1

26,0

Tbase,1 (oC)

58,6

58,3

58,8

58,2

59,8

60,4

60,4

59,6

Tbase,2 (oC)

60

62,4

62,8

58,5

55,7

56,6

64,4

64,1

Tbase,3 (oC)

60,6

61,2

62

62,4

63,5

64,3

64,2

63,5

Tbase,4 (oC)

59,1

58,6

58,6

58,6

59,3

59

57,4

57

Tbase,5 (oC)

59,5

59

58,9

59,2

59,5

59,5

58,4

58,3

Tbase,6 (oC)

59,7

58,8

57,9

57,4

57,1

57,1

57,6

57,8

Tbase,7 (oC)

62,4

62,2

62,3

64,5

62,7

62,4

60,8

62

Tbase,8 (oC)

59,8

58,7

58

58,3

58,5

57,8

56,4

56,6

Tbase,9 (oC)

60,9

60,6

61,1

63,4

63,5

63,3

61,6

61,6


60,1

60,0

60,0

60,1

60,0

60,0

60,1

60,1

Tin,rata-rata

(oC)

Tout,1

(oC)

36,4

35

35

34,4

34,2

33,8

32,6

32,5

Tout,2

(oC)

34,5

33

31,4

30,8

30,1

30

30

29,9

Tout,3

(oC)

35,7

34,2

32,3

31

31

30,6

30,6

30

Tout,4

(oC)

37,3

36,2

34,2

33,6

33,1

32,1

32,1

31,7

Tout,5

(oC)


39,7

37,7

37,4

35,3

34

34

33,9

33,5

36,7

35,2

34,1

33,0

32,5

32,1

31,8

31,5


1

2

3

4

5

5,5

6

Tegangan heater (V)

33

38

48

58

68

77

79

80

Arus heater

(A)

2

3,1

4,5

5

5,2

5,5

5,7

5,9

Tegangan fan

(V)

87

90

122

140

149

172

198

215

Arus fan

(A)

1,1

1,3

1,5

1,7

1,8

1,9

2

2,2


0,5

0,9

1,5

2,1

2,8

3,4

3,7

4,1

Tin,1

(oC)

26,2

26,2

26,1

26,3

26,3

26,2

26,3

26

Tin,2

(oC)

26,2

26,1

26

26,2

26,2

26,3

26,2

25,9

Tin,3

(oC)

26,2

26,2

26

26,2

26,3

26,3

26,2

26,1

26,2

26,2

26,0

26,2

26,3

26,3

26,2

26,0

Tbase,1 (oC)

54,6

54,2

53,4

53,2

53,2

52,3

52,8

52,5

Tbase,2 (oC)

57,3

56,5

55,7

56,6

56,5

54,5

55,2

54,4

Tbase,3 (oC)

59,8

59,2

58,3

58

57,8

56,6

56,7

56,7

Tin,rata-rata

(oC)

Tbase,4 (oC)

60

60,2

60,8

62,5

62,4

60,6

61,1

61

Tbase,5 (oC)

59,5

59,4

59

59,4

59,5

58,4

58,2

58,4

Tbase,6 (oC)

60,5

59,5

58,6

59,2

59

57,7

56,6

56,5

Tbase,7 (oC)

64

64,6

66

59,5

59,8

69,6

70,9

70,7

Tbase,8 (oC)

61,9

62,2

62,9

65,6

65,9

65,1

65,9

65,9

Tbase,9 (oC)

64

64,2

64,8

66

66,1

65,1

64,1

64,9

60,2

60,0

59,9

60,0

60,0

60,0

60,2

60,1


Tout,1

(oC)

33,8

33,3

32,6

32,5

32,2

31,8

31,6

31

Tout,2

(oC)

33,6

32,3

31,6

31,3

30,1

30

30

29,8

Tout,3

(oC)

33,5

33,1

31,8

31,2

30,3

30,2

30,1

30,1

Tout,4

(oC)

33,4

34,5

33,8

32,5

32,4

31,8

31,2

30,5

Tout,5

(oC)

33,8

32,7

32,5

32,1

31,8

31,5

31,5

30,8

33,6

33,2

32,5

31,9

31,4

31,1

30,9

30,4



1

2

3

4

5

5,5

6

Tegangan heater (V)

32

38

50

58

60

68

71

73

Arus heater

1,8

2,5

3,4

4,1

4,8

5

5,2

5,3

(A)

Tegangan fan

(V)

88

100

102

130

145

158

200

210

Arus fan

(A)

1,1

1,3

1,5

1,75

1,8

1,9

2

2,2


0,4

0,8

1,3

1,8

2,3

2,8

3

3,3

Tin,1

(oC)

26,2

26,1

26,2

26,1

26,2

26,3

26,2

26

Tin,2

(oC)

26,2

26,1

26,3

26,2

26,1

26,3

26,2

26,1

Tin,3

(oC)

26,3

26,2

26,3

26,1

26,2

26,2

26

26

26,2

26,1

26,3

26,1

26,2

26,2

26,1

26,0

Tbase,1 (oC)

61,2

61,6

63,3

62,9

63

61,3

64,4

64,6

Tbase,2 (oC)

59,1

59,1

55,6

59,5

59,6

56,7

57,3

56,6

Tbase,3 (oC)

59

59,4

60,2

58,6

58,7

62,8

60,8

62,2

Tbase,4 (oC)

61

61

61,5

60,3

60,3

61

62

61,8

Tbase,5 (oC)

59,3

59

58,1

58,8

58,9

56,9

58,5

59

Tbase,6 (oC)

58,2

58

59,1

57,8

57,8

58,6

57,6

57,8

Tbase,7 (oC)

61,1

60,2

61,2

59,8

60,2

61,6

59,3

59

Tbase,8 (oC)

59,2

58,8

61,7

59,4

59,5

61,4

57

56,6

Tbase,9 (oC)

62

62,2

60,7

62,2

62,2

60,9

64,2

63,7

60,0

59,9

60,2

59,9

60,0

60,1

60,1

60,1

33,8

32,3

32,1

31,6

31

30,4

30,1

30

Tin,rata-rata

(oC)


Tout,1

(oC)

Tout,2

(oC)

32,4

31,6

31,2

31

30,2

30,1

30

29,5

Tout,3

(oC)

32,2

31

30,2

30,2

30

30

29,8

29,5

Tout,4

(oC)

32,2

31,3

31,2

30,4

30,1

29,9

29,8

29,6

Tout,5

(oC)

33,7

32,2

32,2

31,4

31,2

31

30,6

30,4

32,9

31,7

31,4

30,9

30,5

30,3

30,1

29,8


5. Spesimen 5 Tabel 4.5.1 Data hasil pengujian spesimen 5 (plat tanpa sirip) Kecepatan aliran udara (m/s) 0,75

1,3

2,2

3,5

4,24

5,5

5,7

6,48

Tegangan heater (V)

20

25

34

38

41

48

50

52

Arus heater

(A)

1

1,5

2

2,6

2,8

3

3,1

3,3

Tegangan fan

(V)

88

108

125

140

152

162

190

200

Arus fan

(A)

1,2

1,3

1,6

1,7

1,8

1,9

2

2,2

Beda tingi fluida manometer (mm)

0,3

0,5

0,7

1,3

1,5

2

2,1

2,4

Tin,1

(oC)

26,3

26

26,2

26

26

26,1

25,9

26

Tin,2

(oC)

26,2

26

26,1

26

26

26,1

25,9

26

Tin,3

(oC)

26,3

25,9

26,1

25,9

26

26,2

26

26

26,3

26,0

26,1

26,0

26,0

26,1

25,9

26,0

Tin,rata-rata

(oC)

Tbase,1 (oC)

60,1

59,8

56,4

60,9

55,6

60

57,1

61,7

Tbase,2 (oC)

58,4

57,9

57,2

58,0

57,8

56,8

56,7

50,4

Tbase,3 (oC)

58,5

58

56,9

57,9

55,9

57,7

57,7

49,7

Tbase,4 (oC)

59,7

59,2

64,4

58,7

65,8

63

63,3

57,3

Tbase,5 (oC)

59,4

59,1

58,8

59,7

59,8

57,8

58,5

66,1

Tbase,6 (oC)

60,7

59,5

52,6

57,6

51,9

59

59,2

63,8

Tbase,7 (oC)

62,8

62,6

68,1

64,8

69,4

63,3

63,5

64,5

Tbase,8 (oC)

60,2

59,9

63,8

61,3

64

62,5

63,3

65,5

Tbase,9 (oC)

61,9

62,3

61,6

61,0

63

63,6

63,5

61,6


60,2

59,8

60,0

60,0

60,4

60,4

60,3

60,1

Tout,1

(oC)

27,5

27,5

27,6

27,6

27,7

27,8

27,6

27,5

Tout,2

(oC)

27,1

27

27,7

27,2

27,2

27,3

27,2

27,6

Tout,3

(oC)

27,5

27,4

27,8

27,7

27,7

27,8

27,5

27,2

Tout,4

(oC)

28,6

28,6

28,8

27,8

28

28

28

27,8

Tout,5

(oC)

28,3

27,8

27,9

27,4

27,5

27,4

27,3

27,4

27,8

27,7

28,0

27,5

27,6

27,7

27,5

27,5


6. Spesimen 5 Tabel 4.5.2 Lanjutan Data hasil pengujian spesimen 5 (plat tanpa sirip) Kecepatan aliran udara (m/s) 0,75

1,3

2,5

3,3

4,5

5,3

5,82

6,5

Tegangan heater (V)

20

23

33

36

40

44

48

53

Arus heater

(A)

1,1

1,7

2,2

2,7

3

3,2

3,3

3,4

Tegangan fan

(V)

75

79

98

102

147

180

195

218

Arus fan

(A)

1,2

1,4

1,7

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1


0,3

0,5

0,8

1,3

1,6

2,0

2,4

2,5

Tin,1

(oC)

26,1

25,9

26,1

26,2

26

26

26

26,1

Tin,2

(oC)

26,2

25,9

26,1

26

26

26

26,1

26,2

Tin,3

(oC)

26,2

25,8

26

25,9

25,9

26

26,1

26,2

26,2

25,9

26,1

26,0

26,0

26

26,1

26,2

Tbase,1 (oC)

56,6

56,6

56,4

59,8

60,8

55,6

55,6

61,7

Tbase,2 (oC)

58,5

59,2

57,2

57,9

57,4

57,8

57,8

50,7

Tbase,3 (oC)

56,1

56,4

56,9

58

57,3

55,9

55,9

49,4

Tbase,4 (oC)

63,6

64,7

64,4

59,2

59,1

65

65

56,3

Tbase,5 (oC)

60,6

58,3

58,8

59,1

59,5

59,8

59,8

66

Tbase,6 (oC)

53,9

53,4

52,6

59,5

57,1

51,9

56

63,5

Tin,rata-rata

(oC)

Tbase,7 (oC)

66,3

67,1

68,1

62,6

65,4

69,4

68,3

64,2

Tbase,8 (oC)

64,6

63,6

63,8

59,9

61,1

64

60

65,8

Tbase,9 (oC)

61,3

61,8

61,6

62,3

61,2

62

61,8

61,4


60,2

60,1

60,0

59,8

59,9

60,2

60,0

59,9

Tout,1

(oC)

27,2

27,1

27,2

27,4

27

27,3

27,5

28,5

Tout,2

(oC)

28,2

27,7

27,7

27,6

27,8

27,4

27,3

27,6

Tout,3

(oC)

27

27

27,5

27,5

26,8

27,5

27,6

27,3

Tout,4

(oC)

29,6

29,1

28,9

28,7

28,7

28,5

28,4

27,5

Tout,5

(oC)

27,3

27,3

27,2

27,5

27,3

27,2

27,3

27,4

27,9

27,6

27,7

27,7

27,5

27,6

27,6

27,7


7. Spesimen 5 Tabel 4.5.3 Lanjutan data hasil pengujian spesimen 5 (plat tanpa sirip) Kecepatan aliran udara (m/s) 0,8

1,4

2,3

3,5

4,55

5,5

5,8

6,5

Tegangan heater (V)

21

27

32

40

42

45

48

51

Arus heater

(A)

1

1,5

2,2

2,6

3

3,2

3,3

3,5

Tegangan fan

(V)

87

90

122

140

149

172

198

215

Arus fan

(A)

1,1

1,3

1,5

1,7

1,8

1,9

2

2,2


0,3

0,5

0,75

1,5

1,8

2,1

2,3

2,5

Tin,1

(oC)

26

26,2

26,1

26,1

26

26

26

26

Tin,2

(oC)

26

26,1

26,1

26

26

26

26

26

Tin,3

(oC)

26

26

26

26

26

26

26

26

26,0

26,1

26,1

26,0

26,0

26,0

26,0

26,0

Tbase,1 (oC)

60,4

60,2

56,6

60,8

60,9

60

55,6

60

Tbase,2 (oC)

58,4

58,6

57,1

57,4

57,7

56,8

57,8

56,8

Tbase,3 (oC)

58,5

58,3

57

57,3

57,6

57,7

55,9

57,6

Tbase,4 (oC)

59,9

60

64,5

59,1

59,4

63

65

62,9

Tbase,5 (oC)

59,4

59,5

58,8

59,5

59,7

57,8

59,8

57,8

Tbase,6 (oC)

60,7

61,1

52,6

57,1

57,4

59

51,9

59

Tbase,7 (oC)

63

62,8

68,3

65,4

65,5

63,3

69,4

63,2

Tbase,8 (oC)

60,2

60,4

63,6

61,1

61,4

62,5

64

62,5

Tbase,9 (oC)

62,9

62,5

61,7

61,2

61,5

63,6

62

63,5


60,4

60,4

60,0

59,9

60,1

60,4

60,2

60,4

Tin,rata-rata

(oC)

Tout,1

(oC)

27,8

28

28,1

27,2

27,3

27,3

27,3

27,5

Tout,2

(oC)

27,4

27,6

28

27,5

27,5

27,3

27,4

27,6

Tout,3

(oC)

27,7

28,2

27,1

27,5

27,4

27,5

27,6

27,3

Tout,4

(oC)

27,3

27,2

28,2

28,1

28

27,5

27,8

27,8

Tout,5

(oC)


27,2

27,6

28,2

28,2

27,7

28,3

28

27,5

27,5

27,7

27,9

27,7

27,6

27,6

27,6

27,5

8. Spesimen 5 Tabel 4.5.4 Lanjutan Data hasil pengujian spesimen 5 (plat tanpa sirip) Kecepatan aliran udara (m/s) 0,9

1,5

2,55

3,53

4,62

5,38

5,73

6,35

Tegangan heater (V)

20

28

33

40

43

47

48

50

Arus heater

(A)

1,1

1,4

2,2

2,5

3

3,1

3,3

3,4

Tegangan fan

(V)

88

100

102

130

145

158

200

210

Arus fan

(A)

1,1

1,3

1,5

1,75

1,8

1,9

2

2,2


0,4

0,5

0,9

1,5

1,8

2

2,3

2,4

Tin,1

(oC)

26,2

26,2

26,1

26

26

26

26

26

Tin,2

(oC)

26,1

26

26,1

26,1

26

26

25,9

26,1

Tin,3

(oC)

26

25,9

26

26

26

25,9

25,9

26,1

26,1

26,0

26,1

26,0

26,0

26,0

25,9

26,1

Tbase,1 (oC)

60,4

59,8

60,5

56,2

60,8

60,8

59,9

61,6

Tbase,2 (oC)

58,4

57,9

58,4

58,2

57,5

57,5

56,9

53,1

Tbase,3 (oC)

58,5

58

58,4

56,7

57,4

57,5

57,6

49,4

Tin,rata-rata

(oC)

Tbase,4 (oC)

59,9

59,2

58,7

64,4

59,1

59,1

63

56

Tbase,5 (oC)

59,4

59,1

58,7

58,8

59,7

59,5

57,8

66

Tbase,6 (oC)

60,7

59,5

57,7

52,6

57,2

57,2

59,2

63,3

Tbase,7 (oC)

63

62,6

63,2

68,1

65,4

65,4

63,1

63,7

Tbase,8 (oC)

60,2

59,9

59,8

63,8

61,4

61,3

62,4

65,4

Tbase,9 (oC)

62,9

62,3

61,6

61,6

61,4

61,2

63,3

61,5


60,4

59,8

59,7

60,0

60,0

59,9

60,4

60,0

Tout,1

(oC)

27,5

27,8

27,8

27,4

27,7

27,9

27,7

27,2

Tout,2

(oC)

27,3

27,5

27,7

27,5

27,4

27,4

27

27,1

Tout,3

(oC)

27,4

27,4

27,8

27,7

27,6

27,6

27,5

28,4

Tout,4

(oC)

27,6

27,3

27,6

28,2

27,7

27,4

27,4

27,8

Tout,5

(oC)

28

27,6

27,6

27,8

27,5

27,6

28,4

27,9

27,6

27,5

27,7

27,7

27,6

27,6

27,6

27,7


4.2. Perhitungan Data Berikut contoh perhitungan untuk spesimen 1 dan spesimen 5 Data spesimen dan seksi uji: Panjang seksi uji (Lt)

= 250 mm

Tinggi sirip (H)

= 75 mm = 0,075 m

Sisi-sisi sirip diamond

(S)

= 0,25 m

= 12,7 mm x 12,7 mm

= 0,0127 m x 0,0127 m Panjang spesimen (L)

= 200 mm

= 0,2 m

Lebar spesimen (Wb)

= 150 mm

= 0,15 m

Contoh perhitungan 1. Spesimen 1 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 1,97) pada kecepatan aliran udara 0,5 m/s Data hasil pengujian: Tegangan heater = Vh

= 39 V

Tin, rata-rata

= Tin = 26,4 oC

= 299,4 K

Arus heater

= Ih = 2,2 A

Tout,, rata-rata = Tout = 36,4 oC

= 309,4 K

Tegangan fan

= Vf = 88 V

Tbase, rata-rata = Tb = 60,1 oC

= 333,1 K

Arus fan

= If

= 1,16 A

Beda ketinggian fluida manometer = h = 0,8 mm · Pumping power

Pfan = V f . I f . cosj = 88 V x 1,16 A x 0,8 = 81, 664 W · Temperatur film

Tf =

=

(T

in

+ Tout ) 2

(299,4 + 309,4 ) K 2

= 304,4 K · Properti udara ρ@299,4 = 1,1641996

(tabel Incropera)

C p = [9,8185 + 7,7 x10 -4 x (Tin + Tout ) 2] x10 2 = [9,8185 + 7,7 x 10 -4 x 304,4] x 10 2

= 1005,2888 J kg.K k = [3,7415 + 7,495 x 10 -2 x (Tin + Tout ) 2] x 10 -3

= [3,7415 + 7,495 x 10 -2 x 304,4] x10 -3

= 0,02655628 W m.K

m = [4,9934 + 4,483 x 10 -2 x (Tin + Tout ) 2] x 10 -6 = [4,9934 + 4,483 x 10-2 x 304,4] x10-6

= 0,00001864 kg m.s · Luas penampang melintang saluran udara

A = H .Wb

= 0,075 m x 0,15 m = 0,01125 m 2 · Luas total permukaan perpindahan panas As = Wb.L + 2(a+b).H.Nf – (a.b).Nf

= 0,15 m x 0,2 m + 2(0,0127 m + 0,0127 m) x 0,075 x 28 - (0,0127 m) 2 x 28 = 0,132 m 2 · Diameter hidrolik saluran udara

Dh =

4A P

=

4 .H .Wb 2 (H + Wb )

=

4 x 0,075 m x 0,15 m 2 x (0,075 m + 0,15 m )

= 0,1 m

· Laju aliran panas dari heater

Qelect = Vh . I h . cosj

= 39 V x 2,2 A x 0,8 = 68,64 Watt · Laju aliran massa udara

m& = r . A . V

= 1,1641996 kg m 3 x 0,01125 m 2 x 0,5 m s

= 0,00655 kg s · Laju perpindahan panas konveksi

Qconv = m& . C p . (Tout - Tin ) = 0,00655 kg s x 1005,2888 J kg.K x (309,4 - 299,4 ) K

= 65,85 W · Heat losses yang terjadi pada seksi uji

Qloss =

=

Qelect - Qconv x 100 % Qconv

68,64W - 65,85W x 100 % 65,85W

= 4,2 % · Koefisien perpindahan panas konveksi rata - rata


ha =

=

As . [Tb - ((Tout + Tin ) 2)]

0,00655 kg s x 1005,2888 J kg.K (309,4 - 299,4) K 0,132 m 2 x [333,1 K - ((309,4 + 299,4) K 2)]

= 17,4 W m 2 .K · Bilangan Nusselt Ø Duct Nusselt number

Nu =

=

ha . Dh k

17,4 W m 2 .K x 0,1 m 2 0,02655628 W m.K

= 65,5 · Bilangan Reynolds Ø Duct Reynolds number

Re =

=

r .V . Dh m 1,1641996 kg m 3 x 0,5 m s x 0,1 m 2 0,00001864 kg m.s

= 3123,0

· Penurunan tekanan

DP = r . g . h = 800 kg m 3 x 9,81 m s 2 x 0,0008 m

= 6,2784 Pa · Faktor gesekan

f =

=

ΔP éæ Lt êçç êëè Dh


öù ÷ú ÷ú øû 6,2784 Pa

éæ 0,25 m öæ (0,5 m s )2 3 ç ç ÷ 1 , 1641996 kg m x êç ÷ç 2 êëè 0,1 m øè

öù ÷ú ÷ øúû

= 17,257

2. Spesimen tanpa sirip pada pumping power = 81,664 W Data hasil pengujian: Tegangan heater = Vh

= 20 V

Tin, rata-rata

= Tin = 26,3 oC

= 299,3 K

Arus heater

= Ih = 1 A

Tout,, rata-rata = Tout = 27,8 oC

= 300,8 K

Tegangan fan

= Vf = 88 V

Tbase, rata-rata = Tb = 60,2 oC

= 333,2 K

Arus fan

= If

= 1,16 A

Beda tekanan ketinggian fluida manometer = h · Temperatur film

Tf =

(T

in

+ Tout ) 2

= 0,25 mm

=

(299,3 + 300,8)K 2

= 300,1 K · Properti udara ρ@299,3K = 1,164821733 kg/m3

(tabel Incropera)

C p = [9,8185 + 7,7 x10 -4 x (Tin + Tout ) 2] x10 2 = [9,8185 + 7,7 x10 -4 x 300,1] x10 2

= 1004,9577 J kg.K k = [3,7415 + 7,495 x 10 -2 x (Tin + Tout ) 2] x 10 -3

= [3,7415 + 7,495 x10-2 x 300,1] x10-3

= 0,026233995 W m.K

m = [4,9934 + 4,483 x 10 -2 x (Tin + Tout ) 2] x 10 -6 = [4,9934 + 4,483 x 10-2 x 300,1] x10-6

= 0,000018446 kg m.s · Luas penampang melintang saluran udara

A = H .Wb

= 0,075 m . 0,15 m = 0,01125 m 2 · Luas total permukaan perpindahan panas

As = L .Wb

= 0,2 m x 0,15 m

= 0,03 m 2 · Diameter hidrolik saluran udara

Dh =

4A P

=

4 .H .Wb 2 (H + Wb )

=

4 x 0,075 m x 0,15 m 2 x (0,075 m + 0,15 m )

= 0,1 m · Laju aliran panas dari heater

Qelect = Vh . I h . cosj

= 20 V x 1 A x 0,8 = 16 W · Laju aliran massa udara

m& = r . A .V

= 1,164821733 kg m 3 x 0,01125 m 2 x 0,75 m s

= 0,00983 kg s · Perpindahan panas konveksi

Qconv = m& . C p . (Tout - Tin ) = 0,00983 kg s x 1004,9577 J kg.K x (300,8 - 299,3) K

= 14,82 W · Heat loss yang terjadi

Qloss =

=

Qelect - Qconv x 100 % Qconv 16W - 14,82 W x 100 % 14,82W

= 7,96% · Koefisien perpindahan panas konveksi rata - rata

hs =

=


As . [Tb - ((Tout + Tin ) 2)]

0,00983 kg s x 1004,9577 J kg.K (300,8 - 299,3) K 0,03 m2 x [333,2 K - ((300,8 + 299,3) K 2)]

= 14,92 W m 2 .K · Bilangan Reynolds Ø Duct Reynolds number

Re =

=

r .V . Dh m 1,164821733kg m3 x 0,75 m s x 0,1m 2 0,000018446kg m.s

= 4736,1 · Bilangan Nusselt Ø Duct Nusselt number

Nu =

=

hs . D h k

14,92 W m 2 .K x 0,1m 2 0,026233995W m.K

= 56,87

· Penurunan tekanan

DP = r . g . h = 800 kg m 3 x 9,81 m s 2 x 0,00025 m

= 1,962 Pa · Faktor gesekan

f =

=

ΔP éæ Lt êçç êëè Dh


öù ÷ú ÷ú øû 1,962Pa

éæ 0,25 m öæ (0,75 m s )2 ö÷ù ÷÷çç1,164821733 kg m 3 x êçç ÷ú 2 ø úû ëêè 0,1 m øè

= 2,3956 · Unjuk kerja termal pada pin-fin array

h = (ha hs ) p =

17,4 W m 2 .K 14,92 W m 2 .K

= 1,166 4.3 Analisis Data 4.3.1. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas Sirip-sirip dipasang secara vertikal pada permukaan base plate sehingga mempunyai nilai perbandingan jarak antar titik pusat sirip pin diamond dalam arah streamwise dengan base diameter sirip (Sy/D) untuk susunan sirip segaris, Sy/D , sebesar 1,97, 2,36, 2,95 dan 3,94, sedangkan nilai perbandingan jarak antar titik pusat sirip pin diamond dalam arah spanwise dengan base diameter, Sx/D , konstan sebesar 2,95.

Pengaruh bilangan Reynolds terhadap karakteristik perpindahan panas pada sirip-sirip pin diamond susunan segaris dapat dilihat pada gambar 4.2. Karakteristik perpindahan panas pada sirip-sirip pin diamond susunan segaris dapat dilihat dari hubungan antara duct Nusselt number dan duct Reynolds number.

Gambar 4.2 Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap bilangan Nusselt

pada Sx/D = 2,95 Dari gambar 4.2 dapat dilihat bahwa bilangan Nusselt meningkat dengan kenaikan bilangan Reynolds, hal ini terjadi pada keseluruhan nilai Sy/D, Peningkatan perpindahan panas ini berasal dari penurunan tebal lapis batas dengan kenaikan laju aliran udara (Bilen, 2002), Dari fenomena ini terlihat bahwa bilangan Reynolds berpengaruh kuat pada laju perpindahan panas.

Gambar 4.3 Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata pada Sx/D = 2,95

Dari gambar 4.3 dapat dilihat bahwa dengan kenaikan bilangan Reynolds, maka nilai koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) semakin besar. Semakin besar nilai koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata, maka semakin besar laju perpindahan panas konveksi yang terjadi. Gambar 4.4 menunjukkan kelakuan bilangan Nusselt rata-rata terhadap Sy/D pada bilangan Reynolds yang berbeda-beda untuk susunan sirip pin diamond segaris. Dari gambar 4.4 dapat dilihat bahwa nilai Sy/D mempunyai pengaruh yang sedang (moderate effect) terhadap perpindahan panas (Nu). Bilangan Nusselt naik sedikit dengan kenaikan Sy/D, mencapai maksimum pada Sy/D = 2,36 dan kemudian menurun dengan kenaikan Sy/D. Sirip-sirip pin, setelah baris pertama dari susunan sirip, adalah dalam jalur turbulen dari aliran bagian depan sirip-sirip pin (upstream pin fins). Untuk nilai Sy yang sedang (moderate), koefisien konveksi yang berkaitan dengan aliran di baris sirip bagian belakang (downstream row) dipertinggi sebagai hasil aliran turbulen. Akan tetapi, untuk

nilai Sy yang kecil, baris-baris di bagian depan (upstream rows) akan menghalangi laju aliran udara pada baris-baris di bagian belakang (downnstream rows) dan laju perpindahan panas akan berkurang (Babus’Haq, R.F., 1995). Sehingga, lintasan aliran yang diinginkan (prefered flowpath) dalam jalur antara sirip-sirip pin, sangat banyak permukaan sirip-sirip pin tidak terkena aliran utama (main flow) terutama pada barisbaris bagian belakang. Untuk susunan segaris, lintasan dari aliran utama lurus. Koefisien perpindahan panas konveksi (h) akan meningkat seiring dengan semakin kecil jarak antar titik pusat sirip pin dalam arah streamwise (Sy) atau semakin banyak sirip pin yang dipakai sampai pada nilai tertentu dan mencapai maksimal dimana penambahan sirip pin lebih lanjut atau nilai Sy yang semakin kecil akan menurunkan koefisien perpindahan panas konveksinya. 500

Re

450

3139

Nu

400 350

6290

300

12576

250

18888

200

25192

150

31483

100

34664

50

37847

0 1,75

2,25

2,75

3,25

3,75

4,25

4,75

Sy/d

Gambar 4.4 Grafik pengaruh nilai Sy/D terhadap bilangan Nusselt pada Sx/D = 2,95 Dari data-data penelitian ini dapat diperoleh korelasi matematis untuk karakteristik perpindahan panas dari sirip-sirip pin diamond susunan segaris. Korelasi antara bilangan Nusselt (Nu) dengan bilangan Reynolds (Re), jarak antar titik pusat sirip (Sy) dan panjang spesimen uji (L) adalah sebagai sebagai berikut :

Nu = 0,345 Re 0,687 (Sy/L)-0,125

(4.1)

Korelasi perpindahan panas pada persamaan (4.1) berlaku valid untuk range bilangan Reynold 3.123 ≤ Re ≤ 37.847, L/Dh = 2 dan 1,97 ≤ Sy/D ≤ 3,94

4.3.2. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Karakteristik Penurunan Tekanan

Pengaruh bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah streamwise terhadap penurunan tekanan (pressure drop) dan faktor gesekan dari siripsirip pin diamond susunan segaris berturut-turut dapat dilihat pada gambar 4.5 dan 4.6. Kelakuan penurunan tekanan (DP) terhadap bilangan Reynolds (Re) serupa dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Yang et al (2007). Dari gambar 4.5 dapat dilihat bahwa penambahan sirip-sirip pin diamond dengan susunan segaris, menyebabkan penurunan tekanan (pressure drop) yang signifikan dibandingkan dengan permukaan tanpa siripsirip (smooth surface). Kelakuan faktor gesekan terhadap bilangan Reynolds pada gambar 4.6 serupa dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Kakac et al (1987). Nilai penurunan tekanan (DP) dan faktor gesekan (f) akan semakin menurun dengan kenaikan nilai Sy/D. Hal ini disebabkan dengan semakin besar nilai Sy/D, maka jumlah sirip-sirip pin diamond akan semakin berkurang, sehingga tahanan terhadap aliran udara (resistance to flow) akan semakin berkurang (Bilen, 2002).

Gambar 4.5 Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap penurunan tekanan pada Sx/D = 2,95.

Dari gambar 4.6 dapat dilihat bahwa nilai Sy/D lebih berpengaruh dibandingkan bilangan Reynolds terhadap nilai faktor gesekan (f). Hal ini menunjukkan bahwa kenaikan faktor gesekan (f) seiring dengan berkurangnya nilai Sy/D pada dasarnya disebabkan karena meningkatnya luas permukaan halangan dan efek halangan (blockage effect) akibat kenaikan jumlah sirip-sirip pin diamond.

Gambar 4.6 Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor gesekan pada Sx/D = 2,95 Dari data-data penelitian dapat dibuat korelasi matematis antara faktor gesekan (f) yang dihasilkan oleh sirip-sirip pin diamond susunan segaris dengan bilangan Reynolds (Re), jarak antar titik pusat sirip (Sy) dan panjang spesimen uji (L) sebagai berikut f = 3,083E5Re-1,132Sy/L-1,043

(4.2)

Korelasi faktor gesekan pada persamaan (4.2) berlaku valid untuk range bilangan Reynolds 3.123 ≤ Re ≤ 37.847, L/Dh = 2 dan 1,97 ≤ Sy/D ≤ 3,94

4.3.3. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip Dalam Arah Streamwise Terhadap Unjuk Kerja Termal

Dari data penelitian dapat diambil kesimpulan mengenai pengaruh bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah streamwise terhadap unjuk kerja umum dari sistem dan dapat dievaluasi perolehan energi netto karena penambahan

sirip-sirip. Peningkatan perpindahan panas disertai oleh kenaikan penurunan tekanan yang signifikan, dimana dapat mengeliminasi perolehan energi karena peningkatan laju perpindahan panas. Untuk tujuan aplikasi praktis, analisis unjuk kerja termal menjadi sebuah pemikiran yang berguna untuk menentukan perolehan energi netto karena adanya penambahan sirip-sirip.

Gambar 4.7 Grafik pengaruh bilangan Reynolds terhadap unjuk kerja termal pada Sx/D = 2,95 Pada gambar 4.7 menunjukkan hubungan antara unjuk kerja termal (h) dengan bilangan Reynolds (Re) pada nilai Sy/D yang berbeda-beda untuk sirip-sirip pin diamond susunan segaris. Perlu ditekankan lagi disini bahwa untuk perolehan energi netto yaitu untuk perpindahan panas yang efektif, nilai h harus lebih besar dari 1 (batas ambang perolehan energi). Dari gambar 4.7 dapat dilihat bahwa nilai h menurun dengan kenaikan bilangan Reynolds (Re), dimana nilai h bervariasi antara 0,77 dan 1,22 untuk keseluruhan Sy/D dan Re yang diteliti. Untuk Sy/D > 1,97 dan Re > 25.000, nilai h lebih kecil dari 1 dan bervariasi antara 0,77 dan 0,99. Ini berarti bahwa pemakaian sirip-sirip pin diamond susunan segaris dengan Sy/D > 1,97 untuk Re > 25.000 akan menyebabkan

kehilangan energi daripada perolehan energi. Untuk Sy/D = 3,94, nilai h lebih kecil dari 1 untuk keseluruhan Re dan bervariasi antara 0,77 dan 0,94, ini berarti bahwa pemakaian sirip-sirip pin diamond susunan segaris dengan Sy/D = 3,94 akan menyebabkan kehilangan energi daripada perolehan energi. Nilai h lebih besar dari 1 hanya untuk Sy/D = 1,97 pada Re < 18.830, Sy/D = 2,36 pada Re < 25.000, dan Sy/D = 2,95 pada Re < 3.150. Sehingga direkomendasikan untuk memperbaiki efisiensi dari suatu sistem dengan menggunakan sirip-sirip pin diamond susunan segaris dibatasi pada spesifikasi Sy/D = 1,97 pada Re < 18.830, Sy/D = 2,36 pada Re < 25.000, dan Sy/D = 2,95 pada Re < 3.150. Dari gambar 4.7 dapat dilihat bahwa pada Sy/D = 2,36 menghasilkan unjuk kerja termal yang paling tinggi untuk keseluruhan Re, sehingga direkomendasikan penggunaan sirip-sirip pin diamond susunan segaris dengan nilai Sy/D = 2,36 untuk memperbaiki efisiensi suatu sistem. Perolehan energi netto dapat dicapai hingga 22% untuk nilai Sy/D = 2,36 pada Re = 3.123.

3. 11 BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan Berdasarkan analisis data dan pembahasan, dapat diambil kesimpulan mengenai pengujian karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari sirip-sirip pin diamond susunan segaris dalam saluran segiempat sebagai berikut : 1. Sirip-sirip pin diamond susunan segaris meningkatkan laju perpindahan panas dari permukaan base plate sebagai hasil dari kenaikan luasan permukaan perpindahan panas dan turbulensi, tetapi dengan mengorbankan penurunan tekanan (pressure drop) yang lebih besar dalam saluran segiempat. 2. Kenaikan bilangan Reynolds (Re) meningkatkan laju perpindahan panas, tetapi kenaikan nilai Sy/D meningkatkan perpindahan panas hingga Sy/D = 2,36 setelah itu kenaikan nilai Sy/D lebih lanjut akan menyebabkan penurunan laju perpindahan panas. 3. Penurunan tekanan dan faktor gesekan (f) meningkat seiring dengan berkurangnya nilai Sy/D. 4. Kenaikan bilangan Reynolds (Re) akan menurunkan unjuk kerja termal (h) untuk keseluruhan nilai Sy/D. 5. Sirip-sirip pin diamond susunan segaris dapat mencapai perolehan energi netto hingga 22% untuk nilai Sy/D = 2,36 pada Re = 3.123.

5.2 Saran

Berdasarkan pengalaman yang diperoleh dari penelitian tentang pengujian karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan pada sirip-sirip pin diamond susunan segaris dalam saluran segiempat ini, direkomendasikan beberapa saran sebagai berikut : 1. Menggunakan data akusisi agar pengambilan data temperatur menjadi lebih mudah dan akurat. 2. Peningkatan kualitas pendingin ruangan dan pengadaan pemanas ruangan agar temperatur ruangan yang dikehendaki untuk pengambilan data dapat tercapai dalam semua kondisi cuaca. 3. Perlu adanya pengembangan penelitian mengenai pengaruh variasi geometri, jarak antar titik pusat pin terhadap perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal.

DAFTAR PUSTAKA

Babus’, R.F., Akintunde, K., and Probert, S.D., 1995, Thermal Performance of a Pin Fin Assembly, Int. J. Heat and Fluid Flow, vol. 16, pp. 50 – 55. Bilen Kadir, Akyol Ugur, Yapici Sinan, 2002, Thermal Performance Analysis of A Tube Finned Surface, Energy Conversion & Management, Vol. 26, pp. 321-333. Chyu, M.K., Hsing, Y.C., and Natarajan, V., 1998, Convective heat transfer of cubic fin arrays in a narrow channel, ASME Journal of Turbomachinery, Vol. 120, pp. 362-367 Hwang, J.J., Lui, C.C., 1999, Detailed heat transfer characteristic comparison in straight and 90-deg turned trapezoidal ducts with pin-fin arrays, Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 42, pp. 4005-4016 Incropera, F.P., DeWitt, D.P., 2007, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th Ed, John Willey and Sons, New York

Jeng., M.T., 2006, Thermal performance of in-line diamond-shaped pin fins in a rectangular duct, International Communications in Heat and Mass Transfer , Vol 33, pp. 1139–1146 Kakac, S., Shah, R.K., and Aung, W., 1987, Handbook of Single Phase Convective Heat Transfer, John Wiley and Sons, New York. Krauss, A.D., Aziz, A. and Welty, J., 2006, Extended Surface Heat Transfer, 5th Ed, John Wiley & Son, Inc., England Lyall, M.E., 2006, Heat Transfer from Low Aspect Ratio Pin Fins, M.S. Thesis, Department of Mechanical Engineering, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, Virginia Naik.S., Propert, SD, Shilston, MJ, 1987, Forced convective steady state heat transfer from shrouded vertically fin arrays, aligned paralel to an undisturbed air stream, Applied Energy, Vol. 26, pp. 137-158 Naphon, P. and Sookkasem, A.,2007, Investigation on heat transfer characteristics of tapered cylinder pin fin heat sinks, Energy Conversion and Management, Vol 48, pp2671–2679

Tanda, G.,2000, Heat transfer and pressure drop in a rectangular channel with diamond-shape elements, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol 44, pp.3529-3541 Yang, K.S., Chu, W.H., Chen, I.Y., and Wang, C.C., 2007, A Comparative Study of the Airside Performance of Heat Sinks having Pin Fin Configurations, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 50, pp. 4661–4667.

PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI SIRIP - SIRIP PIN DIAMOND SUSUNAN SEGARIS DALAM SALURAN SEGIEMPAT

Recommend Documents