SKRIPSI. Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik. Oleh: DHIMAS HUDA ANDITAMA NIM. I

perpustakaan.uns.ac.id

digilib.uns.ac.id

PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK SALURAN ANNULAR DENGAN PERFORATED TWISTED TAPE INSERT, NOTCHED TWISTED TAPE INSERT, DAN JAGGED TWISTED TAPE INSERT

SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

Oleh: DHIMAS HUDA ANDITAMA NIM. I0407033

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA commit to user 2012


digilib.uns.ac.id

BAB I PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang Masalah Penukar kalor adalah alat yang berfungsi untuk mengubah temperatur

fluida dengan cara mempertukarkan panas dengan fluida lainnya, baik melalui suatu dinding pembatas maupun tanpa dinding pembatas dimana fluida-fluida tersebut mempunyai temperatur yang berbeda. Aplikasi penukar kalor telah banyak dijumpai dalam kehidupan sehari-hari, dan merupakan salah satu faktor penting dalam perkembangan teknologi khususnya dalam bidang pertukaran kalor. Bentuk-bentuk aplikasi dari penukar kalor seperti, sistem pendingin, otomotif, proses industri, dan pemanas air tenaga surya. Semakin berkembangnya bentuk aplikasi dari sistem penukar kalor harus selalu diikuti dengan perkembangan teknologi untuk meningkatkan perpindahan panas (heat transfer enhancement technology). Saat ini, telah banyak penelitian untuk

meningkatkan proses

pertukaran kalor baik secara pasif, aktif maupun campuran sampai pada percobaan untuk mengurangi ukuran dan biaya dari sebuah penukar kalor. Pada teknik aktif, peningkatan perpindahan panas dilakukan dengan memberikan tambahan energi aliran ke fluida, sedangkan pada teknik pasif, peningkatan perpindahan panas diperoleh tanpa menyediakan tambahan energi aliran. Dalam teknik campuran, dua atau lebih dari teknik aktif dan pasif digunakan secara simultan untuk menghasilkan peningkatan perpindahan panas, dimana peningkatan perpindahan panas lebih tinggi daripada jika teknik-teknik peningkatan perpindahan panas dioperasikan secara terpisah. Tujuan utama dari perkembangan teknologi perpindahan panas adalah meningkatkan proses perpindahan panas sampai titik optimum, dimana perkembangan-perkembangan tersebut mengarah pada efektivitas alat penukar kalor yang semakin tinggi nilainya. Efektivitas perpindahan kalor dari sebuah alat penukar kalor dipengaruhi oleh banyak hal. Salah satunya adalah jenis aliran yang berada di dalam alat penukar kalor. Aliran yang turbulen diketahui memiliki nilai perpindahan kalor yang lebih baik dibandingkan dengan jenis aliran laminar. Dengan meningkatkan commit to user

1


digilib.uns.ac.id 2

turbulensi aliran fluida dalam pipa diharapkan koefisien perpindahan kalor konveksinya akan meningkat. Salah satu jenis teknik pasif dalam peningkatan perpindahan panas adalah dengan menggunakan sisipan (insert). Sisipan pita terpilin (twisted tape insert) adalah salah satu jenis sisipan yang banyak digunakan untuk meningkatkan perpindahan panas dalam sebuah penukar kalor, hal ini dikarenakan twisted tape insert ringkas, murah, dan perawatannya mudah. Twisted tape insert di dalam pipa penukar kalor telah digunakan secara luas sebagai alat untuk memutar aliran (swirl flow) secara kontinyu untuk meningkatkan laju perpindahan panas dengan meningkatkan turbulensi aliran di dalam pipa, sehingga nilai efektivitas dari alat penukar kalor tersebut meningkat. Twisted tape insert terbukti dapat meningkatkan perpindahan panas dalam sebuah penukar kalor, walau dengan mengorbankan penurunan tekanan (pressure drop) yang besar. Penurunan tekanan ini sangat berpengaruh terhadap besarnya energi dari pompa yang digunakan untuk mengalirkan fluida tersebut atau yang biasa disebut dengan daya pemompaan (pumping power). Sekarang banyak dilakukan modifikasi twisted tape insert yang bertujuan untuk mengurangi penurunan tekanan yang terjadi akibat penambahan twisted tape insert, atau untuk lebih menaikkan perpindahan panas yang terjadi dalam sebuah penukar kalor. Salah satu cara untuk mengurangi penurunan tekanan adalah dengan pemberian lubang, baik di sepanjang garis tengah twisted tape insert yang dikenal dengan perforated twisted tape insert, maupun di bagian tepi twisted tape insert yang dikenal dengan notch twisted tape insert. Pemberian lubang ini bertujuan untuk mengurangi efek halangan (blocking effect) aliran dari dinding twisted tape insert (Rahimi, dkk 2009). Untuk menaikkan perpindahan panas, dapat dilakukan dengan memotong tepi dari twisted tape insert, dan dilengkungkan ke atas untuk mengganggu gerakan fluida dekat dengan pipa, yang dikenal dengan jagged twisted tape insert. Oleh karena itu, penelitian ini akan menguji pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam (inner tube) dan pengaruh penambahan notched twisted insert, perforated twisted tape insert dan jagged twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran annular terhadap karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekannya. commit to user


1.2

digilib.uns.ac.id 3

Perumusan Masalah Bagaimanakah pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa

dalam dan pengaruh penambahan notched twisted tape insert, perforated twisted tape insert, dan jagged twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran annular terhadap karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekannya. 1.3

Batasan Masalah Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut ini :

1. Alat penukar kalor berupa pipa konsentrik (concentric tube heat exchanger) satu laluan dengan bentuk penampang pipa adalah lingkaran dengan lebar celah antar pipa konstan sebesar 3,8 mm, diameter hidrolik annulus 7,6 mm, dengan panjang penukar kalor 2.110 mm, dan jarak pengukuran penurunan tekanan di pipa dalam sebesar 2.240 mm. 2. Pipa-pipa yang digunakan terbuat dari aluminium dimana dimensi pipa luar; diameter luar 25,4 mm dan diameter dalam 23,4 mm, dan pipa dalam ; diameter luar 15,8 mm dan diameter dalam 14,3 mm. 3. Classic twisted tape insert, notched twisted tape insert, perforated twisted tape insert dan jagged twisted tape insert terbuat dari aluminium strip dengan panjang pitch 50,35 mm dan mempunyai rasio pilinan (twist ratio) 4,0. 4. Arah aliran kedua fluida dalam alat penukar kalor adalah berlawanan arah (counter flow). 5. Pipa luar diisolasi dengan glasswool dengan ketebalan 80 mm sehingga perpindahan panas ke lingkungan diminimalisasi. 6. Pengujian dilakukan pada posisi penukar kalor mendatar. 7. Fluida yang digunakan dalam pengujian ini adalah air panas dan air dingin. 8. Parameter yang dibuat konstan yaitu debit aliran air dingin di annulus dan temperatur air panas masuk ke pipa dalam sebesar 60 oC. 9. Faktor pengotoran (fouling factor) diabaikan. 10. Jumlah titik pembacaan temperatur yang akan diamati pada pengujian ini adalah 14 titik yaitu: 2 titik untuk mengukur temperatur air dingin dan air commit to user panas masuk seksi uji, dan 2 titik untuk mengukur temperatur air dingin dan


digilib.uns.ac.id 4

air panas keluar dari seksi uji sedangkan 10 titik lagi dipasang di sepanjang dinding luar pipa dalam secara selang-seling.

1.4

Tujuan dan Manfaat Penelitian ini bertujuan untuk: 1. Mengetahui pengaruh bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan pengaruh penambahan notched twisted insert, perforated twisted tape insert dan jagged twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran annular terhadap karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekannya. 2. Membandingkan karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan dengan penambahan notched twisted insert, perforated twisted tape insert, dan jagged twisted tape insert terhadap karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan dari penukar kalor pipa konsentrik saluran annular tanpa penambahan twisted tape insert (plain tube) dan dengan penambahan classic twisted tape insert. Hasil penelitian yang didapat diharapkan memberi manfaat sebagai berikut: 1.

Mampu memberikan pengetahuan baru yang berguna dalam ilmu penukar kalor khususnya mengenai metode peningkatan perpindahan panas secara pasif dengan menggunakan sisipan pita terpilin yang dimodifikasi (modified twisted tape insert).

2.

Dapat

diterapkan

pada

penukar

kalor

untuk

meningkatkan

perpindahan panas yang murah, perawatan mudah dan ringkas. 1.5

Sistematika Penulisan Sistematika penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut : BAB I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian, serta sistematika penulisan. BAB II : Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan pengujian alat penukar kalor dengan twisted tape insert, teori tentang metodecommit peningkatan to user perpindahan panas pada penukar


digilib.uns.ac.id 5

kalor, aliran dalam sebuah pipa (internal flow), dan karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor. BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan, tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan 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.

commit to user


digilib.uns.ac.id

BAB II LANDASAN TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka Naphon (2006) melakukan penelitian untuk menyelidiki karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan pada penukar kalor pipa ganda (double pipes heat exchanger) tanpa twisted tape insert, dan twisted tape insert dengan berbagai nilai pitch. Seksi uji yang digunakan adalah pipa tembaga lurus dengan panjang 2.000 mm dan ukuran diameter pipa dalam dan pipa luar berturut-turut adalah 8,10 mm dan 9,54 mm. Twisted tape insert berupa aluminium strip dengan tebal 1 mm dan panjang 2.000 mm. Dalam pengujian tersebut fluida yang digunakan adalah air panas pada suhu 40 oC dan 45 oC dan air dingin dengan suhu 15 oC dan 20 oC, dan variasi pitch dari twisted tape insert yaitu 2,5 cm dan 3,0 cm. Hasil penelitian menunjukkan bahwa twisted tape insert mempunyai pengaruh yang besar terhadap peningkatan laju perpindahan panas, akan tetapi penurunan tekanan yang terjadi juga bertambah besar. Semakin besar bilangan Reynolds maka laju perpindahan panas semakin tinggi, dimana twisted tape insert dengan pitch 2,5 cm mempunyai laju perpindahan panas yang paling tinggi. Hal ini juga terjadi pada koefisien perpindahan panas, semakin tinggi bilangan Reynolds maka koefisien perpindahan panas semakin tinggi pula. Namun semakin tinggi bilangan Reynolds maka faktor gesekan semakin rendah. Pada penelitian ini terlihat jelas pengaruh ada tidaknya twisted tape insert terhadap faktor gesekan dan koefisien perpindahan panas. Ahamed dkk (2007) melakukan penelitian mengenai perpindahan panas aliran turbulen pada sebuah pipa dengan menyisipkan perforated twisted tape insert. Penelitian menggunakan 7 variasi perforated twisted tape insert yang mempunyai twist ratio sama sebesar 4,55 dimana setiap variasi dilubangi secara merata dan teratur dengan ukuran diameter antara 3 mm sampai 9 mm dengan jarak antar pusat lubang dalam arah horisontal dan vertikal berturut-turut adalah 15 dan 20 mm. Twisted tape insert memiliki dimensi panjang 1.500 mm dan lebar 55 mm dengan material baja lunak (mild steel). Seksi uji berupa pipa dengan diameter 70 mm dan panjang 1.500 mm yang diapit oleh flange yang terbuat dari asbestos dengan commit to user 6


digilib.uns.ac.id 7

ketebalan 3,5 mm sebagai media untuk mengurangi kehilangan panas (heat loss) dan mencegah kebocoran udara dalam arah horisontal. Sedangkan untuk mengurangi panas dan kebocoran udara secara radial, maka pipa dilapisi plester mika, fiber dan asbes secara berurutan setelah kawat nichrome yang melilit pipa dengan jarak antar lilitan 16 mm yang diatur oleh transformator sebagai sumber panas. Fluida yang digunakan adalah udara dan terdapat 8 titik pengambilan data dimana variasinya adalah perubahan debit aliran udara yang diatur oleh katup pengatur. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kenaikan debit aliran udara, maka angka Reynolds akan meningkat dimana dengan kenaikan angka Reynolds kemampuan udara untuk menyerap panas dari permukaan pipa lebih baik. Pada angka Reynolds yang sama, koefisien perpindahan panas pipa dengan perforated twisted tape insert meningkat sampai 5,5 kali dibandingkan plain tube dan daya pemompaan juga meningkat sampai 1,8 kali, serta efektifitas dari penukar kalor akan meningkat sampai 4,0 kali. Murugesan dkk (2009) melakukan penelitian karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan pada penukar kalor pipa ganda tanpa twisted tape insert dan membandingkannya dengan trapezoidal-cut twisted tape insert pada twist ratio 4,4 dan 6. Seksi uji menggunakan pipa tembaga sepanjang 2.000 mm yang memiliki diameter 28,5 mm. Dalam pengujian tersebut, pada pipa fluida yang mengalir adalah air panas dengan suhu 54 oC dengan variasi debit menggunakan flow meter antara 27 LPM dimana skala kenaikan adalah 0,5 LPM, sedangkan air dingin mengalir melalui annulus dengan suhu 30 oC dan debit dijaga konstan sebesar 10 LPM. Sistem diisolasi untuk mengurangi kehilangan panas ke lingkungan menggunakan glass wool. Pembacaan suhu menggunakan RDT 100 pada sisi masuk dan keluar penukar kalor yang berjumlah 4 buah dengan tingkat akurasi 0,1 oC sedangkan pengukuran penurunan tekanan menggunakan manometer U yang kedua ujungnya diletakkan di kedua sisi penukar kalor. Sisipan berupa trapezoidal-cut twisted tape insert menggunakan material aluminium dengan ketebalan 1,5 mm dan lebar 23,5 mm dimana setiap pitch pada twisted tape insert dipotong dengan geometri trapesium. Potongan trapesium memiliki dimensi sisi berturut-turut adalah 8 mm dan 12 mm dengan kedalaman pemotongan adalah 8 mm. Perlakuan pemotongan ini pada twisted tape insert memiliki tujuan untuk menimbulkan efek aliran spiral pada sisi dinding pipa. Hasil penelitian commit menunjukkan to userpenukar kalor dengan penambahan twisted tape insert mengalami peningkatan angka Nusselt dibandingkan tanpa


digilib.uns.ac.id 8

twisted tape insert. Peningkatan angka Nusselt diikuti dengan peningkatan laju perpindahan panas dimana untuk penukar kalor dengan penambahan trapezoidal-cut twisted tape insert dengan twist ratio 4,4 dan 6,0 berturut-turut meningkat sebesar 41,8% dan 27,0% dibanding tanpa sisipan. Faktor gesekan memiliki kecenderungan menurun seiring meningkatnya angka Reynolds. Pada penukar kalor dengan sisipan trapezoidal-cut twisted tape insert faktor gesekannya lebih tinggi, berturut-turut untuk pitch ratio 4,4 dan 6 sebesar 2,85 dan 1,97 kali dibandingkan penukar kalor tanpa sisipan. Rahimi dkk (2009) melakukan penelitian karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor yang dilengkapi dengan modifikasi twisted tape insert. Modifikasi twisted tape insert tersebut adalah perforated, notched dan jagged twisted tape. Seksi uji yang digunakan adalah pipa tembaga sepanjang 6,5 meter yang dibengkokkan dengan diameter dalam 17 mm dan ketebalan 1 mm. Pipa tembaga tersebut dialiri air panas dengan suhu 42 oC pada sisi masuk dengan laju aliran massa dari 0,0275 sampai 0,1111 kg/s dan bilangan Reynolds dari 2.950 sampai 11.800. Pipa tersebut dimasukkan ke dalam bak berukuran 30 cm × 60 cm × 60 cm yang dialiri air dingin dengan suhu 16 oC pada sisi masuk dan laju aliran massa dibuat konstan 0,333 kg/s. Twisted tape insert terbuat dari stainless steel dengan lebar 15 mm, panjang pitch 50 mm, twist ratio 2,94 dan ketebalan 1 mm. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan penambahan twisted tape insert angka Nusselt lebih tinggi dibandingkan tanpa twisted tape insert. Dari ketiga modifikasi twisted tape insert tersebut didapatkan angka Nusselt yang terbesar adalah jagged twisted tape insert, sedangkan yang paling rendah adalah perforated twisted tape insert. Dengan penambahan twisted tape insert faktor gesekannya meningkat, faktor gesekan yang tertinggi pada jagged twisted tape insert. Dengan semakin tinggi bilangan Reynolds maka angka Nusselt juga semakin tinggi, sedangkan untuk faktor gesekannya semakin menurun. Unjuk kerja termal dari twisted tape yang paling tinggi adalah jagged twisted tape sebesar 22%, sedangkan peningkatan angka Nusselt sebesar 31%. Shabanian dkk (2011) melakukan penelitian perpindahan panas, penurunan tekanan dan unjuk kerja termal pada pendingin udara dengan tambahan modifikasi twisted tape insert. Seksi uji berupa sistem pendingin udara dengan dua kipas commit to user dengan kecepatan masing-masing kipas 1400 rpm dengan daya 50 Watt. Kipas


digilib.uns.ac.id 9

tersebut menghadap ke bend tube, dimana bend tube memiliki diameter 17 mm dan ketebalan 1 mm. Jarak antara kipas dan bent tube adalah 20 cm. Kipas dan bend tube dirangkai pada suatu kotak berukuran 60 x 100 x 50 cm.

Fluida yang

digunakan adalah udara yang melalui kipas dan air yang melalui pipa. Debit air yang melalui pipa divariasi antara 100 liter/jam sampai 500 liter/jam dan dijaga konstan pada temperatur 58 oC. Titik pengukuran temperatur di permukaan pipa sebanyak 20 buah. Modifikasi twisted tape insert berupa jagged twisted tape insert yang memiliki lebar 15 mm dan ketebalan 1 mm dengan variasi 4 twist ratio yaitu 1,76; 2,35; 2,94 dan 3,53. Sisipan lain yang digunakan adalah butterfly insert, yaitu berupa plat aluminium dengan ketebalan 0,5 mm yang dibentuk seperti sayap kupu-kupu yang berdiameter 1,9 mm dimana memiliki sudut 45o, 90o dan 135o terhadap batangnya dan diletakkan setiap 6 cm. Dalam penelitian ini, dibandingkan dengan plain tube dan penambahan classic twisted tape insert. Nilai perbandingan Nu/Nuo untuk jagged twisted tape insert dengan berbagai variasi twist ratio terhadap classic twisted tape insert rata-rata 17,24%, 22%, 26,02% dan 28,22% berturut-turut untuk twist ratio 1,76; 2,35; 2,94 dan 3,53. Penambahan butterfly insert menghasilkan unjuk kerja termal 1,28 sampai 1,62, sedangkan dengan penambahan jagged twisted tape insert menghasilkan unjuk kerja termal 1 sampai 1,28. Thianpong dkk (2012) melakukan penelitian karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada aliran turbulen pada sebuah pipa penukar kalor. Twisted tape insert yang digunakan adalah classic twisted tape insert dan perforated twisted tape insert with parallel wings. Twisted tape insert terbuat dari aluminium yang mempunyai lebar 18 mm dan ketebalan 1 mm dengan panjang pitch dan twist ratio berturut-turut 56 mm dan 3 yang dijaga konstan pada setiap variasi twisted tape insert. Pada variasi perforated twisted tape insert with parallel wings dibuat perbedaan pada rasio diameter lubang (d/W) yaitu 0,11; 0,33 dan 0,55 dan rasio kedalaman sayap (wings) (w/W) yaitu 0,11; 0,33 dan 0,55. Sayap pada twisted tape insert dibuat pada kedua sisi dari twisted tape insert yang berada di antara lubang dengan sudut 45o terhadap arah aliran aksial. Seksi uji berupa pipa penukar kalor dengan sistem open loop dimana pipa terbuat dari tembaga dengan tebal 1,5 mm, diameter 19,5 mm, dan panjang 1000 mm. Dalam pengujian menggunakan air sebagai fluida kerja. Hasil penelitian menunjukkan commit to user bahwa pipa penukar kalor tanpa penambahan twisted tape insert (plain tube) hanya menimbulkan adanya aliran


digilib.uns.ac.id 10

aksial pada pipa, pada penambahan classic twisted tape insert timbul aliran berputar, dan dengan penambahan perforated twisted tape insert with parallel wings pada bagian tengah dari pipa terjadi aliran aksial sehingga penurunan tekanan dan faktor gesekan berkurang, sedangkan pada bagian dinding pipa terjadi aliran berputar yang lebih baik karena adanya sayap sehingga menghasilkan efek turbulensi tambahan dan secara efisien mengganggu lapis batas termal. Dibandingkan dengan plain tube, pipa dengan perforated twisted tape insert with parallel wings dan classic twisted tape insert menghasilkan peningkatan perpindahan panas berturut-turut hingga 208% dan 190%.

2.2. Dasar Teori 2.2.1. Dasar Perpindahan Panas Perpindahan panas (heat transfer) adalah ilmu untuk meramalkan perpindahan yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur di antara benda dan material. Dari termodinamika telah diketahui bahwa energi yang berpindah itu dinamakan kalor (heat), sedangkan ilmu perpindahan panas tidak hanya menjelaskan bagaimana energi panas itu berpindah dari satu benda ke benda lain, tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan panas yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu. Sebagai contoh pada peristiwa pendinginan yang berlangsung pada suatu batangan baja panas yang dicelupkan ke dalam air. Dengan termodinamika, hanya dapat meramalkan suhu kesetimbangan akhir dari sistem kesetimbangan baja dan air itu. Namun termodinamika tidak akan dapat menunjukkan berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mencapai kesetimbangan itu. Sebaliknya, ilmu perpindahan panas dapat membantu meramalkan suhu batangan baja ataupun air sebagai fungsi waktu. Ada tiga macam cara perpindahan panas dilihat dari cara perpindahannya, yaitu konduksi (hantaran), konveksi (aliran), dan radiasi (pancaran). 1. Perpindahan panas secara konduksi Konduksi adalah perpindahan panas melalui zat tanpa disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut yang umumnya terjadi pada zat padat. 2. Perpindahan panas secara konveksi Konveksi adalah perpindahan panas akibat adanya gerakan/perpindahan molekul dari tempat dengan temperatur commit tinggi ketotempat user yang temperaturnya lebih rendah disertai dengan perpindahan partikel-partikel zat perantaranya.



3. Perpindahan panas secara radiasi Radiasi adalah perpindahan panas dengan cara pancaran gelombang cahaya dan tidak memerlukan zat perantara.

Gambar 2.1 Ilustrasi jenis-jenis perpindahan panas (Incropera, 2006)

2.2.2 Aliran Dalam Sebuah Pipa (Internal Flow in Tube) 2.2.2.1 Kondisi aliran Daerah aliran di dekat lokasi fluida memasuki pipa disebut sebagai daerah masuk (entrance region). Terdapat aliran laminar di dalam sebuah pipa bulat dengan jari – jari ro, dimana fluida memasuki pipa dengan kecepatan yang seragam. Ketika fluida bergerak melewati pipa, efek viskos menyebabkannya tetap menempel pada dinding pipa (kondisi lapisan batas tanpa-slip) dan lapisan batas (boundary layer) akan berkembang dengan meningkatnya x. Jadi, sebuah lapisan batas dimana efek viskos menjadi penting timbul di sepanjang dinding pipa sedemikian rupa sehingga profil kecepatan awal berubah menurut jarak sepanjang pipa, x, sampai fluida mencapai ujung akhir dari panjang daerah masuk, dimana setelah di luar itu profil kecepatan tidak berubah lagi menurut x. Aliran ini yang disebut dengan aliran kembang penuh (fully developed flow), dan jarak dari arah masukan hingga terjadinya kondisi ini disebut dengan ” hydrodynamic entry length ”, Lh. Profil kecepatan pada daerah aliran kembang penuh berbentuk parabola untuk aliran laminar, sedangkan untuk aliran turbulen berbentuk lebih datar karena aliran berputar pada arah pipa. Untuk aliran dalam pipa parameter tak berdimensi yang paling penting adalah bilangan Reynolds, Re, yaitu menyatakan perbandingan antara efek inersia dan viskos dalam aliran. Bilangan Reynolds untuk pipa bulat didefinisikan: Re =

dimana : Re

r .u m . D m

commit to user = bilangan Reynolds

(2.1)



r

= massa jenis fluida (kg/m3)

m

= viskositas dinamik fluida (kg/m.s)

um

= kecepatan rata – rata fluida (m/s)

D

= diameter dalam pipa (m)

Gambar 2.2 Perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan pada saluran masuk aliran pipa (White, 2001)

Untuk aliran yang melewati pipa tidak bulat, bilangan Reynolds dihitung berdasarkan diameter hidrolik, yang didefinisikan : Dh =

4 Ac p

(2.2)

dimana : Dh

= diameter hidrolik (m)

Ac

= luas penampang melintang aliran (m2)

p

= keliling terbasahi (wetted perimeter) (m)

Aliran fluida di dalam sebuah pipa mungkin merupakan aliran laminar atau aliran turbulen. Kisaran bilangan Reynolds dimana akan diperoleh daerah aliran laminar, transisi atau turbulen tidak dapat ditentukan dengan tepat. Daerah aliran transisi dari aliran laminar ke turbulen mungkin berlangsung pada berbagai bilangan Reynolds, tergantung pada berapa besar aliran terganggu oleh getaran pipa, kekasaran permukaan, dan hal–hal sejenis lainnya. Untuk praktek pada umumnya, nilai bilangan Reynolds untuk aliran laminar, transisi, dan turbulen adalah sebagai berikut : Re < 2.300

aliran laminar

(2.3)

2.300 ≤ Re ≤ 10.000

aliran transisi commit to user aliran turbulen

(2.4)

Re > 10.000

(2.5)



Pada pipa yang sangat halus dengan kondisi tanpa gangguan aliran dan tanpa getaran pada pipa, aliran laminar dapat dipertahankan sampai pada bilangan Reynolds yang tinggi. Pada aliran berkembang penuh, nilai bilangan Reynolds untuk terjadinya aliran turbulen adalah Re » 2.300. 2.2.2.2 Kecepatan rata – rata (mean velocity) Karena kecepatan selalu bervariasi sepanjang masukan pipa, maka digunakan kecepatan rata–rata (um) untuk menyelesaikan permasalahan mengenai aliran dalam pipa. Ketika kecepatan rata–rata (um) dikalikan dengan massa jenis air (r) dan luasan pipa (A), maka akan didapat nilai laju aliran massa air ( m& ) yang melalui pipa. Laju aliran massa air didefinisikan sebagai banyak sedikitnya massa air yang dialirkan tiap satuan waktu. Dituliskan dalam persamaan (2.6) di bawah ini: m& = ρ u m A

(2.6)

2.2.2.3 Temperatur rata – rata Ketika fluida yang mengalir pada pipa dipanaskan atau didinginkan, temperatur fluida pada setiap penampang pipa berubah dari Ts pada permukaan dinding ke maksimum (atau minimun pada proses pemanasan) pada pusat pipa. Untuk menyelesaikan permasalahan aliran fluida dalam pipa, maka digunakan temperatur rata–rata (Tm) yang tetap seragam pada setiap penampang pipa. Tidak seperti kecepatan fluida, temperatur rata – rata (Tm) akan berubah sewaktu – waktu ketika fluida dipanaskan atau didinginkan.

(a) Aktual (b) Rata – rata Gambar 2.3 Profil temperatur aktual dan rata–rata pada aliran dalam pipa (Cengel, 2003)

Temperatur rata – rata (Tm) fluida berubah selama pemanasan atau pendinginan, sehingga sifat fluida pada aliran dalam pipa biasanya dihitung pada temperatur rata – rata bulk fluida (bulk mean temperature), yang merupakan rata – rata dari temperatur rata – rata sisi masuk (Tm,i) dan temperatur rata – rata sisi keluar (Tm,o), yaitu : Tb =

( Tm ,i + Tm,o ) 2

commit to user

(2.7)



2.2.2.4 Penukar Kalor Penukar kalor adalah alat yang berfungsi untuk mengubah temperatur fluida dengan cara mempertukarkan panas dengan fluida lainnya, baik melalui suatu dinding pembatas maupun tanpa dinding pembatas. Mekanisme perpindahan panas dalam penukar kalor berlangsung secara konduksi (pada dinding pipa) dan konveksi (pada aliran fluida kerja). Penukar kalor dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa hal, diantara klasifikasi tersebut adalah berdasarkan arah alirannya dan keringkasannya (compactness). Sebagai contoh : berdasarkan arah aliran, yaitu penukar kalor aliran searah (parallel flow heat exchanger) dan berlawanan arah (counter flow heat exchanger), sedangkan berdasarkan keringkasan, yaitu penukar kalor pipa konsentrik (concentric tube heat exchanger). a. Penukar kalor aliran searah. Aliran fluida yang didinginkan (fluida panas) mengalir searah dengan fluida yang mendinginkan (fluida dingin).

(a)

(b)

Gambar 2.4 (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada penukar kalor searah (Cengel, 2003)

b. Penukar kalor aliran berlawanan arah Aliran fluida yang didinginkan (fluida panas) mengalir berlawanan arah dengan fluida yang mendinginkan (fluida dingin).

(a)

(b)

Gambar 2.5 (a) arah aliran fluida, danto (b)user perubahan temperatur fluida pada commit penukar kalor berlawanan arah (Cengel, 2003)



Dalam sebuah penukar kalor yang diisolasi dengan baik, laju perpindahan panas dari fluida panas sama dengan laju perpindahan panas ke fluida dingin. Sehingga, Qh = Qc Qc= 扸 . Cp ,c.(Tc,out – Tc,in)

Qh= 扸 . Cp,h .(Th,i – Th,o)

(2.8) (2.9)

dimana :

Qc

= laju perpindahan panas di annulus (W)

扸

= laju aliran massa fluida dingin di annulus (kg/s)

Cp,c

= panas jenis fluida dingin di annulus (kJ/kg.oC)

Tc,i

= temperatur fluida dingin masuk annulus (oC)

Tc,o

= temperatur fluida dingin keluar annulus (oC)

Qh

= laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W)

扸

= laju aliran massa fluida panas di dalam pipa dalam (kg/s)

Cp,h

= panas jenis fluida panas di dalam pipa dalam (kJ/kg.oC)

Th,i

= temperatur fluida panas masuk pipa dalam (oC)

Th,o

= temperatur fluida panas keluar pipa dalam (oC)

Dalam analisa sebuah penukar kalor, metode LMTD (log mean temperature difference) sangat sesuai untuk menentukan ukuran dari penukar kalor jika seluruh temperatur masuk dan keluar penukar kalor diketahui. Dalam metode LMTD, laju perpindahan panas ditentukan dari : Q = U. As . DTLMTD DTLMTD =

DT1 + DT2 ln( DT1 / DT2 )

(2.10) (2.11)

dimana : Q

= laju perpindahan panas (W)

U

= koefisien perpindahan panas overall (W/m2.oC)

As

= luas perpindahan panas (m2)

DTLMTD

= beda temperatur rata-rata logaritmik (oC)

DT1 , DT2

= perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi masuk dan keluar penukar kalor (oC).

Nilai-nilai DT1 dan DT2 untuk penukar kalor aliran searah dan berlawanan arah commit to user berturut-turut dapat dilihat pada gambar 2.4(b) dan 2.5(b).



c. Penukar kalor pipa konsentrik. Pada penukar kalor ini terdapat dua buah pipa, yaitu pipa dalam (inner tube) dan pipa luar (outer tube). Pipa dalam digunakan untuk melewatkan fluida panas, sedangkan fluida dingin dilewatkan melalui ruang (yang disebut annulus) yang dibentuk oleh kedua pipa yang konsentrik tersebut.

Gambar 2.6 Penukar kalor pipa konsentrik (Cengel,2003)

Perpindahan panas yang terjadi berawal secara konveksi dari fluida panas ke dinding dalam pipa dalam. Dari dinding dalam diteruskan secara konduksi ke dinding luar pipa dalam. Perpindahan panas akan dilanjutkan secara konveksi dari dinding luar pipa dalam ke fluida dingin yang ada pada annulus. Proses perpindahan panas pada penukar kalor ini dapat dianalogikan dengan jaringan tahanan listrik seperti gambar 2.7 di bawah. Perpindahan panas menyeluruh dihitung dengan membagi beda temperatur total dengan jumlah total tahanan termal.

Gambar 2.7 Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar kalor pipa konsentrik (Cengel,2003) commit to user



Tahanan termal total pada penukar kalor konsentrik pada gambar 2.7 menjadi: R = Rtotal = Ri + Rwall + Ro = dimana :

￘ .

鹰

⁄

覸al

￘ .

(2.12)

hi

= koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (W/m2.oC)

ho

= koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus (W/m2.oC)

Ai

= luas permukaan dalam pipa dalam (m2)

Ai

= p .di .L

Ao = luas permukaan luar pipa dalam (m2) Ao = p.do.L Do = diameter luar pipa dalam (m) Di

= diameter dalam pipa dalam (m)

k

= konduktivitas termal material dinding pipa dalam (W/m.oC)

L

= panjang pipa (m) Dalam analisis penukar kalor, adalah tepat untuk menggabungkan semua

tahanan termal dalam lintasan panas dari fluida panas ke fluida dingin dalam satu tahanan total, R, dan untuk menyatakan laju perpindahan panas antara dua fluida sebagai berikut : Q=

DT = U. A . DT = Ui . Ai . DTLMTD = Uo . Ao . DT LMTD R

(2.13)

Dimana U adalah koefisien perpindahan panas overall, dengan satuan (W/m2.oC), dan DTLMTD adalah beda temperatur rata-rata logaritmik (logaritmic mean temperature different) (oC). Diperoleh nilai : ln ( d o / d i) 1 1 1 1 = =R= + + U i .Ai U o .Ao hi . Ai 2p k L ho . Ao

(2.14)

2.2.2.5 Parameter Tanpa Dimensi Pada penukar kalor metode perpindahan panas yang terjadi utamanya adalah konveksi dan konduksi. Persamaan perpindahan panas konveksi berkaitan dengan variabel penting yang dinamakan parameter tanpa dimensi (dimensionless). Parameter tanpa dimensi dalam kaitannya dengan perpindahan panas konveksi adalah :

commit to user



a. Bilangan Reynolds (Reynolds Number) Bilangan Reynolds (Re) didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya inersia dengan gaya kekentalan, di dalam lapis batas kecepatan. 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

¶[( ρ u ) u] / ¶x

dapat didekati dengan persamaan:

F I = ρ V 2 L . Gaya kekentalan diwakili dengan gaya geser dalam bentuk

¶ t yx ¶ y = ¶ [ m (¶u ¶y )] ¶y , dapat didekati dengan

persamaan

Fs = µ V L 2 .

Perbandingan kedua gaya tersebut dapat ditulis:

FI rV 2 L rVL = = = ReL Fs mV L2 m

(2.15)

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. Bilangan Prandtl (Prandtl number) Bilangan Prandtl (Pr) didefinisikan sebagai perbandingan antara diffusivitas momentum, n (m2/s) , dengan diffusifitas termal, a (m2/s). Bilangan Prandtl menyediakan sebuah pengukuran kerelatifan efektivitas momentum dan transfer energi dengan cara difusi di dalam lapis batas kecepatan dan termal. Bilangan Prandtl untuk gas hampir serupa, dalam kasusnya transfer energi dan momentum dengan difusi dapat dibandingkan (Incropera, 2006). Nilai Pr sangat dipengaruhi oleh pertumbuhan relatif lapis batas kecepatan dan termal. Pr =

v a

(2.16)

c. Bilangan Nusselt (Nusselt Number) Bilangan Nusselt (Nu) adalah bilangan tanpa dimensi yang menyatakan perbandingan antara koefisien perpindahan panas konveksi (h) terhadap konduktivitas termal fluida (k). Bilangan ini menyediakan sebuah perhitungan tentang perpindahan panas konveksi yang terjadi pada permukaan. Bilangan Nusselt dirumuskan: Nu =

h .d k

commit to user

(2.17)



Bilangan Nu merupakan fungsi universal dari bilangan Re, dan bilangan Pr. Apabila Re dan Pr diketahui, maka dapat digunakan untuk menghitung nilai Nu untuk fluida, nilai kecepatan, dan skala panjang yang berbeda. 2.2.2.6 Teknik Peningkatan Perpindahan Panas pada Penukar Kalor Penukar kalor (heat exchanger) mempunyai banyak aplikasi di industri dan bidang rekayasa. Prosedur desain dari suatu penukar kalor sangat rumit, diperlukan analisis yang tepat untuk memperkirakan laju perpindahan panas dan penurunan tekanan (pressure drop) selain persoalan seperti unjuk kerja dan aspek ekonomis dari peralatan. Tantangan utama dalam perancangan penukar kalor adalah membuat penukar kalor kompak dan menghasilkan laju perpindahan panas tinggi menggunakan daya pemompaan (pumping power) yang minimum. Teknik untuk meningkatkan

perpindahan

panas

berhubungan

dengan

beberapa

aplikasi

keteknikan. Dalam tahun-tahun terakhir ini, karena biaya energi dan material yang tinggi, maka diusahakan menghasilkan peralatan penukar kalor yang lebih efisien. Jika sebuah penukar kalor sudah berumur, tahanan terhadap perpindahan panas meningkat oleh karena pengotoran (fouling) atau terbentuknya kerak (scaling). Masalah-masalah ini lebih umum untuk penukar kalor-penukar kalor yang digunakan dalam aplikasi kelautan dan dalam industri-industri kimia. Dalam beberapa aplikasi khusus, seperti penukar kalor yang berhubungan dengan fluidafluida yang mempunyai konduktivitas termal rendah (gas dan minyak) dan instalasi desalinasi, perlu untuk meningkatkan laju perpindahan panas. Laju perpindahan panas dapat diperbaiki dengan menggunakan sebuah gangguan dalam aliran fluida (memecah viskos dan lapis batas termal), tetapi dalam proses ini daya pemompaan dapat meningkat secara signifikan dan akhirnya biaya pemompaan menjadi tinggi. Sehingga, untuk mencapai laju perpindahan panas yang diinginkan dalam sebuah penukar kalor pada sebuah daya pemompaan yang ekonomis, beberapa teknik telah ditawarkan dalam tahun-tahun terakhir ini. Dalam dekade terakhir ini, teknologi peningkatan perpindahan panas telah dipakai secara luas pada aplikasi-aplikasi penukar kalor; dalam bidang refrigerasi, otomotif dan proses industri. Tujuan dari meningkatkan perpindahan panas adalah mendorong atau mengakomodasi fluks-fluks kalor yang tinggi. Ini menghasilkan user umum menghasilkan biaya yang pengurangan ukuran penukar kalor,commit dimanato secara



lebih rendah. Peningkatan perpindahan panas memungkinkan penukar kalor beroperasi pada kecepatan yang lebih rendah, tetapi masih menghasilkan koefisien perpindahan panas yang nilainya sama atau lebih besar. Ini berarti bahwa pengurangan penurunan tekanan berhubungan dengan biaya operasi yang lebih kecil bisa dicapai. Semua keuntungan ini membuat teknologi peningkatan perpindahan panas menarik dalam aplikasi penukar kalor. Secara umum, teknik-teknik peningkatan perpindahan panas pada penukar kalor dapat diklasifikasikan dalam 3 kategori : a. Metode aktif (active method) Metode ini melibatkan beberapa daya masukan dari luar (external power input) untuk meningkatkan perpindahan panas, dan tidak menunjukkan banyak potensi yang berhubungan dengan kerumitan dalam desain. Daya luar tidak mudah untuk disediakan dalam beberapa aplikasi. Beberapa contoh metode aktif adalah pulsasi yang ditimbulkan oleh cam dan reciprocating plungers, penggunaan medan magnet untuk mengganggu partikel-partikel kecil ringan dalam sebuah aliran yang sedang mengalir. b. Metode pasif (passive method) Metode ini tidak memerlukan daya masukan luar, dan tambahan daya yang diperlukan untuk meningkatkan perpindahan panas diambil dari daya yang tersedia dalam sistem, dimana akhirnya memicu ke arah penurunan tekanan fluida. Industri penukar kalor telah bekerja keras untuk memperbaiki kontak termal (meningkatkan koefisien perpindahan panas) dan mengurangi daya pemompaan untuk memperbaiki efisiensi termohidrolik dari penukar kalor. Salah satu peningkatan perpindahan kalor secara konveksi yang paling popular saat ini adalah dengan membangkitkan turbulensi pada suatu aliran dalam pipa. Pembangkitan turbulensi dilakukan dengan memberikan usikan terhadap aliran yang salah satunya dengan cara menyisipkan twisted tape pada aliran dalam pipa. Turbulensi pada aliran menyebabkan munculnya komponen–komponen kecepatan radial disamping komponen kecepatan aksial yang sudah ada. c. Metode gabungan (compound method) Metode gabungan adalah sebuah metode hibrid dimana kedua metode baik metode aktif dan pasif digunakan. Metode gabungan melibatkan desain yang commit to user kompleks sehingga dibatasi aplikasinya.



Teknik peningkatan perpindahan panas (metode aktif, pasif dan kombinasi metode aktif dan pasif) biasa digunakan dalam berbagai bidang seperti; industriindustri proses, pemanasan dan pendinginan dalam evaporator, pembangkit daya termal, peralatan pengkondisian udara, refrigerator, radiator untuk kendaraan ruang angkasa, automobiles dan lain-lain. Metode pasif, dimana sisipan (insert) digunakan dalam lintasan aliran untuk meningkatkan laju perpindahan panas, menguntungkan dibandingkan dengan metode aktif, karena proses manufaktur insert sederhana dan teknik ini dapat secara mudah diterapkan ke suatu penukar kalor. Dalam desain alat penukar kalor kompak, teknik-teknik pasif dalam meningkatkan perpindahan panas memainkan peranan yang penting jika konfigurasi insert pasif yang sesuai dapat dipilih berdasarkan kondisi kerja penukar kalor (kondisi aliran dan perpindahan panas). Twisted tape, wire coils, ribs, fins, dimples, mesh insert adalah alat-alat untuk meningkatkan perpindahan panas secara pasif yang paling sering digunakan. Berdasar penelitian akhir-akhir ini, twisted tape dan wire coils dikenal sebagai alat peningkatan perpindahan panas yang ekonomis. Twisted tape insert sesuai untuk daerah aliran laminar dan wire coils insert sesuai untuk aliran turbulen. Kelakuan termohidrolik dari sebuah insert pada dasarnya tergantung dari kondisi aliran (laminar atau turbulen) selain daripada konfigurasi insert. Untuk penukar kalor-penukar kalor cangkang dan pipa (shell and tube), teknologi tube insert adalah salah teknologi peningkatan perpindahan panas yang paling umum. Dengan teknologi tube insert, penambahan luasan perpindahan panas dapat diabaikan, sehingga penghematan biaya secara signifikan menjadi mungkin. Peralatan tube insert meliputi twisted tape insert, wire coil insert, extended surface insert, mesh insert dan lain-lain, seperti terlihat pada gambar 2.8.

commit to user

Gambar 2.8 Jenis-jenis peralatan tube insert (Wang, L., 2002)



Twisted tape insert menyebabkan aliran menjadi spiral sepanjang panjang pipa. Twisted tape insert secara umum tidak mempunyai kontak termal yang baik dengan dinding pipa. Wire coil insert terdiri dari sebuah pegas spiral pilin (helical coiled spring) yang berfungsi sebagai sebuah kekasaran yang tidak menyatu (nonintegral roughness). Extended surface insert adalah bentuk ekstrusi yang dimasukkan ke dalam pipa. Pipa kemudian dikencangkan untuk memberikan kontak termal yang baik antara dinding dan insert. Insert mengurangi diameter hidrolik dan bertindak sebagai permukaan yang diperluas. Mesh insert dibuat dari sebuah matrik dari filamen kawat yang tipis, dimana dapat mengganggu keseluruhan medan temperatur dan kecepatan dalam pipa. Unjuk kerja dan biaya adalah dua faktor utama yang memainkan peranan penting dalam pemilihan teknik-teknik pasif peningkatan perpindahan panas. Secara umum, twisted tape insert dan wire coil insert dipakai secara lebih luas dan lebih disukai dalam tahun-tahun belakangan ini dibandingkan metode-metode yang lain, mungkin karena teknik-teknik seperti extended surface insert relatif tinggi dan mesh insert karena menghasilkan masalah penurunan tekanan yang tinggi dan masalah pengotoran. Secara umum, beberapa jenis insert ditempatkan dalam saluran aliran untuk menambah perpindahan panas, dan ini akan mengurangi diameter hidrolik saluran aliran. Peningkatan perpindahan panas dalam aliran pada sebuah pipa oleh insert seperti twisted tape, wire coils, ribs dan dimples utamanya karena halangan aliran (flow blockage) membagi aliran dan aliran sekunder (secondary flow). Halangan aliran menaikkan penurunan tekanan dan memicu efek-efek viskos karena luas aliran bebas yang berkurang. Halangan juga menaikkan kecepatan aliran dan dalam beberapa situasi memicu aliran sekunder secara signifikan. Aliran sekunder selanjutnya memberikan kontak termal yang lebih baik antara permukaan dan fluida, karena aliran sekunder menciptakan pusaran (swirl) dan menghasilkan percampuran fluida memperbaiki gradien temperatur dimana pada akhirnya memicu koefisien perpindahan panas yang tinggi. Aliran laminar dan turbulen umum terjadi dalam aplikasi penukar kalor. Dalam sebuah aliran turbulen, tahanan termal yang berpengaruh dibatasi oleh lapisan bawah viskos yang tipis (thin viscous sublayer). Wire coil insert lebih efektif dalam aliran turbulen dibandingkan commitdengan to user twisted tape, karena wire coil mencampur aliran dalam lapisan bawah viskos di dekat dinding secara cukup efektif,



sedangkan twisted tape tidak dapat mencampur dengan baik aliran di lapisan bawah viskos. Untuk aliran laminar, tahanan termal yang berpengaruh dibatasi oleh sebuah daerah yang lebih tebal dibandingkan dengan aliran turbulen. Sehingga, wire coil insert tidak efektif dalam aliran laminar karena tidak dapat mencampur aliran limbak (bulk flow) secara baik, dan hal ini berkebalikan dengan twisted tape insert. Oleh karena itu, twisted tape secara umum lebih disukai dalam aliran laminar. Bagaimanapun, ini hanya analisa awal, dan faktor lain seperti jenis fluida, mungkin juga mempengaruhi unjuk kerja. Fluida yang berbeda dengan bilangan Prandtl yang berbeda dapat mempunyai ketebalan lapis batas yang berbeda. Sehingga, pemilihan yang tepat seharusnya berdasarkan pada unjuk kerja termal dan hidrolik. Peningkatan perpindahan panas yang dihasilkan oleh twisted tape insert dan wire coil insert adalah fungsi dari bilangan Reynolds dan sudut pilin (helix angle). Untuk twisted tape insert dan wire coil insert rasio peningkatan perpindahan panas meningkat dengan kenaikan bilangan Reynolds dan sudut pilin. Akan tetapi, untuk sudut pilin dan rasio ketebalan yang sama, twisted tape insert menunjukkan peningkatan perpindahan panas yang lebih baik daripada wire coil insert. Ini mungkin disebabkan fakta bahwa twisted tape insert mengganggu keseluruhan medan aliran, sedangkan wire coil insert sebagian besar mengganggu aliran di dekat dinding. Sebagai tambahan, sifat fluida juga mempunyai pengaruh terhadap peningkatan unjuk kerja. Rasio peningkatan perpindahan panas lebih tinggi untuk fluida dengan bilangan Prandtl yang lebih tinggi. Secara fisik, mungkin karena fakta bahwa fluida-fluida dengan bilangan Prandtl tinggi mempunyai tebal lapis batas yang lebih tipis dibandingkan dengan fluida-fluida yang mempunyai bilangan Prandtl rendah. Sehingga, gangguan yang diakibatkan oleh tube insert lebih efisien untuk meningkatkan perpindahan panas. Bagaimanapun, kenaikan perpindahan panas sering dihubungkan dengan kerugian penurunan tekanan. Dapat disimpulkan bahwa wire coil insert menghasilkan penurunan tekanan yang lebih rendah dibandingkan twisted tape insert.

2.2.2.7 Sisipan Pita Terpilin (Twisted Tape Insert) Twisted tape menimbulkan aliran spiral sepanjang panjang pipa. Gambar 2.9 menunjukkan 3 jenis konfigurasi twisted dengan 180o twisted pitch. Geometri committape to user twisted tape insert mengalami perkembangan dengan berbagai modifikasi untuk



mengoptimalkan peningkatan perpindahan panas, seperti terlihat pada gambar 2.10 sampai dengan gambar 2.18.

Gambar 2.9 Jenis-jenis twisted tape (a) full-length twisted tape, (b) regularly spaced twisted tape, dan (c) smoothly varying pitch full-length twisted tape (Dewan, A., 2004)

Gambar 2.10 Berbagai jenis modifikasi twisted tape insert (a) classic twisted tape, (b) perforated twisted tape, (c) notched twisted tape, (d) jagged twisted tape (Rahimi, 2009)

commit to user



Gambar 2.11 Broken twisted tape dengan berbagai twist ratio (Cang, S.W., 2007)

Gambar 2.12 (a) Typical twisted tape, (b) C-CC twisted tape dengan q = 30o, (c) C-CC twisted tape dengan q = 60o, (d) C-CC twisted tape dengan q = 90o (Eimsa-ard, S., 2010)

Gambar 2.13 (a) Full length twisted tape insert, (b) Regularly spaced twisted tape element, (c) Full length twisted tape with oblique teeth,to(d)user Detail A dari gambar (Saha, S.K., 2010) commit



Gambar 2.14 (a) single twisted tape (ST), (b) twin co-twisted tapes (CoTs) dan (c) twin counter twisted tapes (CTs) (Eimsa-ard, S., 2010)

Gambar 2.15 Twisted tape with centre wing, dan twisted tape with centre wing and alternate-axis (Eimsa-ard, S., 2010)

(a)

(b)

Gambar 2.16 Peripherally-cut twisted tape dan peripherally-cut twisted tape with alternate axis, (a) pandangan depan, (b) pandangan commit to user isometric (Seemawute, P., 2010)



(a)

(b) Gambar 2.17 (a) twisted tape with serrated-edge at various serration width ratios, w/W, (b) twisted tape with serrated-edge at various serration width depth ratios, d/W (Eimsaard, S., 2010)

(a)

(b) Gambar 2.18 (a) Straight delta-winglet twisted commit to tapes user (S-DWT), (b) oblique delta-winglet twisted tapes (O-DWT) (Eimsa-ard, S., 2010)


digilib.uns.ac.id

Parameter-parameter pada twisted tape insert : a. Twist pitch Twist pitch didefinisikan sebagai jarak antara 2 titik pada bidang yang sama, diukur sejajar terhadap sumbu twisted tape. b. Twist ratio Twist ratio didefinisikan sebagai perbandingan pitch terhadap diameter dalam pipa. y=

䵈

(2.18)

dimana ; y adalah pitch ratio, H adalah panjang pitch twisted tape dan di adalah diameter dalam pipa. Atau parameter alternatif, menggunakan sudut heliks (helix angle), dinyatakan sebagai : tan a =

p . di 2 = 2 .H 2y

(2.19)

Konfigurasi geometri sebuah twisted tape insert ditunjukkan pada gambar 2.19. Pada gambar 2.19, H adalah twist pitch, d adalah diameter dalam pipa atau lebar tape (tape width), dan d adalah ketebalan tape.

Gambar 2.19 Konfigurasi geometri sebuah twisted tape insert (Manglik-Bergles,1992)

2.2.2.8 Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan 2.2.2.8.1. Korelasi Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan di Daerah Aliran Laminar dan Turbulen melalui sebuah Pipa Bulat Halus Untuk aliran laminar berkembang penuh (fully developed), dalam sebuah pipa bulat halus tanpa insert, bilangan Nusselt (Nu) mempunyai nilai yang konstan di bawah kondisi temperatur dinding yang konstan (constant wall temperature) sebagai berikut : Nu = 3,657

commit to user 28

(2.20)



dan faktor gesekan Darcy (Darcy friction factor), f , untuk aliran ini diprediksikan dengan persamaan : f = 64/Re

(2.21)

Dalam aliran laminar, faktor gesekan adalah hanya fungsi bilangan Reynolds (Re), dimana tidak tergantung pada kekasaran pipa. Untuk pipa halus, faktor gesekan dalam aliran turbulen dapat ditentukan dari persamaan Petukhov pertama (first Petukhov equation) : f = (0,790 ln Re – 1,64)-2

(2.22)

Untuk aliran turbulen berkembang penuh dalam pipa bulat halus, bilangan Nusselt dapat diprediksikan dengan korelasi Dittus-Boelter : Nu = 0,023.Re0,8.Prn

(2.23)

Persamaan Dittus-Boelter berlaku untuk nilai-nilai; 0,7 ≤ Pr ≤ 160, Re ³ 10.000, dan L/D ³ 10. Untuk proses pemanasan, n = 0,4 sedangkan proses pendinginan, n = 0,3. Sifat-sifat fluida dievaluasi pada temperatur fluida rata-rata bulk (bulk mean fluid temperature), Tb = (Ti + Te)/2. Ketika perbedaan temperatur antara fluida dan dinding pipa sangat besar, perlu menggunakan sebuah faktor koreksi untuk menghitung perbedaan viskositas di dekat dinding pipa dan di pusat pipa. Korelasi Dittus-Boelter sederhana, tetapi memberikan kesalahan hingga 25% (Incropera, 2006). Kesalahan ini dapat dikurangi hingga kurang dari 10% dengan menggunakan korelasi yang lebih kompleks tetapi akurat seperti menggunakan persamaan Petukhov kedua (second Petukhov equation), sebagai berikut : Nu =

( f / 8 ) . Re . Pr 1,07 + 12,7 . ( f / 8 )1 / 2 .(Pr 2 / 3 - 1 )

(2.24)

Persamaan Petukhov kedua berlaku untuk nilai-nilai; 0,5 £ Pr £ 2.000, dan 104 < Re < 5 x 106. Akurasi persamaan ini pada bilangan Reynolds yang rendah diperbaiki dengan modifikasi oleh Gnielinski (Incropera, 2006) : Nu =

( f / 8 ) . (Re- 1000 ) . Pr 1 + 12,7 . ( f / 8 )1 / 2 . (Pr 2 / 3 - 1 )

(2.25)

Persamaan Gnielinski berlaku untuk nilai-nilai; 0,5 £ Pr £ 2.000, dan 3 x 103 < Re < 5 x 106, dimana faktor gesekan, f , dapat ditentukan dari hubungan yang sesuai commit(persamaan to user seperti persamaan Petukhov pertama 2.22). Persamaan Gnielinski



lebih disukai dalam perhitungan. Pada persamaan (2.24) dan (2.25) sifat-sifat fluida dievaluasi pada temperatur fluida rata-rata bulk. Tidak seperti aliran laminar, faktor gesekan dan koefisien konveksi dalam aliran turbulen adalah fungsi dari kekasaran permukaan. Faktor gesekan dalam aliran turbulen berkembang penuh tergantung pada bilangan Reynolds dan kekasaran relatif, e/D (relative roughness, e/D). Colebrook mengkombinasikan semua data faktor gesekan untuk aliran transisi dan turbulen dalam pipa-pipa halus dan kasar ke dalam sebuah persamaan implisit yang dikenal sebagai persamaan Colebrook (Incropera, 2006), sebagai berikut : æe / D 2,51 = -2 logç + ç 3,7 f Re . f è

1

ö ÷ ÷ ø

(2.26)

Kesulitan dalam penggunaannya adalah bahwa rumus ini berbentuk implisit dalam ketergantungannya terhadap f. Artinya, untuk suatu kondisi yang diberikan (Re dan e/D), tidaklah mungkin mencari penyelesaian untuk f tanpa melakukan suatu metode iterasi. Dengan penggunaan Excel atau aplikasi komputer matematis, perhitungan seperti itu tidaklah sulit. Miller (1996) menyarankan bahwa iterasi tunggal akan memberikan hasil dalam 1% jika perkiraan awal dihitung dari: é æ e / D 5,74 f o = 0 ,25 . êlogç + 0,9 Re ë è 3,7

öù ÷ú øû

-2

(2.27)

Moody menggambarkan persamaan Colebrook dalam sebuah diagram yang dikenal dengan Diagram Moody, dimana meskipun diagram ini dibentuk untuk pipa bulat, tetapi dapat juga digunakan untuk pipa tidak bulat dengan mengganti diameter pipa dengan diameter hidrolik. Untuk aliran turbulen dalam pipa-pipa halus juga dapat dihitung dengan persamaan Blasius (White 4th edition) : f = 0,3164.Re-0,25

(2.28)

Valid untuk aliran turbulen dengan Re ≤ 105. 2.2.2.8.2 Korelasi Empiris Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan dengan Twisted Tape Insert di Daerah Aliran Laminar Korelasi berikut digunakan untuk memperkirakan koefisien perpindahan panas dan faktor gesekan di daerah laminar untuk twisted tape insert. Manglik dan user untuk kasus temperatur dinding Bergles (1993) mengembangkan commit sebuah to korelasi



konstan untuk aliran berkembang penuh berdasarkan data sebelumnya dan data penelitian mereka sendiri. Korelasi untuk perpindahan panas di daerah laminar sebagai berikut : -9

Nu = 4,162[6,413 x 10 (Sw. Pr

0,391 3,385 0,2 æ

)

m ] çç è mw

ö ÷÷ ø

0 ,14

(2.29)

dimana : Nu = bilangan Nusselt Sw = swirl number, ini merupakan harga dari gerakan pusaran (swirl) dalam pipa. Sw = Re/

y

y = twist ratio Pr = bilangan Prandtl

m = viskositas dinamik (kg/m.s) mw = viskositas dinamik berdasarkan temperatur dinding (kg/m.s) Berdasar data yang sama, sebuah korelasi untuk faktor gesekan telah dikembangkan : æ p + 2 - 2t / di ( f . Re d )sw = 15 ,767 çç è p - 4t / d i

ö ÷÷ ( 1 + 10 -6 Sw2 ,25 )1 / 6 ø

(2.30)

dimana : f

= faktor gesekan

Red = bilangan Reynolds berdasarkan diameter dalam pipa t

= tebal twisted tape insert (m)

di = diameter dalam pipa (m) Faktor gesekan dan bilangan Reynolds berdasarkan kecepatan pusaran (swirl velocity) usw = uc (1 + tan2α)1/2

(2.31)

dimana : usw = kecepatan pusaran (swirl velocity) (m/s) uc = kecepatan aksial rata-rata fluida (m/s) α

= sudut heliks (o)

Kondisi-kondisi eksperimental untuk mengembangkan korelasi-korelasi di commit to user atas adalah sebagai berikut : air (3 ≤ Pr ≤ 6,5) dan ethylene glycol (68 ≤ Pr ≤ 100)



adalah digunakan sebagai fluida-fluida uji, tiga twist ratio berbeda ( y = 3,0, 4,5, dan 6,0) yang diuji, bilangan Reynolds dari 300 sampai 30.000, dimana meliputi daerah laminar, transisi dan turbulen. Rata-rata ketakpastian (uncertainties) Nu dan f berturut-turut adalah ± 4,1% dan ± 4,5%. Korelasi ini aktualnya meliputi data untuk ethylene glycol dan polybutene (1.000 ≤ Pr ≤ 7.000) dari Marner dan Bergles. 2.2.2.8.3 Korelasi Empiris Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan dengan Twisted Tape Insert di Daerah Turbulen Korelasi perpindahan panas Manglik dan Bergles (Sarma, P.K, 2002) sebagai berikut : 2di ö æ Nui = 0,023 . Re0,8 . Pr0,4 . ç1 + 0,769 ÷ . f2 H ø è

(2.32)

p æ ö æ p + 2 - 2t / di ö f2 = ç ÷ .ç ÷ è p - 4t / di ø è p - 4t / di ø

(2.33)

0, 8

0, 2

Dimana : Re

= bilangan Reynolds

Pr

= bilangan Prandtl

t

= tebal twisted tape (m)

di


H

= panjang pitch (m)

2.2.2.8.4 Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada Penukar Kalor Pipa Konsentrik Dengan Twisted Tape Insert Untuk aliran-aliran fluida dalam sebuah penukar kalor pipa konsentrik, seperti terlihat pada gambar 2.20, laju perpindahan panas dari fluida panas di dalam pipa dalam dapat dinyatakan sebagai :

dimana :

Qh = 扸 .Cp,h .(Th,i – Th,o) = hi .Ai. (Tb,i - ነ , )

Qh

= laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W)

扸

= laju aliran massa fluida panas di dalam pipa dalam (kg/s)

Cp,h = panas jenis fluida panas di dalam pipa dalam (kJ/kg.oC) commit to user Th,i = temperatur fluida panas masuk pipa dalam (oC)

(2.34)



Th,o = temperatur fluida panas keluar pipa dalam (oC) hi

= koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (W/m2.oC)

Ai


Ai

= p.di. L

di


L

= panjang pipa dalam (m)

Tb,i = temperatur fluida rata-rata bulk di dalam pipa dalam (oC) ነ

,

= temperatur rata-rata dinding dalam pipa dalam (oC)

Laju perpindahan panas dari fluida dingin di annulus : Qc = 扸 .Cp,c .(Tc,o – Tc,i) = ho. Ao. (ነ

dimana :

,

– Tb,o)

(2.35)

Qc

= laju perpindahan panas di annulus (W)

扸

= laju aliran massa fluida dingin di annulus (kg/s)

Cp,c

= panas jenis fluida dingin di annulus (kJ/kg.oC)

Tc,i

= temperatur fluida dingin masuk annulus (oC)

Tc,o

= temperatur fluida dingin keluar annulus (oC)

ho

= koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus (W/m2.oC)

Ao

= luas permukaan luar pipa dalam (m2)

Ao

= p.do. L

do

= diameter luar pipa dalam (m)

L

= panjang pipa dalam (m)

ነ

= temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam (oC)

,

= temperatur fluida rata-rata bulk dingin di annulus (oC)

Tb,o Nilai ነ

,

dan Tb,o dicari dari persamaan berikut : T w ,o =

STw ,o n

Tb,o = (Tc,o + Tc,i)/2 dimana ∑ ነ

,

(2.36) (2.37)

adalah jumlah temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam, dan

n adalah jumlah titik pengukuran temperatur dinding luar pipa dalam. commit to user



Perbedaan antara laju aliran panas dari persamaan (2.34) dan (2.35) menunjukkan ketidaksetimbangan energi (heat balance error). heat balance error = Q h - Q c

(2.38)

dimana dapat diabaikan jika penukar kalor diisolasi dengan baik. Persentase ketidaksetimbangan energi dari penukar kalor dinyatakan sebagai berikut : % heat balance error =

Qh - Qc x100% Qh

(2.39)

Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus (ho) dapat ditentukan dari persamaan (2.35) : ·

ho =

mc . C p,c . ( T c,o - Tc,i ) Ao .( T w ,o - Tb ,o )

commit to user

(2.40)

Gambar 2.20 Skema pengujian penukar kalor pipa konsentrik dengan twisted tape insert

35



Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus, Nuo dapat dinyatakan dengan persamaan : Nu o =

ho . Dh ko

(2.41)

dimana : Nuo = bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus ho = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di sisi annulus (W/m2.oC) Dh = diameter hidrolik annulus (m) ko = konduktivitas termal rata-rata fluida dingin di annulus (W/m.oC). Persamaan (2.33) dapat juga dinyatakan dengan parameter koefisien perpindahan panas overall untuk sisi dalam pipa dalam : Qh = Ui . Ai . DTLMTD

(2.42)

dimana : Qh = laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W) Ui

= koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dalam pipa dalam (W/m2.oC)

Ai


Ai

= p.di.L

DTLMTD = beda temperatur rata-rata logaritmik (logaritmic mean temperature different) (oC) Untuk penukar kalor pipa konsentrik dengan arah aliran kedua fluida berlawanan arah (counter-flow), nilai beda temperatur rata-rata logaritmik dinyatakan sebagai berikut : DTLMTD =

( Th ,i - Tc ,o ) - ( Th ,o - Tc ,i ) ln(( Th ,i - Tc ,o ) /( Th ,o - Tc ,i ))

(2.43)

Koefisien perpindahan panas overall, Ui , sistem pada penukar kalor konsentrik ini dinyatakan dengan : Ui =

1 é 1 d i . ln( d o / d i ) di ù + ê + ú 2 ki d o . ho û ë hi

commit to user

(2.44)



Dari persamaan (2.33), (2.42) dan (2.43), maka nilai Ui dapat dihitung : m h . c p . (Th,i - Th,o )

Ui =

Ai . DTLMTD

Ui =

p . di . L .

mh . c p . (T h,i - Th,o ) ( Th ,i - Tc ,o ) - ( Th ,o - Tc ,i )

(2.45) (2.46)

ln(( Th ,i - Tc ,o ) /( Th ,o - Tc ,i ))

Dengan diperoleh nilai ho dari persamaan (2.41) dan Ui dari persamaan (2.46), maka koefisien perpindahan panas rata-rata di sisi pipa dalam, hi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.44). hi =

1 é 1 d i . ln( d o / d i ) di ù ê ú 2k i d o . ho û ëU i

(2.47)

dimana ki adalah konduktivitas termal material pipa dalam. Bilangan Nusselt rata-rata pada sisi pipa dalam, Nui dapat dihitung dengan persamaan berikut : Nui =

hi .d i ki

(2.48)

dimana, ki adalah konduktivitas termal rata-rata fluida di pipa dalam, dihitung dari sifat fluida pada temperatur fluida rata-rata bulk. Bilangan Reynolds (Re) aliran fluida di pipa dalam, dihitung dengan persamaan : Re =

V . di n

(2.49)

Re =

r .V . d i m

(2.50)

dimana : Re = bilangan Reynolds V = kecepatan rata-rata fluida di pipa dalam (m/s) di = diameter dalam pipa dalam (m)

n = viskositas kinematik fluida di pipa dalam (m2/s) r = densitas fluida di pipa dalam (kg/m3) m = viskositas dinamik fluida di pipa dalam (kg/m.s)

commit to user



Dalam analisis penukar kalor, sering menggabungkan perkalian laju aliran massa dengan panas jenis fluida ke dalam besaran yang disebut laju kapasitas panas (heat capacity rate), C, dan didefinisikan untuk aliran fluida panas dan dingin berturut-turut sebagai berikut : Ch = 扸 . Cp,h

(2.51)

Cc = 扸 . Cp,c

(2.52)

Laju kapasitas panas dari sebuah aliran fluida menyatakan laju perpindahan panas yang diperlukan untuk mengubah temperatur aliran fluida sebesar 1 oC ketika mengalir melalui penukar kalor. Dalam sebuah penukar kalor, fluida dengan laju kapasitas panas besar akan mengalami perubahan temperatur yang kecil, dan fluida dengan laju kapasitas panas yang kecil akan mengalami perubahan temperatur yang besar. Dengan definisi laju kapasitas panas di atas, maka persamaan (2.33) dan (2.34) berturut-turut dapat dinyatakan juga dengan : Qh = Ch .(Th,i – Th,o)

(2.53)

Qc = Cc .(Tc,o – Tc,i)

(2.54)

Metode LMTD mudah digunakan dalam analisis penukar kalor jika temperatur-temperatur masuk dan keluar dari fluida panas dan dingin diketahui atau dapat ditentukan dari kesetimbangan energi. Jika DT LMTD , laju aliran massa, dan koefisien perpindahan panas overall tersedia, maka luas permukaan perpindahan panas dari penukar kalor dapat ditentukan dari persamaan Q = U.As.

DTLMTD. Jenis masalah kedua yang dihadapi dalam analisis penukar kalor adalah menentukan laju aliran panas dan temperatur keluaran dari fluida panas dan fluida dingin untuk laju aliran massa dan temperatur-temperatur masukan telah ditentukan ketika jenis dan ukuran dari penukar panas ditentukan. Metode LMTD masih dapat digunakan untuk masalah ini, tetapi prosedur penyelesaian memerlukan iterasi dan tidak praktis. Untuk menghindari iterasi penyelesaian masalah ini dapat menggunakan metode e-NTU (Effectiveness-NTU) dimana akan menyederhanakan analisis penukar kalor. Metode ini berdasarkan sebuah parameter tanpa dimensi yang disebut efektivenes penukar kalor, e, didefinisikan sebagai : commit to user


e=


Q laju perpindahan panas aktual = Qmaks laju perpindahan panas maksimum yang mungkin

(2.55)

Laju perpindahan panas aktual dalam sebuah penukar kalor dapat ditentukan dari kesetimbangan energi pada fluida panas dan fluida dingin dan dapat dinyatakan sebagai berikut : Q = Cc.(Tc,o – Tc,i) = Ch.(Th,i – Th,o)

(2.56)

Dimana Cc dan Ch berturut-turut adalah laju kapasitas panas fluida dingin dan fluida panas. Untuk menentukan laju perpindahan panas yang mungkin dalam sebuah penukar kalor, maka perbedaan temperatur harus maksimum antara temperatur masuk fluida panas dan fluida dingin dalam penukar kalor. Sehingga :

DTmak = Th,i – Tc,i

(2.57)

Perpindahan panas dalam sebuah penukar kalor akan mencapai nilai maksimum ketika (1) fluida dingin dipanaskan ke temperatur masukan fluida panas, atau (2) fluida panas didinginkan ke temperatur masukan dari fluida dingin. Fluida dengan laju kapasitas panas yang lebih kecil akan mengalami perubahan temperatur yang besar. Sehingga, laju perpindahan panas maksimum dalam sebuah penukar kalor adalah : Qmaks = Cmin.(Th,i – Tc,i)

(2.58)

dimana Cmin adalah nilai laju kapasitas panas yang lebih kecil, jika : Cc > Ch

, maka Ch = Cmin

(2.59)

Cc < Ch

, maka Cc = Cmin

(2.60)

Menentukan Qmaks memerlukan ketersediaan data temperatur masuk fluida panas dan dingin dan laju aliran kedua fluida tersebut, dimana biasanya sudah ditentukan. Sehingga jika efektivenes dari penukar kalor telah diketahui, laju perpindahan panas aktual Q dapat ditentukan dari persamaan : Q = e.Qmaks = e.Cmin.(Th,i – Tc,i)

(2.61)

Sehingga efektivenes penukar kalor dapat digunakan untuk menentukan laju perpindahan panas tanpa mengetahui temperatur keluaran fluida-fluida. Efektivenes dari sebuah penukar kalor tergantung pada geometri penukar kalor dan juga susunan aliran. Untuk penukar kalor pipa konsentrik aliran berlawanan arah (counter flow) korelasi untuk e dinyatakan sebagai berikut : commit to user



é U .As æ C öù çç1 - min ÷÷ú 1 - exp êëê Cmin è Cmaks øûú e= é U .As æ C C öù çç1 - min ÷÷ú 1 - min expêCmaks êë Cmin è Cmaks øúû

(2.62)

Hubungan efektivenes penukar kalor biasanya melibatkan kelompok tanpa dimensi UAs/Cmin. Besaran ini disebut number of transfer units (NTU) dan dinyatakan sebagai berikut : NTU =

U . As U . As = Cmin (m.Cp )min

(2.63)

Dimana U adalah koefisien perpindahan panas overall, dan As adalah luas permukaan perpindahan panas dari penukar kalor. NTU sebanding dengan As. Sehingga untuk nilai-nilai U dan Cmin tertentu, nilai NTU adalah ukuran dari luas permukaan perpindahan panas, As. Sehingga, semakin besar NTU, semakin besar penukar kalor. Dalam analisis penukar kalor, juga didefinisikan besaran tanpa dimensi lain yang disebut rasio kapasitas (capacity ratio), c , sebagai berikut : c=

Cmin Cmaks

(2.64)

Dapat dilihat bahwa efektivenes dari sebuah penukar kalor adalah fungsi dari NTU dan rasio kapasitas, c. Untuk penukar kalor pipa konsentrik aliran berlawanan arah (counter flow) korelasi untuk e dapat ditulis ulang dengan menggabungkan persamaan (2.62), (2.63) dan (2.64) sebagai berikut : e=

1 - exp[- NTU (1 - c )] 1 - c . exp[- NTU ( 1 - c )]

(2.65)

Jika besaran c = Cmin/Cmaks dan NTU = U.As/Cmin telah dievaluasi, efektivenes e dapat ditentukan dari grafik atau menggunakan korelasi untuk jenis penukar kalor tertentu. Kemudian laju perpindahan panas Q dan temperatur keluaran Th,o dan Tc,o dapat ditentukan, sehingga tidak memerlukan proses iterasi.

commit to user



Gambar 2.21. Efektivenes penukar kalor pipa ganda aliran berlawanan arah (Cengel,2003) Alternatif lain, dapat juga ditentukan dari metode e-NTU dengan pertama kali mengevaluasi efektivenes e dari persamaan (2.55), dan kemudian NTU dapat ditentukan dari hubungan untuk jenis penukar kalor tertentu. Untuk penukar kalor pipa konsentrik

aliran berlawanan arah (counter flow) korelasi untuk NTU sebagai berikut : NTU =

1 æ e -1 ö lnç ÷ c - 1 è e .c - 1 ø

(2.66)

Dalam prakteknya, untuk menyatakan penurunan tekanan untuk semua jenis internal flow ( aliran laminar atau turbulen, pipa bulat atau tidak bulat, permukaan halus atau kasar) dengan persamaan : DP = f

Lt . r .V 2 2.d i

(2.67)

dimana besaran tanpa dimensi f adalah faktor gesekan Darcy (Darcy friction factor). Penurunan tekanan (DP) yang terjadi pada aliran di pipa dalam ditentukan dari perbedaan ketinggian fluida dalam manometer pipa U, dimana DP dinyatakan dengan persamaan :

DP = rm . g . Dh dimana :

DP = penurunan tekanan (Pa) rm = densitas fluida manometer (kg/m3) g = percepatan gravitasi (m/s2)

Dh = beda ketinggian fluida manometer commit to user(m)

(2.68)



Gambar 2.22 Skema pengukuran penurunan tekanan pada penukar kalor pipa konsentrik

Sehingga faktor gesekan (f) dihitung menggunakan persamaan (2.68) sebagai berikut : f =

DP æ Lt öæ V 2 ö ç ÷ç r ç d ÷ç 2 ÷÷ è i øè ø

(2.69)

dimana : f

= faktor gesekan

DP = penurunan tekanan (Pa) Lt = panjang jarak titik pengukuran tekanan di pipa dalam (m) di = diameter dalam pipa dalam (m)

r = densitas fluida di pipa dalam (kg/m3) V = kecepatan rata-rata fluida di pipa dalam (m/s) Jika penurunan tekanan (DP) telah diketahui, maka daya pemompaan (pumping power), 䡈褠

=褠,

dapat ditentukan dari :

䡈褠

=褠

. ∆3

(2.70)

adalah laju aliran volumetrik aliran fluida (m3/s).

dimana

Parameter paling penting untuk desain penukar kalor adalah unjuk kerja termal (h ). Unjuk kerja termal (h ) dianalisa di bawah kondisi daya pemompaan yang konstan, antara pipa tanpa twisted tape insert (plain tube) dengan pipa dengan twisted tape insert (inserted tube). Untuk daya pemompaan yang konstan, berlaku : commit to user


dimana :

digilib.uns.ac.id 43 .

3褠

.

3

(2.71)

= laju aliran volumetrik fluida di pipa dalam (m3/s) DP = penurunan tekanan di pipa dalam (Pa) p

= plain tube (pipa tanpa twisted tape insert)

s

= swirl generator (pipa dengan twisted tape insert)

Dimana hubungan antara faktor gesekan (f) dengan bilangan Reynolds (Re) dapat dinyatakan sebagai berikut : . Re

. Re

(2.72)

Unjuk kerja termal (h ) didefinisikan sebagai perbandingan antara koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dari pipa dengan twisted tape insert dengan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dari pipa tanpa twisted tape insert pada daya pemompaan yang konstan. æh h =ç s çh è p

ö ÷ ÷ ø pp

(2.73)

dimana :

h = unjuk kerja termal hs = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dengan twisted tape insert (W/m2.oC) hp = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata tanpa twisted tape insert (W/m2.oC) pp

= daya pemompaan konstan

commit to user



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. Bahan Penelitian · Air 3.3. Alat Penelitian Spesifikasi alat penelitian : a) Alat penukar kalor pipa konsentrik saluran annular · Konstruksi : penukar kalor pipa konsentrik satu laluan (one pass concentric tube heat exchanger) · Bahan pipa : -

Pipa dalam dan pipa luar : Aluminium

· Dimensi -

pipa dalam : diameter luar 15,8 mm dan diameter dalam 14,3 mm

-

pipa luar

-

panjang pipa dalam

: 2.500 mm

-

panjang pipa luar

: 1.940 mm

-

ukuran celah annulus

: 3,8 mm

-

diameter hidrolik annulus : 7,6 mm

-

jarak pengukuran penurunan tekanan di pipa dalam : 2.240 mm

: diameter luar 25,4 mm dan diameter dalam 23,4 mm

· Arah aliran counter flow (aliran berlawanan arah) -

pipa dalam

: air panas dengan arah aliran horisontal.

-

pipa luar /annulus : air dingin aliran horisontal berlawanan arah dengan aliran air panas. commit to user 44

45

Gambar 3.1. Skema penukar kalor pipa konsentrik satu laluan dengan twisted tape insert

Gambar 3.2. Penukar kalor pipa konsentrik satu laluan



Gambar 3.3. Skema penukar kalor tanpa twisted tape insert

Gambar 3.4. Skema penukar kalor dengan classic twisted tape insert

to userperforated twisted tape insert Gambar 3.5. Skema penukarcommit kalor dengan



Gambar 3.6. Skema penukar kalor dengan notch twisted tape insert

Gambar 3.7. Skema penukar kalor dengan jagged twisted tape insert

b) Sisipan pita terpilin (Twisted tape insert) Classic twisted tape insert terbuat dari bahan aluminium strip dengan tebal 0,7 mm dan lebar 12,6 mm yang dipuntir sedemikian rupa sehingga berbentuk sebuah pilinan yang mempunyai panjang pitch 50,3 mm dan twist ratio-nya sebesar 4,0. Sedangkan perforated twisted tape insert, notch twisted tape insert, dan jagged twisted tape terbuat dari bahan dan ukuran yang sama dengan classic twisted tape insert, dengan panjang pitch 50,3 dan twist ratio 4,0. Pada perforated twisted tape dilubangi dengan diameter lubang sebesar 6,5 mm, jarak antar pusat lubang 50,3 mm pada garis tengah twisted tape insert, sehingga untuk setiap jarak commit user tape di bagian tepi twisted tape satu picth terdapat 2 lubang. Pada nocth to twisted



dilubangi setengah lingkaran dengan diameter 6,5 mm, dan jarak antar pusat lubang 50,3 mm, sehingga untuk setiap jarak satu picth terdapat 2 lubang. Pada jagged twisted tape insert di satu bagian tepi twisted tape insert dipotong dengan kedalaman 6,5 mm yang kemudian dilengkungkan ke atas dan jarak antar pusat tekukan 50,3 mm, sehingga untuk setiap jarak satu picth terdapat 2 tekukan. Keempat jenis twisted tape insert yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada gambar 3.8.

(a)

(b)

(c)

(d) Gambar 3.8. Variasi twisted tape insert a). Classic twisted tape insert; b). Notched twisted tape insert; c). Perforated twisted tape insert; d.) Jagged twisted tape insert

c) Flange Flange ini terbuat dari bahan nylon yang berfungsi untuk menyangga pipa dalam dan pipa luar agar tetap konsentrik (sehingga lebar celah annulus seragam). commit to user Flange dibuat melalui proses pengeboran dan pembubutan dari nylon yang



berbentuk

silinder.

Pembubutan

luar

dilakukan

untuk

meratakan

dan

menghaluskan permukaan nylon. Nylon kemudian dibor pada bagian tengahnya hingga mencapai diameter tertentu. Setelah itu, nylon dibor dalam hingga mencapai diameter yang diinginkan (gambar 3.9).

(a)

(b) Gambar 3.9. (a) Gambar detail flange ; (b) Flange setelah dilakukan proses pembubutan

commit to user



3

5

1 8

7

6

4 2 Gambar 3.10. Instalasi alat penelitian tampak depan.

9

commit to user tampak belakang Gambar 3.11. Instalasi alat penelitian



Keterangan gambar 3.10 dan 3.11 : 1. Penukar kalor 2. Bak air panas 3. Bak air dingin atas 4. Rotameter 5. Manometer 6. Temperature controller 7. MCB pompa air dingin dan air panas 8. Penjebak air 9. Penukar kalor tampak belakang

commit to user Gambar 3.12. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak depan



Gambar 3.13. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak samping

commit toalat user Gambar 3.14. Gambar 3D instalasi penelitian tampak belakang



d) Termokopel

Untuk mengukur temperatur, digunakan termokopel tipe-K. Tipe K [Chromel (Ni-Cr alloy)/Alumel (Ni-Al alloy)] tersedia untuk rentang suhu −200 °C hingga ± 1.200 °C. Termokopel ini dipasang pada sisi pipa dalam untuk mengukur temperatur air panas masuk dan keluar dari pipa dalam, pada dinding luar pipa dalam berjumlah 10 buah (untuk mengukur temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam, dan pada sisi keluar dan masuk air dingin di annulus. Pemasangan termokopel dilem menggunakan lem araldite yang terdiri dari pengeras (hardener) warna merah dan resin (warna putih).

(a)

(b)

Gambar 3.15. (a) Lem araldite ; (b) Konektor termokopel dan termokopel tipe K.

Pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air masuk dan keluar penukar kalor baik itu untuk air dingin maupun air panas, dan mengukur tamperatur dinding luar pipa dalam dapat dilihat pada gambar 3.16 dan gambar 3.17 berikut ini :

Gambar 3.16. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air masuk dan keluar di pipa dalam dan di annulus.

Gambar 3.17. Skema pemasangan termokopel commit to user untuk mengukur temperatur dinding luar pipa dalam.



Gambar 3.18. Pemasangan termokopel pada penukar kalor sejumlah 14 titik pemasangan

e) Thermocouple reader Alat ini digunakan untuk menunjukkan temperatur yang diukur oleh termokopel.

Gambar 3.19. Thermocouple reader.

f) Temperature controller dan contactor atau relay Temperature controller digunakan untuk menjaga temperatur air panas yang akan masuk ke pipa dalam agar konstan. Contactor atau relay dihubungkan dengan temperature controller dan digunakan untuk memutus dan menyambung arus listrik yang diatur oleh temperature controller.

Gambar 3.20. Temperature controller

commit to user



g) Pemanas air elektrik (electric water heater) Pemanas ini berfungsi untuk memanaskan air dalam tangki air panas. Pemanas yang digunakan berjumlah 10 buah dengan total daya yang dipakai adalah 5.000 Watt.

Gambar 3.21. Pemanas air elektrik.

h) Tandon air Tandon digunakan untuk menampung air panas dan air dingin sementara sebelum masuk penukar kalor.

(a)

(b)

Gambar 3.22. (a) Tangki air dingin (b) tangki air panas

i) Pompa sentrifugal Pompa sentrifugal digunakan untuk memompa air dari tangki air masuk ke dalam alat penukar kalor melalui pipa – pipa. Pompa yang digunakan sebanyak dua buah yaitu untuk memompa air panas dan air dingin. Tabel 3.1. Spesifikasi pompa DAB Model AQUA 125 A – pompa sumur dangkal ( non otomatis ) Kapasitas Max : 37 ltr/min

Size : 1”x1”

Daya hisap : 9 meter

OUTPUT : 125 Watt

Daya dorong : 15 meter

V/HZ/PH : 220/50/1

Total Head : 24 meter

commit to user

RPM : 2850



(a) (b) Gambar 3.23. Pompa sentrifugal.(a) pompa air panas (b) pompa air dingin

j) Flowmeter Flowmeter digunakan untuk mengukur debit aliran air panas sebelum masuk ke pipa dalam dari penukar kalor. Flowmeter diletakkan di antara saluran bypass dengan pipa sebelum masuk pipa dalam dari penukar kalor. Spesifikasi flowmeter : - Acrylic cover with linear scale - Glass : - Borosilite - Measuring span : - 1:10 - Suitable for on line instalation - Centre to Centre Distance : - 100 mm to 300 mm - Range between – 26 – 260 to 185 – 1850 NLPH of Water - Various Materials of Constructions :- MS / SS304 / SS316 / Brass. - Connections :- 1/4 BSP / NPT (F) Back - Back / Bottom – Top - Accuracy :- +/- 2% of full scale. - Powder coated finis

commit3.24. to user Gambar Flowmeter



k) Penjebak Air Penjebak air digunakan agar air dari pipa dalam tidak masuk ke manometer.

Gambar 3.25. Penjebak air

l) Manometer Manometer pipa U ini terbuat dari selang plastik yang berfungsi untuk mengukur perbedaan tekanan aliran air pada sisi pipa dalam. Fluida manometer yang digunakan adalah air.

Gambar 3.26. Manometer.

m) Stopwatch Stopwatch digunakan untuk mengukur selang waktu yang diperlukan untuk menampung air yang keluar dari annulus dalam jumlah tertentu dengan menggunakan ember.

commit user Gambar 3.27.toStopwatch.



n) Timbangan digital (digital scale) Digunakan untuk menimbang massa air yang tertampung sementara dalam ember selama selang waktu tertentu untuk mengetahui laju aliran massa air di annulus.

Gambar 3.28. Timbangan digital

o) Stop kran Stop kran ini dari bahan tembaga yang digunakan untuk mengatur debit aliran air. Sedangkan cara penggunaannya dengan cara diputar untuk mengatur debit yang akan diinginkan.

Gambar 3.29.Stop kran. .

p) Ball valve Ball valve ini digunakan ketika akan mengukur laju aliran massa air dingin yang keluar dari annulus sebelum dibuang.

Gambar 3.30. Ball valve.

commit to user



q) Rangka dan pipa – pipa saluran air Rangka dari plat besi yang disusun sedemikian rupa menggunakan mur dan baut ukuran M12 dan rangkaian ini digunakan sebagai penopang dan untuk meletakkan penukar kalor. Sedangkan pipa – pipa saluran air ini berasal dari bahan PVC berdiameter ¾ inchi dan digunakan untuk mempermudah aliran air masuk ke dalam alat penukar kalor.

3.4. Prosedur Penelitian Peralatan penelitian terdiri dari 3 sistem, yakni sistem pengukuran, sistem lintasan aliran pipa dalam, dan sistem lintasan aliran annulus. Lintasan aliran pipa dalam adalah sebuah lintasan tertutup. Air panas yang berada dalam tangki air panas digerakkan oleh pompa air panas, mengalir melewati seksi uji (pipa dalam) dan kembali ke tangki air panas. Pemanas air elektrik dikontrol dengan thermocontroller untuk mempertahankan temperatur konstan dalam tangki air panas. Lintasan aliran pada annulus adalah lintasan terbuka. Aliran air menggunakan metode gravitasi (aliran air dingin berasal dari tandon air yang dipasang diatas). Air dingin yang keluar dari seksi uji langsung dibuang.

3.4.1. Tahap Persiapan 1. Mempersiapkan dan memasang seluruh alat yang digunakan dalam pengujian, seperti : pompa sentrifugal, penukar kalor, thermocontroller, pemanas air elektrik, manometer, tangki air dingin, tangki air panas dan alat pendukung lainnya. 2. Memastikan bahwa tidak ada kebocoran pada alat penelitian baik itu pada pipa–pipa saluran, sambungan, selang, seksi uji, atau pada bagian yang lain. 3. Memastikan bahwa semua termokopel telah dipasang sebelumnya dan semua termokopel telah dihubungkan dengan thermocouple reader. 4. Memastikan bahwa ketinggian permukaan air pada manometer adalah sama. commit to user



3.4.2. Tahap Pengujian Pada penelitian ini, sebagai perbandingan diuji penukar kalor tanpa penambahan twisted tape insert di pipa dalam (plain tube), dan dengan penambahan classic twisted tape insert. Prosedur yang dilakukan dalam pengambilan data penelitian berdasarkan variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam adalah sebagai berikut : 3.4.2.1.Pengujian penukar kalor tanpa twisted tape insert (plain tube). 1. Menyalakan pemanas air elektrik yang berada di tangki air panas dan menyetel thermocontroller pada temperatur 60 oC. 2. Menyalakan pompa air panas. 3. Mengatur debit aliran air panas di pipa dalam, debit aliran air panas di pipa dalam terbaca pada flowmeter. 4. Menyalakan pompa air dingin untuk mengalirkan air dingin ke tandon atas. 5. Membuka penuh katup yang mengatur aliran air dingin yang berasal dari tandon atas ke annulus, sehingga diperoleh satu debit konstan di annulus. Debit di annulus diperoleh dengan cara menimbang air yang keluar annulus dalam selang waktu tertentu. 6. Setelah temperatur air yang masuk ke pipa dalam telah mencapai 60 oC maka dilakukan pengambilan data berupa temperatur air panas masuk dan keluar pipa dalam, temperatur air dingin masuk dan keluar annulus, temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam, dan beda ketinggian air di manometer hingga diperoleh kondisi tunak (steady state). Sementara itu, temperatur air yang masuk ke pipa dalam dijaga konstan 60 oC. 7. Mematikan pompa air panas, sementara itu pompa air dingin tetap menyala untuk menetralkan penukar kalor ke kondisi semula. 8. Menetralkan penukar kalor dengan cara mengalirkan air dingin pada sisi pipa dalam dan saluran annulus hingga diperoleh kondisi netral, ditandai dengan temperatur masuk dan keluar pipa dalam dan annulus berupa temperatur air kondisi temperatur lingkungan. commit to user



9. Memastikan ketinggian permukaan air pada manometer adalah sama untuk pengambilan data variasi debit aliran air panas di pipa dalam berikutnya. 10. Mengulangi langkah 1 sampai 9 untuk variasi debit aliran air panas di pipa dalam berikutnya hingga diperoleh ±15 variasi debit aliran air panas di pipa dalam. 11. Setelah percobaan selesai, mematikan pompa dan seluruh unit kelistrikan. 3.4.2.1. Pengujian penukar kalor dengan twisted tape insert. 1. Menyisipkan classic twisted tape insert ke dalam pipa dalam. 2. Menyalakan pemanas air elektrik yang berada di tangki air panas dan menyetel thermocontroller pada temperatur 60 oC. 3. Menyalakan pompa air bagian pipa dalam. 4. Mengatur debit aliran air panas di pipa dalam sama seperti pengujian penukar kalor tanpa twisted tape insert. Debit aliran air panas di pipa dalam terbaca pada flowmeter. 5. Menyalakan pompa air dingin untuk mengalirkan air dingin ke tandon atas. 6. Membuka penuh katup yang mengatur aliran air dingin yang berasal dari tandon atas ke annulus, sehingga diperoleh satu debit konstan di annulus. Debit di annulus diperoleh dengan cara menimbang air yang keluar annulus dalam selang waktu tertentu. 7. Setelah temperatur air yang masuk ke pipa dalam telah mencapai 60 oC maka dilakukan pengambilan data berupa temperatur air panas masuk dan keluar pipa dalam, temperatur air dingin masuk dan keluar annulus, temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam, dan beda ketinggian air di manometer hingga diperoleh kondisi tunak (steady state). Sementara itu, temperatur air yang masuk ke pipa dalam dijaga konstan 60 oC. 8. Mematikan pompa air panas sementara itu pompa air dingin tetap menyala untuk menetralkan penukar kalor ke kondisi semula. commit to user



9. Menetralkan penukar kalor dengan cara mengalirkan air dingin pada sisi pipa dalam dan saluran annulus hingga diperoleh kondisi netral, ditandai dengan temperatur masuk dan keluar pipa dalam dan annulus berupa temperatur air kondisi temperatur lingkungan. 10. Memastikan ketinggian permukaan air pada manometer adalah sama untuk pengambilan data variasi debit aliran air panas di pipa dalam berikutnya. 11. Mengulangi langkah 2 sampai 10 untuk variasi debit aliran air panas di pipa dalam berikutnya hingga diperoleh ±11 variasi debit aliran air panas di pipa dalam. Debit aliran air panas yang divariasi sama dengan debit aliran air panas saat pengujian dengan penukar kalor tanpa twisted tape insert. 12. Mengulangi langkah 1 sampai 11 untuk perforated twisted tape insert 13. Mengulangi langkah 1 sampai 11 untuk notch twisted insert 14. Mengulangi langkah 1 sampai 11 untuk jagged twisted tape insert. 15. Setelah percobaan selesai, mematikan pompa dan seluruh unit kelistrikan. 3.5. Metode Analisis Data Dari data yang telah diperoleh, yaitu berupa temperatur air masuk dan keluar pipa dalam dan annulus, temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam, beda ketinggian air di manometer dan debit aliran air di annulus (konstan) dan debit aliran air di pipa dalam, selanjutnya dapat dilakukan analisis data yaitu dengan: a. Menentukan sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus b. Menghitung laju aliran massa air di pipa dalam dan di annulus ( ࿨ )

c. Menghitung laju perpindahan panas (

) dan (

)

d. Menghitung kesalahan kesetimbangan energi. e. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus (h賸) f. Menghitung bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus (Nu賸) commit to user



g. Menghitung koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dalam pipa dalam (U ) h. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (h ) i.

Menghitung bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam (Nu )

j. Menghitung bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam (Re) k. Menghitung efektivitas penukar kalor (ε) l.

Menghitung Number of Transfer Units (NTU)

m. Menghitung penurunan tekanan (ΔP) n. Menghitung faktor gesekan ( f ) o. Menghitung unjuk kerja termal (h) Dari perhitungan tersebut dapat dibuat grafik – grafik hubungan Nu,i - Re, DP - Re, f vs Re, f/fp – Re, ε – NTU dan h - Re. Dari hasil penelitian ini nanti juga dibandingkan dengan korelasi empirik yang telah ada.

commit to user



3.6. Diagram Alir Penelitian Mulai Alat penukar kalor pipa konsentrik saluran annular satu laluan

Variasi:

Variasi:

Variasi:

Bilangan Reynolds di pipa dalam tanpa twisted tape insert

Bilangan Reynolds di pipa dalam dengan classic twisted tape insert

Bilangan Reynolds di pipa dalam dengan perforated twisted tape insert, notch twisted tape insert dan jagged twisted tape insert.

· · ·

Pengambilan data: Debit air panas dan air dingin Temperatur air dan temperatur dinding luar pipa dalam Beda ketinggian air manometer

Analisis data: a. Menentukan sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus b.Menghitung laju aliran massa air di pipa dalam dan di annulus ( ࿨) c. Menghitung laju perpindahan panas (Q ) dan (Q ) d.Menghitung presentase kesalahan keseimbangan energi e. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus (h賸) f. Menghitung bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus (Nu賸) g.Menghitung koefisien perpindahan panas overall (Ui) h.Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (hi) i. Menghitung bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam (Nui) j. Menghitung bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam (Re) k.Menghitung efektivitas penukar kalor (ε) l. Menghitung number of tranfer units (NTU) m. Menghitung penurunan tekanan (ΔP) n.Menghitung faktor gesekan ( f ) o.Menghitung unjuk kerja termal (h)

kesimpulan selesai

commit to user



BAB IV DATA DAN ANALISIS

Pada bab ini akan dianalisis mengenai pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan pengaruh penambahan perforated twisted tape insert, notched twisted tape insert, dan jagged twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran annular terhadap karakteristik perpindahan panas konveksi dan faktor gesekannya. Pengujian dilakukan dengan memvariasi bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dengan variasi debit 2-10 LPM untuk pipa tanpa twisted tape insert (plain tube), sedangkan untuk pipa dalam dengan twisted tape insert variasi bilangan Reynolds diatur pada variasi debit 2-7 LPM. Pengujian dilakukan dengan menjaga temperatur air panas masukan pada pipa dalam konstan 60 oC, sedangkan air dingin masuk ke annulus pada temperatur ±28 oC. Data yang diperoleh dalam pengujian ini yaitu; temperatur air panas masuk dan keluar pipa dalam, temperatur air dingin masuk dan keluar annulus, temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam, laju aliran massa air di pipa dalam dan annulus, dan penurunan tekanan (pressure drop) di pipa dalam. Tiap variasi pengujian, data diambil setiap 10 menit hingga diperoleh kondisi tunak (steady state). Data-data pada kondisi tunak ini yang digunakan dalam perhitungan dan analisis data penelitian.

4.1

Data Hasil Pengujian Dari hasil pengamatan laju aliran massa air di annulus ( ) dan penurunan

tekanan di sisi pipa dalam (DP), temperatur air panas masuk (Th,i) dan keluar (Th,o) pipa dalam, dan temperatur air dingin masuk (Tc,i) dan keluar (Tc,o) annulus, serta temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam (Tw) saat pengujian pada kondisi tunak, diperoleh data seperti pada Tabel 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 dan 4.5 sebagai berikut :

commit to user

66

Tabel 4.1. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam pada variasi tanpa twisted tape insert (plain tube).

Ṽh (LPM)

Δh (mm)

Tw1 (oC)

Tw2 (oC)

Tw3 (oC)

Tw4 (oC)

Tw5 (oC)

Tw6 (oC)

Tw7 (oC)

Tw8 (oC)

Tw9 (oC)

Tw10 (oC)

Th,i (oC)

Th,o (oC)

Tc,i (oC)

Tc,o (oC)

2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5

17,0 19,0 25,0 40,0 43,0 56,0 70,0 75,0 95,0 101,0 125,0 133,0 145,0 176,0

33,5 35,3 36,3 36,8 37,0 38,6 39,5 39,8 40,3 41,1 41,4 42,2 42,7 42,5

33,8 35,1 36,7 37,9 37,8 39,3 40,0 40,1 41,3 41,2 41,6 42,3 43,0 42,7

34,4 35,8 37,5 38,1 38,1 40,1 40,5 40,9 41,5 42,5 42,0 43,7 43,4 44,2

34,5 36,1 37,9 38,2 38,6 40,4 41,0 41,3 41,6 43,2 43,0 44,6 44,6 45,2

35,0 36,4 38,9 39,1 38,9 40,9 41,5 42,6 42,8 43,5 43,5 44,9 45,5 45,5

37,8 39,5 40,7 42,5 41,0 41,2 43,6 45,8 47,6 46,7 45,9 47,3 47,5 47,4

38,3 39,7 42,5 43,2 43,0 44,5 45,7 46,8 47,7 47,4 48,3 48,9 49,5 49,6

40,2 41,3 42,6 44,4 43,4 45,6 45,7 47,7 47,9 47,7 49,8 50,0 51,1 50,5

40,8 42,1 44,0 45,4 44,9 46,6 47,0 48,9 49,2 49,2 50,0 51,0 51,4 51,2

42,3 43,7 45,6 47,0 47,1 48,7 48,6 50,4 50,6 50,7 51,0 52,3 52,3 52,1

60,0 60,3 60,0 60,2 59,8 60,2 59,8 60,3 60,5 59,9 60,2 60,0 59,8 59,8

42,8 44,3 45,9 46,4 46,6 47,9 48,3 49,3 49,5 49,8 50,2 50,8 51,3 51,2

27,8 27,2 28.0 27,7 27,5 28,3 28,0 28,0 27,7 27,9 28,2 28,6 28,7 28,4

33,1 33,4 34.5 35,2 35,7 36,9 36,9 37,3 38,0 38,0 39,0 39,3 39,3 39,6

9,0

179,0

43,4

43,5

43,9

45,2

46,1

50,0

50,2

50,5

51,9

53,0

60,1

51,6

27,8

39,8

9,5

209,0

44,1

44,2

45,8

46,6

47,0

50,3

50,4

50,8

52,5

54,0

60,1

52,0

28,1

40,2

10,0

245,0

44,4

44,6

46,0

46,8

47,6

49,5

50,9

51,1

52,6

54,0

60,1

52,7

28,9

40,5

67

Tabel 4.2. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam pada variasi dengan classic twisted tape insert.

Ṽh (LPM)

Δh (mm)

Tw1 (oC)

Tw2 (oC)

Tw3 (oC)

Tw4 (oC)

Tw5 (oC)

Tw6 (oC)

Tw7 (oC)

Tw8 (oC)

Tw9 (oC)

Tw10 (oC)

Th,i (oC)

Th,o (oC)

Tc,i (oC)

Tc,o (oC)

2,0 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7

43,0 65,0 96,0 124,0 159,0 194,0 223,0 268,0 315,0 370,0 426,0

34,5 36,0 37,4 37,9 38,5 38,7 39,5 40,0 40,4 41,4 41,9

34,9 36,7 37,6 38,0 38,6 39,5 40,2 41,0 41,6 42,6 42,5

37,2 38,8 38,6 38,8 39,1 40,5 41,1 42,0 43,0 43,0 43,2

37,4 39,2 39,3 40,4 41,3 42,1 42,4 43,1 43,6 43,8 44,2

37,5 40,2 39,5 40,9 41,8 42,5 43,0 44,1 44,6 44,8 45,4

40,2 41,9 41,7 43,4 44,0 45,0 45,0 46,0 46,6 45,4 46,4

41,4 42,9 43,3 44,6 45,1 45,7 47,0 47,3 48,0 48,3 48,4

42,4 44,2 44,8 45,8 46,7 46,7 47,7 47,5 48,2 48,5 49,0

44,2 46,2 46,5 47,7 48,5 48,9 49,6 49,8 50,2 50,2 50,9

46,5 48,6 49,3 50,3 50,9 51,5 51,9 52,0 52,1 52,3 53,2

60,5 60,4 60,4 60,2 60,4 60,6 60,3 60,2 60,3 60,3 60,3

42,0 43,3 44,6 45,2 46,5 47,6 47,9 48,2 48,8 49,2 49,6

28,0 28,3 27,6 28,7 28,8 28,4 28,3 28,3 28,0 28,4 28,0

33,5 34,3 34,3 36,0 36,4 36,5 36,8 37,3 37,4 38,1 38,0

Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam pada variasi dengan perforated twisted tape insert, notched twisted tape insert dan jagged twisted tape insert pada lampiran B.


4.2


Perhitungan Data

Data seksi uji penukar kalor pipa konsentrik saluran annular: Ø Diameter dalam pipa dalam (di)

: 0,0143 m

Ø Diameter luar pipa dalam (do)

: 0,0158 m

Ø Luas permukaan dalam pipa dalam (Ai)

: 0,0948 m2

Ø Luas permukaan luar pipa dalam (Ao)

: 0,1047 m2

Ø Luas penampang pipa dalam (At,i)

: 0,00016 m2

Ø Diameter dalam pipa luar (Di)

: 0,0234 m

Ø Diameter luar pipa luar (Do)

: 0,0254 m

Ø Diameter hidrolik annulus (Dh)

:



(.

(.

.

.

.

.



Dh= (0,0234 -0,0158) m = 0,0076 m Ø Massa jenis fluida manometer (ρm)

: 995,750 kg/m3

Ø Panjang pipa dalam (L)

: 2,110 m

Ø Panjang antar pressure tap (Lt)

: 2,240 m

Gambar 4.1. Dimensi pipa dalam dan pipa luar penukar kalor pipa konsentrik saluran annular

Ø Luas permukaan dalam pipa dalam (Ai) : Ai = π.di.L = 3,14. 0,0143 m . 2,110 m = 0,0948 m2 Ø Luas permukaan luar pipa dalam (Ao) Ao = π.do.L = 3,14 . 0,0158 m . 2,110 m = 0,1047 m2 Ø Luas penampang pipa dalam (At,i) commit to user At,i = π/4.di2= 3,14 / 4 . (0,0143 m)2 = 0,00016 m2



4.2.1 Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju aliran volumetrik 6,0 LPM pada variasi tanpa twisted tape insert (plain tube). Data hasil pengujian : -

Temperatur air masuk pipa dalam (Th,i )

: 60,5 oC

-

Temperatur air keluar pipa dalam (Th,o)

: 49,5 oC

-

Temperatur air masuk annulus (Tc,i)

: 27,7 oC

-

Temperatur air keluar annulus (Tc,o)

: 38,0 oC

-

Beda ketinggian air pada manometer (∆h)

: 0,095 m

-

Laju aliran massa air masuk annulus ( )

: 0,1135 kg/s

a. Sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus

§ Temperatur bulk rata-rata air di pipa dalam : Tb,i =

Th,i + Th,o (60,5 + 49,5)°C = = 55,0 oC = 328,0 K 2 2

§ Sifat-sifat air di pipa dalam pada Tb,i (Tabel A.6, Frank P. Incropera) :

rh = 985,42 kg/m3 Cp,h = 4.183,20 J/kgoC = 0,648 W/m oC

ki

mi = 5,0 .10-4 kg/(m.s) Pr = 3,26 § Temperatur bulk rata-rata air di annulus : Tb,o =

Tci + Tco (27,7 + 38,0)°C = = 33,9 oC = 305,9 K 2 2

§ Sifat-sifat air di annulus pada Tb,o (Tabel A.6, Frank P. Incropera) :

rc = 994,69 kg/m3 Cp,c = 4.177,83 J/kg oC ko

= 0,622W/m oC

mo = 7,5 .10-4 kg/(m.s) Pr = 5,09 b. Laju aliran massa air di pipa dalam, :  = rh .

= 985,42 kg/m3 .

6,0 LPM

= 9,85.10-2 kg/s 60 s.1000 commit to user m3



c. Laju perpindahan panas : Qh =  . Cp,h .(Th,i – Th,o)

= 9,85.10-2 kg/s . 4.183,20 J/kg oC. (60,5 – 49,5) oC = 4.534,43 W

Qc =  . Cp ,c.(Tc,out – Tc,in)

= 0,1135 kg/s . 4.177,83 J/kg oC . (38,0 – 27,7) oC = 4.884,09 W

d. Persentase kesalahan keseimbangan energi (heat balance error) heat balance error = Qh - Qc = 4.534,43 W – 4884,09 W = 349,66 W % heat balance error =

=

Qh Qc Qh 羘(T,��

.100%

4.534,43

.100%

= 7,71 % e. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus, ho : Tw,o= ho

40,3+41,3+41,5+41,6+42,8+47,6+47,7+47,9+49,2+50,6 10

=

=

= 45,1 oC

Qc Ao . ( Tw,o - Tb,o ) 4.884,09 W 0,1047 m2. (45,1 – 33,9)°C

= 4.165,04 W/m2.oC f. Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus, Nuo: Nuo = =

ho . ko 4.165,04 W/m2 oC . 0,0076 m 0,622 W/m. oC

= 50,89 g. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan dalam pipa dalam, Ui : Qh =  .Cp,h .(Th,i – Th,o) = Ui.Ai.ΔTLMTD Ui =

mh Cp,h . Th,i - Th,o Ai . ΔTLMTD

commit to user


Ui =


Qh Ai . ΔTLMTD Qh

Ui =

Th,i - Tc,o - Th,o - Tc,i

Ai .

ln

Th,i - Tc,o / Th,o - Tc,i

4.534,43 W

Ui = 0,0948 m2 .

60,5- 38,0 °C – 49,5-27,7 °C ln

60,5- 38,0 °C / 49,5-27,7 °C

= 2.159,81 W/m2.oC h. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam, hi : 1

hi =

1 Ui

⁄

.ln( 2.

hi = 1 2.159,81 W/m2oC

–

)

-

.ho

1

0,0158 m 0,0143 m ln 0,0143 m 2 . 237 W/m oC

hi = 4.481,36 W/m2.oC

–

0,0143 m 㶈0,0158 m掰.㶈4.105,04 W/m2 oC掰

i. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan luar pipa dalam, Uo : 1

Uo =

. ln hi

+

Uo =

.km

+

1 ho

1

0,0158 m 㶈0,0143 m掰.㶈4.481,36 W/m2 oC掰

+

0,0158 m. ln 0,0158 m 0,0143 m 2 . 237 W/m oC

Uo = 1.954,77 W/m2.oC

j. Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam, Nu,i : Nui = =

hi . di ki 4.481,36 W/m2 oC . 0,0143 m

= 98,89

0,648 W/m. oC

commit to user

+ 4.105,041W/m2 oC



k. Bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam, Re : Kecepatan rata-rata aliran air di pipa dalam, : =

,

1 menit 1 m3 60s 1000L = 0,625 m/s 0,00016 m2

6,0 LPM . =

Re =

=

ρ h di 㶈985,42 kg/m3掰. 㶈 ,625 m/s掰.㶈0,0143 m掰 5,0. 10-4 kg/m.s

= 17.614,4

l. Validasi Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam untuk plain tube (Nu,i) : · Menggunakan persamaan Petukhov Faktor gesekan menurut Petukhov : ƒ = (0,79. ln Re – 1,64)-2 = (0,79. ln 17.614,4 - 1,64)-2 = 0,0271 ƒ 8

Nui,Petukhov =

Re .Pr ƒ 1/2

1,07 +12,7 8

0,0271 8

=

1,07 + 12,7

(Pr2/3 -1)

㶈17.614,4掰.3,26

0,0271 1/2 (3,262/3 -1) 8

= 99,45 % error = % error =

Nui Plain tube - Nui Petukhov Nui Petukhov

.100%

98,89 – 99,45 .100% = 0,005 % 99,45

· Menggunakan persamaan Gnielinski (1976): Nui,Gnelienski =

ƒ 8

㶈Re-1000掰.Pr

1+12,7

ƒ 1/2 2/3 (Pr -1) 8

commit to user



0,0271 8

=

1+12,7

㶈17.614,4 - 1000掰.3,26

= 97,28 0,0271 1/2 (3,262/3 -1) 8

% error =

Nui Plain tube - Nui Gnielinski

% error =

98,89 – 97,28 .100% = 0,016 % 97,28

Nui Gnielinski

.100%

· Menggunakan persamaan Dittus – Boelter :

Nu,i = 0,023.Re0,8.Prn Nu,i = 0,023 . (17.614,4)0,8. (3,26)0,3 = 81,73 % error =

Nui Plain tube - Nui Dittus Boelter

=

Nui Dittus-Boelter

98,89 – 81,73 ue. 羘

.100%

.100% = 20,9 %

m. Penurunan tekanan di pipa dalam, (ΔP) : DP

= rm.g. Dh = (995,75 kg/m3). (9,81 m/s2). (0,095 m).

1N

1 Pa

kg.m/s2

1N/m2

= 927,98 Pa n. Faktor gesekan, ƒ: ƒ=

ΔP Lt ρh d 2

.

927,98 Pa = 㶈2,240 m掰㶈985,42 kg/m3掰㶈0,625 m/s掰2 = 0,0310 㶈0,0143 m掰

2

o. Validasi faktor gesekan menggunakan persamaan Blasius, Petukhov, dan Colebrook · Persamaan Blasius: ƒ = 0,3164. Re-0,25 = 0,3164. (17.614,4)-0,25 = 0,0276 %error =

ƒPlain tube - ƒBlasius ƒBlasius

.100% commit to user


=


0,031 – 0,0276 .100% = 12,32 % 0,0276

· Menggunakan persamaan Petukhov: Diketahui faktor gesekan menurut Petukhov = 0,0271 %error =

=

ƒPlain tube - ƒPetukhov ƒPetukhov 0,031– 0,0271 0,0271

.100%

.100% = 14,39 %

· Persamaan Colebrook: Faktor gesekan dengan persamaan Colebrook: = 0,25 log

ε⁄D 3,7

+

5,74

-2

Re0,9

Kekasaran relatif pipa dalam, e/Dh = 0, dengan metode iterasi didapat data : fColebrook = 0,0268 %error =

=

ƒPlain tube - ƒColebrook ƒColebrook 0,031 – 0,0269 0,0269

.100%

.100% = 15,33 %

p. Efektivenes penukar kalor Ch =  .Cp,h = 9,85.10-2 kg/s . 4.183,20 J/kgoC = 412,05 J/soC Cc =  .Cp,c = 0,1135 kg/s . 4.177,83 J/kgoC = 474,18 J/s oC

Ch< Cc , Cmin = Ch= 412,05 J/s oC; Cmaks= Cc = 474,18 J/s oC c= e=

Cmin Cmaks Qh Qmaks

NTU =

NTU =

= =

412,05 J/ 474,18 J/

= 0,87

Qh Cmin . (Th,i - Tc,i )

Ui . Ai Cmin

=

=

4.534,43 W 㶈412,05 J/s° C掰.(60,5 - 27,7)° C

㶈2.159,81 W/m2 o C).㶈0,0948 m2掰 412,05 J/

= 0,50

e- 1 1 0,34-1 ln = ln = 0,50 c-1 e.c-1 0,87-1 (0,34掰.㶈0,87掰 - 1 1

commit to user

= 0,34



4.2.2 Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju aliran volumetrik 6,0 LPM dengan variasi classic twisted tape insert. Data hasil pengujian : -

Temperatur air masuk pipa dalam (Th,i )

: 60,3oC

-

Temperatur air keluar pipa dalam (Th,o)

: 48,8oC

-

Temperatur air masuk annulus (Tc,i)

: 28,0oC

-

Temperatur air keluar annulus (Tc,o)

: 37,4oC

-

Beda ketinggian air pada manometer (∆h)

: 0,315 m

-

Laju aliran massa air masuk annulus ( )

: 0,1135 kg/s

a. Sifat-sifat air di pipa dalam dan di annulus

§ Temperatur bulk rata-rata air di pipa dalam : Tb,i =

Thi + Tho (60,3 + 48,8)°C = = 54,6oC = 327,6 K 2 2

§ Sifat-sifat air di pipa dalam pada Tb,i (Tabel A.6, Frank P. Incropera) :

rh = 985,68 kg/m3 Cp,h = 4.183,02 J/kgoC ki

= 0,647 W/m oC

mi = 5,1 .10-4 kg/(m.s) Pr = 3,28 § Temperatur bulk rata-rata air di annulus : Tb,o =

Tci + Tco (28,0 + 37,4)°C = = 32,7 oC = 305,7 K 2 2

§ Sifat-sifat air di annulus pada Tb,o (Tabel A.6, Frank P. Incropera) :

rc = 994,75 kg/m3 Cp,c = 4.177,86 J/kg oC ko

= 0,621 W/m oC

mo = 7,6 .10-4 kg/(m.s) Pr = 5,11

b. Laju aliran massa air di pipa dalam, :  = rh . = 985,68 kg/m3 .

6,0 LPM 60 s.1000 m3 commit to user

= 9,86.10-2 kg/s



c. Laju perpindahan panas : Qh =  . Cp,h .(Th,i – Th,o)

= 9,86.10-2 kg/s . 4.183,02 J/kg oC. (60,3 – 48,8)oC = 4.741,59 W

Qc =  . Cp ,c.(Tc,out – Tc,in)

= 0,1135 kg/s . 4.177,86 J/kg oC . (37,4 – 28,0)oC = 4.457,36 W

d. Persentase kesalahan keseimbangan energi (heat balance error) heat balance error = Qh - Qc = 4.741,59 W – 4.457,36 W = 284,23 W % heat balance error =

=

Qh Qc Qh 1u(,1羘

.100%

4.457,36

.100% = 6,37 %

e. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus, ho : Tw,o=

40,4 + 41,6 + 43,0 + 43,6 + 44,6 + 46,6 + 48 + 48,2 + 50,2 + 52,1 10

= 45,8 oC ho

=

=

Qc Ao . ( Tw,o - Tb,o ) 4.457,36 W 0,1047 m2. (45,8 – 32,7)°C

= 3.249,82 W/m2.oC

f. Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus, Nuo: Nuo = =

ho . ko 3.249,82 W/m2 oC . 0,0076 m ,�1e W/m. oC

= 39,77

g. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan dalam pipa dalam, Ui : Qh=  .Cp,h .(Th,i – Th,o) = Ui.Ai.ΔTLMTD Ui =

mh Cp,h . Th,i - Th,o Ai . ΔTLMTD

=

Qh

Ai . ΔTLMTD

commit to user



Qh

Ui =

Th,i - Tc,o - Th,o - Tc,i

Ai .

ln

Th,i - Tc,o / Th,o - Tc,i

4.741,59 W

Ui =

60,3- 37,4 °C – 48,8-28,0 °C

0,0948 m2 .

ln

= 2.291,07 W/m2.oC

60,3- 37,4 °C / 48,8-28,0 °C

h. Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam, hi : 1

hi =

⁄

.ln( 2.

1 Ui

)

hi = 1 2.291,07 W/m2oC

–

hi = 6.452.80 W/m2.oC

-

.ho

1

0,0158 m 0,0143 m ln 0,0143 m 2 . 㶈237 W/m oC掰

–

0,0143 m 㶈0,0158 m掰.㶈3.249,82W/m2 oC掰

ii. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan luar pipa dalam, Uo : 1

Uo =

. ln hi

+

Uo=

.km

+

1 ho

1

0,0158 m 㶈0,0143 m掰 .㶈6452,80 W/m2 oC掰

Uo = 2.073,56 W/m2.oC

+

0,0158 m. ln 0,0158 m 0,0143 m 2 . 㶈237 W/m oC掰

j. Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam, Nu,i : Nui = =

hi . di ki 6.452,80 W/m2 .oC . 0,0143 m 0,647 W/m. oC

= 142,61

k. Bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam, Re : Kecepatan rata-rata aliran air di pipa dalam, : =

,

commit to user

+ 㶈3.249,821W/m2 oC掰



1 menit 1 m3 60s 1000L 0,00016 m2

6,0 LPM . =

= 0,625 m/s Re =

=

ρh di µ 㶈985,68 kg/m3掰.㶈0,625 m/s掰.㶈0,0143 m掰 5,1. 10-4 kg/m.s

= 17.273,56 l. Validasi bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam penukar kalor saluran annular dengan korelasi Manglik –Berges. .

Ø2 =

0,8

π

π+2-2t/di

0,2

π - 4t/di

π - 4t/di

0,8

π+ 2-

π

=

π-

0,2

4.7. 10-4 0,0143

π-

2.7.10-4

0,0143 4.7.10-4 0,0143

= 1,16 Nu = 0,023. Re0,8 . Pr0,4[1+0,769

2di H

] Ø2

2. 㶈0,0143 m掰 = 0,023. (17.273,56)0,8. (3,28)0,4[1+0,769. ]. 1,16 㶈5,03.10-2 掰

= 151,38 % error =

=

Nui classic - Nui Manglik-Berges Nui Manglik-Berges 143,29 – 151,38 151,38

.100%

. 100% = 5,34 %

m. Penurunan tekanan di pipa dalam, (ΔP): DP

= rm.g. Dh 1N = (995,75 kg/m3). (9,81 m/s2). (0,315 m) . Kg.m/s2 commit to user

1 Pa 1N/m2



= 3.077,02 Pa n. Faktor gesekan, ƒ: ƒ=

ΔP

.

Lt ρh d 2

3.077,02 Pa = 㶈2,240 m掰.㶈985,68 kg/m3掰.㶈0,625m/s掰2 㶈0,0143 m掰

2

= 0,103

p. Efektivenes penukar kalor Ch =  .Cp,h = 9,86.10-2 kg/s . 4.183,02 J/kgoC = 412,45 J/soC Cc =  .Cp,c = 0,1135 kg/s . 4.177,86 J/kgoC = 474,19 J/s oC

Ch< Cc , Cmin = Ch= 412,45 J/s oC; Cmaks= Cc = 474,19 J/s oC c= e=

Cmin Cmaks

=

Qh Qmaks

NTU =

NTU =

=

412,45 J/

= 0,87

474,19 J/ Qh

Cmin . (Th,i - Tc,i )

Ui . Ai Cmin

=

=

4.741,59 W 412,45 J/s° C (60,3 - 28,0)° C

㶈2.291,07 W/m2 C) .㶈0,0948 m2掰 412,45 J/

= 0,36

= 0,53

e- 1 1 0,36-1 ln = ln = 0,5 c-1 e.c-1 0,87-1 (0,36掰.㶈0,87掰 - 1 1

Contoh perhitungan pada debit 6 LPM perforated, notched dan jagged twisted tape insert pada lampiran C

4.2.3 Daya Pemompaan Daya pemompaan dapat ditentukan dengan persamaan = . ΔP. Contoh perhitungan daya pemompaan variasi tanpa twisted tape insert (plain tube) 6 LPM: Daya pemompaan =

6 LPM 60 s.1000 m3

. 927,04 Pa

= 10. 10-5 m3/s . 927,04 Pa = 9,27.10-2 Pa.m3/s = 9,27.10-2 W commit to user



Tabel 4.3. Data pengujian daya pemompaan penukar kalor saluran annular dengan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert (plain tube)

Ṽh (LPM)

Plain

2,0

0,0055

0,0104

0,0124

0,0140

0,02082

2,5

0,0077

0,0187

0,0228

0,0264

0,03863

3,0

0,0122

0,0307

0,0385

0,0468

0,06197

3,5

0,0228

0,0438

0,0569

0,0706

0,09620

4,0

0,0280

0,0664

0,0826

0,1034

0,13987

4,5

0,0410

0,0864

0,1156

0,1420

0,19029

5,0

0,0569

0,1098

0,1488

0,1813

0,25941

5,5

0,0671

0,1458

0,1941

0,2397

0,32829

6,0

0,0927

0,1776

0,2479

0,3074

0,42449

6,5

0,1068

0,2262

0,3182

0,3911

0,52752

7,0

0,1423

0,2880

0,3871

0,4850

7,5

0,1622

-

-

-

0,66032 -

8,0

0,1887

-

-

-

-

8,5

0,2433

-

-

-

-

9,0

0,2620

-

-

-

-

9,5 10,0

0,3229 0,3985

-

-

-

-

Daya pemompaan (Watt) Perforated Notched Classic

Jagged

Perbandingan bilangan Nusselt, faktor gesekan, unjuk kerja termal, efektivitas dan NTU dari penukar kalor dengan penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert (plain tube) ditentukan pada daya pemompaan yang sama : V. ΔP

p

= V. ΔP

s

Nilai daya pemompaan dari masing-masing variasi percobaan dapat dilihat pada tabel 4.6. 4.2.4. Menentukan Re, hi, h, Nui, f, e, ∆P, NTU pada daya pemompaan yang sama a. Menentukan bilangan Reynolds di pipa dalam pada daya pemompaan yang sama Hubungan Re dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dilihat pada commit to user gambar 4.2



24,000 21,000

Notched Perforated Plain y = 29246x0.381 y = 44274x0.388 y = 33843x0.398 R² = 0.999 R² = 0.999 R² = 0.992

Classic y = 26665x0.372 R² = 0.999

18,000

Jagged y = 23866x0.381 R² = 0.999

Re

15,000 Plain

12,000

Perforated Notched

9,000

Classic Jagged Regresi Plain

6,000

Regresi Perforated Regresi Notched

3,000

Regresi Classic Regresi Jagged

0 0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

Daya pemompaan (W) Gambar 4.2. Grafik hubungan bilangan Reynolds di pipa dalam dengan daya pemompaan

Bilangan Reynolds (Re) pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan menggunakan persamaan regresi untuk masing-masing penukar kalor dengan twisted tape insert maupun tanpa twisted tape insert (plain tube). Contoh perhitungan Re pada daya pemompaan 2,28.10-2 Watt · Re,Plain Tube

= 44274. (2,28.10-2)0,388

= 10210,041

· Re,Perforated

= 33843. (2,28.10-2)0,398

= 7514,964

· Re,Notched

= 29246. (2,28.10-2)0,381

= 6925,317

· Re,Classic

= 26665. (2,28.10-2)0,372

= 6532,710

· Re,Jagged

= 23866. (2,28.10-2)0,381

= 5651,358

b. Menentukan nilai koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam, hi , pada daya pemompaan yang sama Hubungan hi dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dilihat pada gambar 4.3.

commit to user



10,000 9,000

Notched y = 9341.x0.313 R² = 0.975

hi (W/m2 oC)

8,000

Perforated y = 9312.x0.313 R² = 0.967

7,000 6,000

Jagged y = 10136x0.307 R² = 0.996 Classic y = 9227.x0.307 R² = 0.988

Plain y = 9347.x0.314 R² = 0.996

Plain Perforated Notched Classic Jagged Regresi Plain Regresi Perforated Regresi Notched Regresi Classic Regresi Jagged

5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0 0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

Daya pemompaan (W) Gambar 4.3. Grafik hubungan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam dengan daya pemompaan

Nilai hi pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan menggunakan persamaan regresi untuk masing-masing penukar kalor dengan twisted tape insert maupun tanpa twisted tape insert (plain tube). Contoh perhitungan hi pada daya pemompaan 2,28.10-2 Watt · hi,Plain Tube

= 9347. (2,28.10-2)0,314

= 2851,437 W/m2.oC

· hi,Perforated

= 9312. (2,28.10-2)0,313

= 2851,521 W/m2.oC

· hi,Notched

= 9341. (2,28.10-2)0,313

= 2860,401 W/m2.oC

· hi,Classic

= 9227. (2,28.10-2)0,307

= 2890,324 W/m2.oC

· hi,Jagged

= 10136. (2,28.10-2)0,307

= 3175,065 W/m2.oC

c. Menentukan unjuk kerja termal penukar kalor (η) Contoh perhitungan h pada daya pemompaan 2,28.10-2 W ü perforated twisted tape insert : η=

hi,perforated hi, plain tube

=

1ube,b1e W/m2 °C

= 1,000 285 ,437 W/m2to°C commit user



ü notched twisted tape insert: hi, notched

η=

hi, plain tube

=

1u� ,( eW/m2 °C 2851,437 W/m2 °C

= 1,003

ü classic twisted tape insert : hi,classic

η=

hi, plain tube

=

2890,324 W/m2 °C 2851,437 W/m2 °C

= 1,014

ü jagged twisted tape insert : hi, jagg d

η=

hi, plain tube

=

3175,065 W/m2 °C 2851,437 W/m2 °C

= 1,113

d. Menentukan bilangan Nusselt rata-rata (Nui) pada daya pemompaan yang sama Hubungan Nui dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dilihat pada gambar 4.4. 200 180

Jagged y = 223.5x0.305 R² = 0.996

160

Classic y = 203.3x0.305 R² = 0.988

140 Notched y = 205.4x0.31 R² = 0.974

Nu,i

120 Perforated y = 205.3x0.311 R² = 0.967

100 80 60

Plain Perforated Notched

Plain y = 205.5x0.312 R² = 0.996

Classic Jagged Regresi Plain

40


20


0 0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

Daya pemompaan (W) Gambar 4.4. Grafik hubungan bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam commit to user dengan daya pemompaan



Bilangan Nusselt rata-rata (Nu,i) pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan menggunakan persamaan regresi untuk masing-masing penukar kalor dengan twisted tape insert maupun tanpa twisted tape insert (plain tube). Contoh perhitungan Nu,i pada daya pemompaan 2,28.10-2 Watt · Nui, Plain Tube

= 205,5. (2,28.10-2)0,312

= 63,167

· Nui, Perforated

= 205,3. (2,28.10-2)0,311

= 63,344

· Nui, Notched

= 205,4. (2,28.10-2)0,31

= 63,615

· Nui, Classic

= 203,3. (2,28.10-2)0,305

= 64,166

· Nui, Jagged

= 223,5. (2,28.10-2)0,305

= 70,542

f. Menentukan nilai faktor gesekan ( f ), pada daya pemompaan yang sama Hubungan f dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dilihat pada gambar 4.5. 0.20

Jagged y = 0.131x-0.09 R² = 0.984

0.15

f

Classic y = 0.096x-0.07 R² = 0.893

0.10

Notched y = 0.073x-0.09 R² = 0.975

Classic Jagged Expon. (Plain) Regresi Perforated Regresi Notched

0,033e-1,46x

y= R² = 0,871

0.00 0.00

0.10

0.20

0.30

Perforated Notched

Perforated y = 0.047x-0.14 R² = 0.960

0.05

Plain


0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

Daya pemompaan (W) Gambar 4.5. Grafik hubungan faktor gesekan di pipa dalam dengan daya pemompaan

Nilai f pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan menggunakan persamaan regresi untuk masing-masing penukar kalor dengan twisted tape insert maupun tanpa twisted tape insert (plain tube). commit to user Contoh perhitungan faktor gesekan ( f ) pada daya pemompaan 2,28.10-2 W


· f,plain tube · f,perforated · f,notched · f,classic · f,jagged

digilib.uns.ac.id 85 = 0,033 .(e)-1,48 x

= 0,032 -2 -0,14

= 0,080

-2 -0,09

= 0,103

-2 -0,07

= 0,125

-2 -0,09

= 0,184

= 0,047 .(2,28.10 ) = 0,073 .(2,28.10 ) = 0,096. (2,28.10 ) = 0,131. (2,28.10 )

e. Menentukan nilai rasio bilangan Nusselt (Nui)s/(Nui)p, pada daya pemompaan yang sama Contoh perhitungan (Nui)s/(Nui)p pada daya pemompaan 2,28.10-2 Watt ·

Perforated twisted tape insert Nui,Perforated Nui, Plain tube

·

Nui, Plain tube

63,

= 1,003 67

=

63,615 63,167 = 1,007

classic twisted tape insert Nui, Classic Nui, Plain tube

·

63,344

notched twisted tape insert Nui,notched

·

=

=

64,166 63,167

= 1,016

jagged twisted tape insert Nui, jagged Nui, Plain tube

=

70,542 63,167

= 1,117

g. Menentukan nilai rasio faktor gesekan (f)s/(f)p, pada daya pemompaan yang sama Contoh perhitungan ( f )s/( f )p untuk daya pemompaan 2,28.10-2 W Ø perforated twisted tape insert: f, Perforated f, Plain tube

=

0,080 0,032

= 2,500

Ø notched twisted tape insert: f, Notched f, Plain tube

=

0,103 0,032

= 3,219

Ø classic twisted tape insert: f, Classic f, Plain tube

=

0,125 0,032

= 3,906commit to user



Ø jagged twisted tape insert: f, Jagged f, Plain tube

=

0,184 0,032

= 5,750

h. Menentukan penurunan tekanan penukar kalor (∆P) pada daya pemompaan yang sama Hubungan ∆P dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dilihat pada gambar 4.6. Nilai ∆P pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan menggunakan persamaan regresi untuk masing-masing penukar kalor dengan twisted tape insert maupun tanpa twisted tape insert (plain tube). 6,000

5,000

Jagged y = 7322.x0.636 R² = 0.998 Classic y = 6603.x0.643 R² = 0.999

4,000

∆P (Pa)

Plain

3,000

Notched y = 6033.x0.634 R² = 0.999 Perforated y = 5409.x0.617 R² = 0.999

2,000

Perforated Notched Classic Jagged Regresi Plain Regresi Perforated

Plain y = 4067.x0.627 R² = 0.997

1,000

Regresi Notched Regresi Classic Regresi Jagged

0 0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

Daya pemompaan (W) Gambar 4.6. Grafik hubungan penurunan tekanan penukar kalor dengan daya pemompaan

Contoh perhitungan penurunan tekanan penukar kalor (DP) pada daya pemompaan 2,28.10-2 W § ∆P,plain tube § ∆P,perforated

= 4067. (2,28.10-2)0,627 = 379,926 Pa commit to user = 5409. (2,28.10-2)0,617 = 524.762 Pa


§ ∆P,notched § ∆P,classic § ∆P,jagged

digilib.uns.ac.id 87 = 6033. (2,28.10-2)0,634

= 548,863 Pa

-2 0,643

= 580,622 Pa

= 6603. (2,28.10 )

-2 0,636

= 7322.(2,28.10 )

= 661,114 Pa

h. Menentukan efektivenes penukar kalor (e) pada daya pemompaan yang sama Hubungan e dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dilihat pada gambar 4.7. Nilai e pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan menggunakan persamaan regresi untuk masing-masing penukar kalor dengan twisted tape insert maupun tanpa twisted tape insert (plain tube). 0.65 Plain Perforated Notched Classic Jagged Regresi Plain Regresi Perforated Regresi Notched Regresi Classic Regresi Jagged

0.60 0.55 0.50

ε

0.45 0.40 0.35 0.30 0.25

Plain y = 0.228x-0.15 R² = 0.980

0.20 0.00

0.10

Perforated y = 0.267x-0.16 R² = 0.989

0.20

Jagged Classic -0.17 Notched -0.15 y = 0.313x y = 0.301x y = 0.288x-0.15 R² = 0.992 R² = 0.986 R² = 0.990

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

Daya pemompaan (W) Gambar 4.7. Grafik hubungan efektivenes penukar kalor dengan daya pemompaan

Contoh perhitungan efektivenes penukar kalor (ε) pada daya pemompaan 2,28.10-2 W

§ ε,plain tube

= 0,228. (2,28.10-2)-0,15

= 0,402

§ ε,perforated

= 0,267. (2,28.10-2)-0,16

= 0,489

§ ε,notched

= 0,288. (2,28.10-2)-0,15

= 0,508

§ ε,classic

= 0,301. (2,28.10-2)-0,15 = 0,531 commit to user = 0,313. (2,28.10-2)-0,17 = 0,595

§ ε,jagged



i. Menentukan NTU penukar kalor pada daya pemompaan yang sama Hubungan NTU dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dilihat pada gambar 4.8. Nilai NTU pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan menggunakan persamaan regresi untuk masing-masing penukar kalor dengan twisted tape insert maupun tanpa twisted tape insert (plain tube). 1.10 Plain Perforated

1.00

Notched Classic

0.90

Jagged Regresi Plain

0.80

NTU


0.70


0.60 0.50 0.40 0.30 0.00

Plain y = 0.322x-0.17 R² = 0.968

0.10

0.20

Classic Notched Perforated y = 0.43x-0.18 -0.18 y = 0.380x-0.19 y = 0.409x R² = 0.986 R² = 0.987 R² = 0.986

0.30

0.40

0.50

0.60

Jagged y = 0.459x-0.20 R² = 0.993

0.70

0.80

Daya pemompaan (W) Gambar 4.8. Grafik hubungan NTU penukar kalor dengan daya pemompaan

Contoh perhitungan NTU pada daya pemompaan 2,28.10-2 W § NTU,plain tube

= 0,322. (2,28.10-2)-0,17

= 0,612

§ NTU,perforated

= 0,380. (2,28.10-2)-0,19

= 0,779

§ NTU,notched

= 0,409. (2,28.10-2)-0,18

= 0,808

§ NTU,classic

= 0,430. (2,28.10-2)-0,18

= 0,849

§ NTU,jagged

= 0,459. (2,28.10-2)-0,20

= 0,978

commit to user

71

89

Tabel 4.4. Data pengujian penukar kalor saluran annular dengan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert pada daya pemompaan yang sama Pumping Power

Re

Nu,i

.10-2 (W)

Plain

Perforated

Notched

Classic

Jagged

Plain

Perforated

Notched

Classic

Jagged

0,0228

10210,041

7514,964

6925,317

6532,710

5651,358

63,167

63,344

63,615

64,166

70,542

0,0280

11053,533

8155,259

7489,170

7051,547

6111,486

67,348

67,524

67,798

68,316

75,104

0,0410

12791,922

9491,980

8660,384

8126,381

7067,247

75,858

76,026

76,307

76,743

84,368

0,0569

14502,657

10814,428

9812,152

9180,014

8007,140

84,025

84,184

84,467

84,810

93,237

0,0671

15448,073

11547,937

10448,351

9760,731

8526,306

88,460

88,613

88,896

89,184

98,046

0,0927

17483,611

13133,080

11817,452

11007,666

9643,552

97,845

97,983

98,264

98,423

108,202

0,1068

18457,904

13894,413

12472,460

11602,995

10178,066

102,265

102,394

102,673

102,767

112,977

0,1423

20602,365

15575,586

13913,537

12910,225

11354,047

111,844

111,953

112,226

112,167

123,312

0,1622

21661,527

16408,508

14624,999

13554,406

11934,631

116,506

116,604

116,874

116,735

128,334

0,1887

22954,098

17427,138

15493,002

14339,326

12642,959

122,139

122,223

122,487

122,250

134,396

0,2433

25300,670

19282,059

17068,157

15761,097

13928,353

132,217

132,275

132,527

132,102

145,228

0,2620

26028,491

19858,789

17556,554

16201,293

14326,907

135,307

135,357

135,604

135,120

148,545

0,3229

28197,633

21581,317

19011,720

17511,159

15514,385

144,425

144,447

144,681

144,013

158,323

0,3985

30563,539

23466,014

20598,219

18936,553

16809,037

154,222

154,213

154,431

153,556

168,814

90

Lanjutan tabel 4.7 ∆ P (Pa)

Pumping Power

f

.10-2 (W)

Plain

Perforated

Notched

Classic

Jagged

Plain

Perforated

Notched

Classic

Jagged

0,0228

379,926

524,762

548,863

580,622

661,114

0,030

0,080

0,103

0,125

0,184

0,0280

432,158

595,681

625,218

662,619

753,394

0,030

0,078

0,101

0,123

0,181

0,0410

548,895

753,711

796,230

846,762

960,197

0,029

0,074

0,097

0,120

0,175

0,0569

674,108

922,617

980,109

1045,390

1182,718

0,029

0,070

0,094

0,117

0,170

0,0671

747,531

1021,421

1088,117

1162,315

1313,485

0,028

0,069

0,093

0,116

0,167

0,0927

915,447

1246,824

1335,555

1430,782

1613,216

0,028

0,066

0,090

0,113

0,162

0,1068

1000,434

1360,647

1460,991

1567,157

1765,229

0,027

0,064

0,089

0,112

0,160

0,1423

1197,660

1624,218

1752,529

1884,743

2118,693

0,027

0,062

0,087

0,110

0,156

0,1622

1300,098

1760,834

1904,169

2050,237

2302,619

0,027

0,061

0,086

0,109

0,154

0,1887

1429,497

1933,162

2095,910

2259,762

2535,249

0,027

0,059

0,085

0,108

0,152

0,2433

1676,429

2261,344

2462,337

2660,913

2979,999

0,026

0,057

0,083

0,106

0,149

0,2620

1756,099

2367,058

2580,693

2790,673

3123,700

0,026

0,057

0,082

0,105

0,148

0,3229

2001,980

2692,849

2946,337

3192,067

3567,771

0,026

0,055

0,081

0,104

0,145

0,3985

2284,245

3066,064

3366,704

3654,405

4078,516

0,025

0,053

0,079

0,102

0,142

91

Lanjutan tabel 4.7 Pumping Power

hi (W/m2 °C)

Nu/Nup

f/fp

.10-2 (W)

Plain

Perforated

Notched

Classic

Jagged

Perforated

Notched

Classic

Jagged

Perforated

Notched

Classic

Jagged

0,0228

2851,437

2851,521

2860,401

2890,324

3175,065

1,003

1,007

1,016

1,117

2,667

3,433

4,167

6,133

0,0280

3041,444

3040,909

3050,379

3078,492

3381,770

1,003

1,007

1,014

1,115

2,607

3,386

4,146

6,076

0,0410

3428,360

3426,449

3437,120

3460,869

3801,817

1,002

1,006

1,012

1,112

2,529

3,348

4,130

6,007

0,0569

3799,947

3796,585

3808,408

3827,190

4204,226

1,002

1,005

1,009

1,110

2,463

3,315

4,116

5,948

0,0671

4001,871

3997,672

4010,121

4025,913

4422,526

1,002

1,005

1,008

1,108

2,431

3,298

4,110

5,919

0,0927

4429,302

4423,224

4436,999

4445,842

4883,825

1,001

1,004

1,006

1,106

2,369

3,267

4,096

5,862

0,1068

4630,668

4623,659

4638,058

4643,355

5100,796

1,001

1,004

1,005

1,105

2,342

3,253

4,090

5,837

0,1423

5067,323

5058,201

5073,954

5071,010

5570,581

1,001

1,003

1,003

1,103

2,289

3,225

4,079

5,787

0,1622

5279,931

5269,736

5286,148

5278,933

5798,988

1,001

1,003

1,002

1,102

2,265

3,212

4,073

5,764

0,1887

5536,874

5525,347

5542,555

5529,966

6074,752

1,001

1,003

1,001

1,100

2,238

3,198

4,067

5,738

0,2433

5996,818

5982,813

6001,445

5978,692

6567,684

1,000

1,002

0,999

1,098

2,193

3,173

4,057

5,695

0,2620

6137,886

6123,099

6142,168

6116,163

6718,698

1,000

1,002

0,999

1,098

2,180

3,166

4,054

5,682

0,3229

6554,199

6537,042

6557,400

6521,454

7163,916

1,000

1,002

0,997

1,096

2,144

3,147

4,045

5,647

0,3985

7001,752

6981,955

7003,698

6956,520

7641,843

1,000

1,001

0,996

1,095

2,108

3,127

4,037

5,611

92

Lanjutan tabel 4.7 Pumping Power

η thermal

ε

NTU

.10-2 (W)

Plain

Perforated

Notched

Classic

Jagged

Plain

Perforated

Notched

Classic

Jagged

Perforated

Notched

Classic

Jagged

0,0228

0,612

0,779

0,808

0,849

0,978

0,402

0,489

0,508

0,531

0,595

1,000

1,003

1,014

1,113

0,0280

0,591

0,750

0,778

0,819

0,939

0,390

0,473

0,492

0,515

0,575

1,000

1,003

1,012

1,112

0,0410

0,554

0,697

0,727

0,764

0,870

0,368

0,445

0,465

0,486

0,539

0,999

1,003

1,009

1,109

0,0569

0,524

0,655

0,685

0,720

0,814

0,350

0,422

0,443

0,463

0,510

0,999

1,002

1,007

1,106

0,0671

0,510

0,635

0,665

0,699

0,788

0,342

0,411

0,432

0,451

0,495

0,999

1,002

1,006

1,105

0,0927

0,482

0,597

0,628

0,660

0,739

0,326

0,391

0,411

0,430

0,469

0,999

1,002

1,004

1,103

0,1068

0,471

0,581

0,612

0,643

0,718

0,319

0,382

0,403

0,421

0,458

0,998

1,002

1,003

1,102

0,1423

0,449

0,550

0,581

0,611

0,678

0,305

0,365

0,386

0,403

0,436

0,998

1,001

1,001

1,099

0,1622

0,439

0,537

0,567

0,597

0,660

0,300

0,357

0,378

0,395

0,426

0,998

1,001

1,000

1,098

0,1887

0,428

0,522

0,552

0,581

0,641

0,293

0,349

0,370

0,387

0,416

0,998

1,001

0,999

1,097

0,2433

0,409

0,497

0,527

0,555

0,609

0,282

0,335

0,356

0,372

0,398

0,998

1,001

0,997

1,095

0,2620

0,404

0,490

0,521

0,547

0,600

0,279

0,331

0,352

0,368

0,393

0,998

1,001

0,996

1,095

0,3229

0,390

0,471

0,501

0,527

0,575

0,270

0,320

0,341

0,357

0,379

0,997

1,000

0,995

1,093

0,3985

0,377

0,453

0,483

0,507

0,552

0,262

0,309

0,331

0,346

0,366

0,997

1,000

0,994

1,091

110



4.3. Analisa Data 4.3.1 Uji Validitas Penukar Kalor Tanpa Twisted Tape Insert (Plain Tube). Sebelum melakukan pengujian karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor pipa konsentrik saluran annular dengan menggunakan twisted tape insert, harus dilakukan uji validitas nilai perpindahan panas (Nu) dan faktor gesekan (f) dari pipa dalam tanpa twisted tape insert (plain tube) dengan korelasi-korelasi empirik untuk perpindahan panas dan faktor gesekan yang ada. Dari uji validitas dapat diketahui berapa persen penyimpangan nilai perpindahan panas dan faktor gesekan aktual dari plain tube dibandingkan dengan korelasi-korelasi empirik yang ada. Hasil perpindahan panas dari plain tube dibandingkan dengan persamaan Gnielinski, Petukhov dan Dittus-Boelter, sedangkan untuk nilai faktor gesekan dibandingkan dengan persamaan Blasius, Petukhov dan Colebrook. Perbandingan antara data penelitian dari plain tube dengan korelasi-korelasi empirik dapat dilihat pada gambar 4.9. dan 4.10. Pada gambar 4.9, membandingkan nilai Nu untuk plain tube dengan persamaan Dittus-Boelter, Gnelienski dan Petukhov. Sedangkan pada gambar 4.10, membandingkan nilai faktor gesekan dari plain tube dengan persamaan Blasius, Petukhov dan Colebrook. 160 140 120

Nu,i

100 80 Plain Tube

60

Gnielinski

40 Petukhov

20

Dittus - Boelter

0 0

5,000

10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000

Re

commit Nu to user Gambar 4.9. Grafik hubungan dengan Re untuk plain tube



Persamaan Dittus–Boelter berlaku untuk nilai-nilai; 0,7 £ Pr £ 160, Re ≥ 10.000, dan L/D ≥ 10, Persamaan Petukhov berlaku untuk nilai-nilai; 0,5 £ Pr £ 2.000, dan 104 < Re < 5 x 106, sedangkan persamaan Gnielinski mempunyai batasan 0,5 < Pr < 2.000 dan 3 x 103< Re < 5.106. Dari gambar 4.9, penyimpangan rata-rata nilai aktual Nu dari plain tube dengan korelasi Dittus-Boelter sebesar 19,0%, Gnielinski sebesar 1,8% sedangkan dengan korelasi Petukhov sebesar 2,3%. Penyimpangan rata-rata nilai Nu dibandingkan dengan korelasi Gnielinski dan Petukhov cukup kecil sehingga data nilai Nu di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik tanpa twisted tape insert (plain tube) adalah valid. Penyimpangan rata-rata nilai Nu dibandingkan dengan korelasi Dittus–Boelter cukup besar, akan tetapi korelasi Dittus–Boelter mempunyai kesalahan yang besar yaitu ± 25% dari nilai aktual (Incropera, 2007), sehingga data nilai Nu di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik tanpa twisted tape insert (plain tube) adalah valid. 0.10 Plain Tube Blasius Petukhov Colebrook

0.08

f

0.06 0.04 0.02 0.00 0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

35,000

Re Gambar 4.10. Grafik hubungan faktor gesekan (f) dengan Re untuk plain tube

Sedangkan untuk faktor gesekan, persamaan Blasius berlaku untuk pipapipa halus di daerah turbulen (Re £ 105). Dari gambar 4.10, nilai faktor gesekan dari plain tube menyimpang rata-rata sebesar 10,3 % dari persamaan Blasius, 10,8 % dari persamaan Petukhov dan 12,9% dari persamaan Colebrook. Nilai penyimpangan rata-rata faktor gesekan pada bilangan Reynolds < 10.000 cukup besar (15,4%), hal ini terjadi karena pada kisaran bilangan Reynolds tersebut aliran dalam daerah transisi, dan tidak ada persamaan yang berlaku secara umum pada daerah transisi. Sedangkan pada daerah Re > 10.000 terjadi penyimpangan commit to user rata-rata cukup kecil (12,1%). Sehingga data faktor gesekan di pipa dalam dari



penukar kalor dari penukar kalor pipa konsentrik tanpa twisted tape insert (plain tube) adalah valid.

4.3.2 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Twisted Tape Insert Terhadap Karakteristik Perpindahan Panas. Pada pengujian karakteristik perpindahan panas dari penukar kalor pipa konsentrik saluran annular ini dilakukan dengan memvariasikan bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam, dan memvariasikan dengan menambahkan twisted tape insert di pipa dalam dengan classic twisted tape insert, perforated twisted tape insert, notched twisted tape insert dan jagged twisted tape insert. 250 Perforated Plain Tube

200

Notched Classic Jagged

Nu,i

150

100

50

0 0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

Re Gambar 4.11. Grafik hubungan antara Nui dengan Re

Pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan pengaruh penambahan twisted tape insert dengan classic twisted tape insert dan modifikasi twisted tape insert yaitu perforated twisted tape insert, notched twisted tape insert dan jagged twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran annular dapat dilihat pada gambar 4.11. Karakteristik perpindahan panas dari penukar kalor pipa konsentrik ini dapat dilihat dari hubungan antara bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam (Nu,i) dengan bilangan Reynolds (Re).

commit to user



250 Plain Tube Perforated Notched

200

Classic Jagged Manglik - Bergles Perforated Manglik - Bergles Notched

150

Nu,i

Manglik - Bergles Classic Manglik-Bergles Jagged

100

50

0 0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

Re Gambar 4.12. Grafik hubungan antara Nui aktual dan korelasi Nu,i Manglik-Berges dengan Re

Manglik dan Bergles mengembangkan korelasi untuk classic twisted tape insert di pipa bulat dalam daerah turbulen dan valid untuk temperatur dinding konstan dan fluks kalor konstan. Pada penelitian ini nilai Nu,i hasil penelitian dibandingkan dengan korelasi Manglik-Berges, seperti terlihat pada gambar 4.12. Dari hasil pengujian, perbedaan nilai rata-rata Nui di pipa dalam dengan persamaan Manglik-Bergles untuk classic, perforated, notched dan jagged twisted tape insert berturut-turut sebesar 7,1%, 20,9%, 12,1% dan 12,9%. Terlihat bahwa penyimpangan nilai Nu,i untuk classic twisted tape insert terhadap korelasi Manglik-Berges paling kecil, hal ini dapat dipahami karena korelasi ManglikBerges berlaku untuk classic twisted tape insert. Sedangkan untuk modifikasi twisted tape (perforated, notched, dan jagged) menghasilkan penyimpangan yang lebih besar. Nilai penyimpangan perforated twisted tape insert paling besar, hal ini dapat terjadi karena adanya lubang di tengah twisted tape insert yang mengakibatkan berkurangnya aliran berputar yang mengalir sepanjang pipa dalam. Penyimpangan nilai Nu,i untuk classic twisted tape insert cukup kecil dibandingkan korelasi Manglik-Berges (7,1%), sehingga data nilai Nu,i di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik dengan twisted tape insert adalah valid. commit to user Sebagai perbandingan, penelitian Eimsa-Ard dkk (2010) yang membandingkan



data penelitiannya dengan korelasi empirik Manglik-Berges, dan diperoleh penyimpangan hingga sebesar ± 20%. Dari gambar 4.11 dapat dilihat bahwa dengan semakin besar bilangan Reynolds (Re), maka bilangan Nusselt rata-rata (Nu,i) akan semakin naik, hal ini serupa dengan penelitian Naphon (2006). Kenaikan bilangan Nusselt rata-rata berarti juga terjadi kenaikan perpindahan panas yang terjadi di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik. Kenaikan bilangan Nusselt rata-rata menunjukkan kenaikan koefisien perpindahan panas (h) karena kenaikan konveksi. Hal ini terjadi untuk ke semua kasus, yaitu untuk plain tube maupun untuk pipa dalam dengan twisted tape insert. Dengan kenaikan bilangan Reynolds, maka semakin tinggi laju aliran massa air dan semakin tinggi tingkat turbulensi aliran air di pipa dalam, sehingga kalor yang berpindah dari air panas di pipa dalam ke air dingin di annulus dari penukar kalor pipa konsentrik semakin besar pula. Dengan penambahan twisted tape insert di pipa dalam maka dapat digunakan untuk memutar aliran secara kontinyu dari sisi masuk sampai sisi keluar penukar kalor. Selain itu penambahan twisted tape insert berfungsi untuk menambah waktu tinggal aliran dalam penukar kalor, mengurangi lapis batas termal, dan mencampur aliran antara aliran inti dengan aliran dekat dinding. Peningkatan laju perpindahan panas dibandingkan tanpa sisipan twisted tape insert diakibatkan karena adanya fenomena penurunan tebal lapis batas termal. Pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik tanpa twisted tape insert mempunyai aliran streamline, karena kondisi slip, air yang kontak langsung dengan permukaan dalam pipa dalam mempunyai kecepatan yang sangat rendah daripada aliran inti. Hal ini menyebabkan lapisan batas termal yang terbentuk sangat tinggi sehingga perpindahan panasnya menjadi lambat. Penambahan twisted tape insert di pipa dalam akan mengurangi tebal lapis batas sebagai sebuah turbulator untuk sepanjang daerah perpindahan panas. Dari gambar 4.11 dapat dilihat bahwa bilangan Nusselt dengan penambahan twisted tape insert lebih tinggi dibandingkan plain tube. Ini dapat disebabkan karena kenaikan komponen kecepatan tangensial dan pengurangan luas penampang aliran, fluida berputar di dalam pipa dengan kecepatan yang lebih tinggi. Hal ini dapat meningkatkan koefisien perpindahan panas dan juga gradien commit to user



tempertur di dekat dinding (Rahimi, 2009). Pada bilangan Reynolds yang sama, pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert, bilangan Nusselt ratarata meningkat 47,0% dibandingkan dengan plain tube. Sedangkan untuk penambahan perforated, notched, dan jagged

twisted tape insert

kenaikan

bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam berturut-turut sebesar 24,9% , 39,0% dan 78,2% jika dibandingkan dengan plain tube. Sedangkan jika dibandingkan dengan classic twisted tape insert, pipa dalam dengan perforated dan notched twisted tape insert berturut-turut mengalami penurunan bilangan Nusselt, rata-rata sebesar 14,9% dan 5,5%. Penambahan jagged twisted tape insert di pipa dalam menghasilkan bilangan Nusselt tertinggi dibandingkan twisted tape insert yang lain. Hal ini serupa dengan penelitian Rahimi (2009). Jika dibandingkan dengan classic twisted tape insert, kenaikan bilangan Nusselt rata-rata dengan penambahan jagged twisted tape insert sebesar 21,3%. Hal ini disebabkan karena jagged twisted tape insert dapat memperbaiki percampuran fluida dan memperkuat intensitas turbulensi dekat dinding karena adanya jagged (tekukan pada jagged twisted tape mengganggu gerakan fluida dekat dinding pipa), walaupun pola aliran berputar yang ditimbulkan oleh jagged twisted tape sedikit lebih rendah dibandingkan classic twisted tape insert (Rahimi, 2009). Selain itu dengan penambahan jagged twisted tape insert akan menghasilkan efek pencampuran fluida yang lebih baik, pengurangan luas penampang aliran dan meningkatkan meningkatkan kecepatan tangensial. Penelitian Shabanian dkk (2011) juga menyimpulkan bahwa penggunaan jagged twisted tape insert dalam sebuah penukar kalor berpendingin udara menghasilkan bilangan Nusselt yang lebih besar dibandingkan dengan classic twisted tape insert. Dari gambar 4.11 terlihat bahwa bilangan Nusselt rata-rata menurun berturut-turut untuk penambahan classic, notched dan perforated twisted tape insert. Fenomena ini serupa dengan penelitian Rahimi dkk (2009). Hal ini disebabkan dengan adanya lubang-lubang pada perforated twisted tape insert menyebabkan aliran di bagian tengah tape tidak berputar sehingga menyebabkan berkurangnya aliran berputar (swirl flow) yang mengurangi intensitas turbulensi dan percampuran fluida, sehingga mengurangi laju perpindahan panas. Hal serupa juga terjadi pada notched twisted commit tape dimana terdapat lubang setengah lingkaran to user



di bagian tepi tape. Penambahan perforated twisted tape insert menghasilkan bilangan Nusselt rata-rata paling kecil dibandingkan penambahan twisted tape insert yang lain, hal ini serupa dengan penelitian Rahimi dkk (2009). Penambahan lubang-lubang pada twisted tape insert akan menyebabkan aliran di pipa dalam menyerupai aliran aksial yang mengurangi intensitas aliran berputar sehingga menghasilkan kenaikan bilangan Nusselt rata-rata di bawah classic twisted tape insert, hal ini serupa dengan penelitian Thianpong dkk (2012). Penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik memerlukan daya pemompaan yang lebih besar karena adanya penurunan tekanan yang besar pula. Oleh karena itu, analisis pengaruh penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik juga dilakukan pada daya pemompaan yang sama. Pengaruh penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik terhadap karakteristik perpindahan panasnya pada daya pemompaan yang sama dapat dilihat pada gambar 4.13 300 Plain Tube classic Perforated Notched Jagged

250

Nu,i

200 150 100 50 0 0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

Re Gambar 4.13. Grafik hubungan antara Nui dengan Re pada daya pemompaan yang sama.

Dari gambar 4.13, dapat dilihat bahwa pada daya pemompaan yang sama, menyebabkan bilangan Reynolds akan berbeda untuk plain tube dan pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert. Pada daya pemompaan yang sama, user bilangan Nusselt untuk pipa dalamcommit dengantopenambahan classic twisted tape insert



naik rata-rata 0,475% dibandingkan plain tube, sedangkan dengan penambahan perforated, notched, dan jagged twisted tape insert, bilangan Nusselt naik ratarata berturut-turut sebesar 0,124%; 0,199%; dan 10,459% dibandingkan plain tube. Pada daya pemompaan yang sama, bilangan Nusselt rata-rata pipa dalam dengan penambahan jagged twisted tape dibandingkan dengan penambahan classic twisted tape naik rata-rata sebesar 9,936%. Ini menunjukkan bahwa penambahan jagged twisted tape insert di pipa dalam merupakan sebuah keuntungan dibandingkan dengan penambahan classic twisted tape insert, karena dapat meningkatkan perpindahan panas lebih besar pada daya pemompaan yang sama.

4.3.4. Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Rasio Bilangan Nusselt. Rasio bilangan Nusselt adalah rasio bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert dengan bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam tanpa penambahan twisted tape insert (plain tube). Hubungan rasio bilangan Nusselt (Nu/Nu,p) dengan bilangan Reynolds dapat dilihat pada gambar 4.14. Perforated Notch Classic Jagged

2.50

Nu / Nup

2.00

1.50

1.00

0.50

0.00 0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

Re Gambar 4.14. Hubungan Nu/Nu,p dengan Re

Dari gambar 4.14, dapat dilihat bahwa pipa dalam dengan penambahan commit to user perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert mempunyai nilai rasio



bilangan Nusselt rata-rata berturut-turut sebesar 1,3; 1,4; 1,5; dan 1,8. Ini menunjukkan bahwa pada bilangan Reynolds yang sama, pipa dalam dengan penambahan jagged twisted tape insert menghasilkan peningkatan rasio bilangan Nusselt yang paling tinggi, hal ini serupa dengan penelitian Rahimi dkk (2009). Hubungan rasio bilangan Nusselt (Nu/Nu,p) dengan Re pada daya pemompaan yang sama untuk pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert dapat dilihat pada gambar 4.15. Dari gambar 4.15, dapat dilihat bahwa pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert mempunyai nilai rasio bilangan Nusselt rata-rata berturut-turut 1,001; 1,004; 1,005; dan 1,105. Ini menunjukkan bahwa pada daya pemompaan yang sama, pipa dalam dengan penambahan jagged twisted tape insert menghasilkan peningkatan perpindahan panas yang paling tinggi dibandingkan dengan pipa dalam dengan penambahan perforated, notched, dan classic twisted tape insert. Hal ini serupa dengan penelitian Shabanian, dkk (2011) dimana tekukan yang ada pada sisipan jagged twisted tape insert akan memiliki

pengaruh

terhadap

peningkatan

perpindahan

panas

dengan

meningkatkan intensitas turbulensi tambahan di dekat permukaan dinding pipa, sehingga menghasilkan rasio bilangan Nusselt yang lebih baik dibanding tanpa sisipan dan classic twisted tape insert. 1.40 Perforated Notched Classic Jagged

1.30

Nu/Nu,p

1.20 1.10 1.00 0.90 0.80 0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

Re Gambar 4.15. Hubungan Nu/Nu,p dengan Re pada daya pemompaan yang sama

commit to user



4.3.4. Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Unjuk Kerja Termal. Unjuk kerja termal (h) didefinisikan sebagai perbandingan antara koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert dengan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam tanpa twisted tape insert (plain tube) pada daya pemompaan yang sama. Pada penelitian ini dianalisis nilai h dari pipa dalam dengan penambahan perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert. Karakteristik unjuk kerja termal (h) untuk pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert dapat dilihat pada gambar 4.16. 1.40 Classic Perforated Notched Jagged

1.30

η

1.20 1.10 1.00 0.90 0.80 0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

Re Gambar 4.16. Grafik hubungan h dengan Re

Dari gambar 4.16. dapat dilihat bahwa penambahan jagged twisted tape insert pada pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik menyebabkan unjuk kerja termal yang lebih baik dibandingkan dengan jenis twisted tape insert yang lain. Nilai h rata-rata pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert adalah 1,003. Sedangkan penambahan perforated, notched dan jagged twisted tape insert di pipa dalam menghasilkan h rata-rata berturut-turut sebesar 0,998, 1,002 dan 1,101. Hal ini berarti bahwa pada daya pemompaan yang sama dengan plain tube, nilai koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dari pipa dalam dengan penambahan perforated, commit notched,toclassic user dan jagged twisted tape insert



lebih besar dari nilai koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dari plain tube. Penambahan perforated dan notched twisted tape insert menghasilkan h rata-rata yang lebih kecil dibandingkan pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert. Sedangkan jagged twisted tape insert menghasilkan h rata-rata yang lebih besar dari classic twisted tape insert, hal ini serupa dengan penelitian Rahimi dkk (2009) dan Shabanian, dkk (2011).

4.3.5. Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Efektivenes Penukar Kalor (e). Efektivenes sebuah penukar kalor adalah perbandingan laju perpindahan panas aktual yang terjadi dengan laju perpindahan panas maksimum yang mungkin. Nilai efektivenes penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert di pipa dalam dapat dilihat pada gambar 4.17. 0.80 Perforated 0.70

ε

0.60

Notched Classic Jagged

0.50 0.40 0.30 0.20 0.20 0.30 0.40

0.50 0.60 0.70

0.80 0.90 1.00

1.10

NTU Gambar 4.17. Grafik hubungan e penukar kalor dengan NTU pada daya pemompaan sama

Gambar 4.17. merupakan grafik hubungan pengaruh penambahan twisted tape insert terhadap efektivenes penukar kalor. Terlihat bahwa semakin besar NTU maka akan semakin besar pula efektivenes penukar kalor tersebut. Dari gambar 4.17 terlihat bahwa dengan penambahan twisted tape insert, penukar kalor commit rata-rata to user yang lebih tinggi dibandingkan pipa konsentrik mempunyai efektivenes



tanpa penambahan twisted tape insert. Efektivenes rata-rata penukar kalor tanpa penambahan twisted tape insert (plain tube) dan dengan penambahan perforated, notched, classic, dan jagged twisted tape insert berturut-turut sebesar 0,321; 0,384; 0,405; 0,423 dan 0,461. Efektivenes rata-rata tertinggi diperoleh untuk pipa dalam dengan penambahan jagged twisted tape insert. Kenaikan NTU penukar kalor dengan penambahan perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert berturut-turut sebesar 0,587; 0,617; 0,648; dan 0,726 kali dibandingkan dengan penukar kalor tanpa twisted tape insert. Penukar kalor dengan jagged twisted tape insert mempunyai nilai NTU lebih besar dari penukar kalor dengan perforated, notched dan classic twisted tape insert serta penukar kalor tanpa penambahan twisted tape insert.

4.3.6. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Twisted Tape Insert Terhadap Penurunan Tekanan (ΔP). Penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik memberikan tambahan tahanan aliran dari air yang mengalir. Hal ini akan menimbulkan penurunan tekanan (DP) yang lebih besar jika dibandingkan dengan plain tube. Grafik pengaruh bilangan Reynolds dan penambahan twisted tape insert terhadap nilai penurunan tekanan dari pipa dalam dapat dilihat pada gambar 4.18. 6,000 Plain Tube Perforated Notch Classic Jagged

5,000

∆P(Pa)

4,000 3,000 2,000 1,000 0 0

5,000

10,000

15,000

20,000

Re

commit to user

Gambar 4.18. Grafik hubungan DP dengan Re

25,000



Dari gambar 4.18 dapat dilihat bahwa dengan semakin besar bilangan Reynolds, maka semakin besar pula penurunan tekanan yang terjadi pada pipa dalam dari penukar kalor. Fenomena ini terjadi pada pipa dalam dengan twisted tape insert maupun pada plain tube. Penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert di pipa dalam mempunyai nilai penurunan tekanan yang lebih tinggi dibandingkan dengan plain tube. Kenaikan penurunan tekanan dari penukar kalor pipa konsentrik dengan twisted tape insert merupakan hal yang merugikan, karena akan meningkatkan daya pemompaan untuk mempertahankan aliran dengan laju aliran volumetrik yang sama. Dari gambar 4.18, penambahan jagged twisted tape insert di pipa dalam menghasilkan penurunan tekanan rata-rata paling besar dibandingkan dengan penambahan perforated, notched dan classic twisted tape insert. Pada bilangan Reynolds yang sama, nilai penurunan tekanan rata-rata dengan penambahan classic twisted tape insert adalah 2,4 kali lebih tinggi daripada plain tube, sedangkan dengan penambahan perforated, notched, dan jagged twisted tape insert nilai penurunan tekanan rata-rata berturut-turut adalah 1,1; 1,8 dan 3,7 kali lebih tinggi daripada plain tube. Nilai penurunan tekanan pipa dalam dengan jagged twisted tape adalah 0,4 kali lebih tinggi dari classic twisted tape insert. Nilai penurunan tekanan pipa dalam dengan perforated dan notched twisted tape insert lebih rendah daripada classic twisted tape insert. Hal ini disebabkan karena lubang-lubang pada perforated dan notched twisted tape insert bertujuan untuk mengurangi penurunan tekanan dengan menurunkan efek halangan (blocking effect) dari dinding sisipan (insert), (Rahimi, 2009; Shabanian, 2011; dan Thianpong, 2012). Grafik pengaruh bilangan Reynolds dan penambahan twisted tape insert terhadap nilai penurunan tekanan pada daya pemompaan yang sama dapat dilihat pada gambar 4.19.

commit to user



6,000 Plain tube Perforated Notched Classic Jagged

5,000

∆P (Pa)

4,000 3,000 2,000 1,000 0 0

5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000

Re Gambar 4.19. Grafik hubungan DP dengan Re pada daya pemompaan yang sama

Pada daya pemompaan yang sama, nilai penurunan tekanan rata-rata dengan penambahan classic twisted tape insert adalah 0,567 kali lebih tinggi daripada plain tube, sedangkan dengan penambahan perforated, notched, dan jagged twisted tape insert nilai penurunan tekanan rata-rata berturut-turut adalah 0,315; 0,461 dan 0,765 kali lebih tinggi daripada plain tube. Pada daya pemompaan yang sama, nilai penurunan tekanan pipa dalam dengan jagged twisted tape adalah 0,126 kali lebih tinggi dari classic twisted tape insert.

4.3.7. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Twisted Tape Insert Terhadap Faktor Gesekan (ƒ). Pengaruh bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan pengaruh penambahan perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert terhadap faktor gesekan di pipa dalam dapat dilihat pada gambar 4.20. Dari gambar 4.20 dapat dilihat bahwa dengan kenaikan bilangan Reynolds, nilai faktor gesekan di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik semakin berkurang. Hal ini terjadi untuk plain tube maupun pipa dalam dengan penambahan perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert. Hal ini disebabkan dengan semakin tinggi bilangan Reynolds, maka kecepatan aliran air di pipa dalam akan semakin tinggi, dimana nilai faktor gesekan berbanding terbalik dengan nilai kuadrat dari commit to user kecepatan aliran air di pipa dalam.



0.20 Plain Tube Perforated Notch Classic Jagged

0.18 0.16 0.14

f

0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

Re Gambar 4.20. Grafik hubungan f dengan Re

Dari gambar 4.20 dapat dilihat bahwa nilai faktor gesekan dari pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert lebih besar dibandingkan faktor gesekan plain tube. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan classic twisted tape insert, menjadikan faktor gesekan rata-rata pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik 2,4 kali lebih tinggi daripada faktor gesekan plain tube. Sedangkan dengan penambahan perforated, notched, dan jagged twisted tape insert, faktor gesekan rata-rata pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik berturut-turut adalah 1,1; 1,8 dan 3,7 kali lebih tinggi daripada faktor gesekan plain tube. Hasil penelitian serupa dengan penelitian Rahimi dkk (2009). Penambahan perforated twisted tape insert di pipa dalam menghasilkan nilai faktor gesekan terkecil dibandingkan dengan penambahan twisted tape insert lainnya. Hal ini disebabkan karena lubang-lubang pada perforated twisted tape menurunkan efek halangan (blocking effect) pada dinding insert dan juga menurunkan aliran berputar (Rahimi, 2009; Shabanian, 2011; dan Thianpong, 2012) . Pada penambahan notched twisted tape insert, nilai faktor gesekan lebih rendah dari classic twisted tape insert, dimana alasan yang sama seperti perforated twisted tape insert yang menyebabkan rendahnya nilai faktor gesekan tersebut. Selain itu letak dari lubang-lubang yang dibuat pada perforated twisted tape insert yang terletak di bagian sumbu dari twisted tape insert menyebabkan pengurangan penurunan tekanan di pipa dalam (Thianpong, 2012). Nilai faktor gesekan tertinggi diperoleh untukcommit penambahan to userjagged twisted tape insert. Hal ini



serupa dengan penelitian Rahimi dkk (2009) dan Shabanian dkk (2011) dimana pipa dalam yang disisipi dengan jagged twisted tape insert menghasilkan nilai faktor gesekan lebih tinggi dibandingkan plain tube maupun classic twisted tape insert. Nilai faktor gesekan pipa dalam dengan penambahan jagged twisted tape insert adalah 0,4 kali lebih tinggi dibandingkan faktor gesekan pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert. Pengaruh penambahan twisted tape insert terhadap faktor gesekan di pipa dalam juga dianalisis pada daya pemompaan yang sama, seperti terlihat pada gambar 4.21. Karakteristik faktor gesekan dengan penambahan twisted tape insert pada daya pemompaan yang sama serupa dengan karakteristik faktor gesekan pada bilangan Reynolds yang sama. Dengan penambahan twisted tape insert di pipa dalam, menjadikan nilai faktor gesekan lebih besar dibandingkan dengan plain tube. Pada daya pemompaan yang sama, dengan penambahan classic twisted tape insert, menjadikan faktor gesekan rata-rata pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik 3,090 kali lebih tinggi daripada faktor gesekan plain tube. Sedangkan dengan penambahan perforated, notched, dan jagged twisted tape insert, faktor gesekan rata-rata dari pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik 1,422; 2,252 dan 4,835 kali lebih tinggi daripada faktor gesekan plain tube. Hal ini sesuai dengan penurunan tekanan (DP) akibat penambahan perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert pada daya pemompaan yang sama (gambar 4.19), dimana nilai faktor gesekan (f) berbanding lurus dengan nilai penurunan tekanan (DP). 0.20

plain Perforated Notched Classic Jagged

0.18 0.16 0.14

f

0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0

5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000

Re user Gambar 4.21. Grafik hubungancommit f dengantoRe pada daya pemompaan yang sama



4.3.8. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Twisted Tape Insert Terhadap Rasio Faktor Gesekan (ƒ/ƒp) Rasio faktor gesekan adalah perbandingan nilai faktor gesekan pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert dengan nilai faktor gesekan pipa dalam tanpa penambahan twisted tape insert (plain tube). Grafik hubungan rasio faktor gesekan dengan bilangan Reynolds dapat dilihat pada gambar 4.22. 7.00 6.00 5.00

f/fp

4.00 3.00 Perforated Notched Classic Jagged

2.00 1.00 0.00 0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

Re Gambar 4.22 Grafik hubungan f/fp dengan Re pada daya pemompaan yang sama

Dari gambar 4.22, terlihat bahwa pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert akan menghasilkan rasio faktor gesekan yang nilainya lebih besar dari satu. Hal ini menunjukkan bahwa dengan penambahan twisted tape insert akan meningkatkan nilai faktor gesekan dari pipa dalam. Penambahan jagged twisted tape insert pada pipa dalam, menghasilkan rasio faktor gesekan yang lebih tinggi dibandingkan dengan penambahan perforated, notched, dan classic twisted tape insert. Nilai rasio faktor gesekan rata-rata dari pipa dalam dengan penambahan perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert, berturut-turut adalah 2,422; 3,252; 4,090 dan 5,835 kali lebih tinggi daripada plain tube.

commit to user


digilib.uns.ac.id

BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Berdasarkan

analisis

data

dan

pembahasan

mengenai

pengujian

karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran annular dengan penambahan perforated, notched, dan jagged twisted tape insert, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Semakin besar bilangan Reynolds maka semakin besar pula laju perpindahan panas yang terjadi di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan perforated, notched, dan jagged twisted tape insert. 2. Penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan perforated dan notched twisted tape insert di pipa dalam menghasilkan bilangan Nusselt, faktor gesekan dan unjuk kerja termal yang lebih kecil daripada classic twisted tape insert dan lebih besar dari plain tube. Jagged twisted tape insert menghasilkan menghasilkan bilangan Nusselt, faktor gesekan dan unjuk kerja termal yang lebih tinggi dibandingkan perforated, notched dan classic twisted tape insert. 3. Jagged twisted tape menghasilkan kenaikan bilangan Nusselt rata-rata sebesar 21,3% dan kenaikan unjuk kerja termal sebesar 9,9% daripada classic twisted tape insert. Ini menunjukkan bahwa penukar kalor dengan penambahan modifikasi classic twisted tape insert berupa jagged twisted tape lebih baik dalam hal peningkatan perpindahan panas dan unjuk kerja termal. 4. Perforated dan notched twisted tape insert menghasilkan faktor gesekan yang lebih rendah daripada classic twisted tape insert. Ini menunjukkan bahwa modifikasi classic twisted tape insert berupa perforated dan notched twisted tape menguntungkan dalam hal pengurangan penurunan tekanan, tetapi dalam hal perpindahan panas dan unjuk kerja termal masih di bawah classic twisted tape insert. 5. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan perforated, notched, dan jagged twisted tape insert menghasilkan kenaikan bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam berturut-turut sebesar 24,9%, 39,0% dan 78,2% jika dibandingkan dengan plain tube. Dibandingkan dengan classic twisted tape commit to user 110



insert, pipa dalam dengan perforated dan notched twisted tape insert berturutturut mengalami penurunan bilangan Nusselt, rata-rata sebesar 14,9% dan 5,5%. Dibandingkan dengan classic twisted tape insert, kenaikan bilangan Nusselt rata-rata dengan penambahan jagged twisted tape insert sebesar 21,3%. Pada daya pemompaan yang sama, bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam dengan penambahan perforated, notched, dan jagged twisted tape insert naik rata-rata berturut-turut sebesar 0,124%; 0,199%; dan 10,459% dibandingkan plain tube. Pada daya pemompaan yang sama, bilangan Nusselt rata-rata pipa dalam dengan penambahan jagged twisted tape dibandingkan dengan penambahan classic twisted tape naik rata-rata sebesar 9,936% 6. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert di pipa dalam menghasilkan faktor gesekan rata-rata berturut-turut sebesar 1,1; 1,8; 2,4; dan 3,7 kali faktor gesekan plain tube. Nilai faktor gesekan pipa dalam dengan penambahan jagged twisted tape insert adalah 0,4 kali lebih tinggi dibandingkan faktor gesekan pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert. Pada daya pemompaan yang sama, penambahan perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert di pipa dalam menghasilkan faktor gesekan rata-rata berturut-turut sebesar 1,422; 2,252; 3,090 dan 4,835 kali faktor gesekan plain tube. 7. Unjuk kerja termal rata-rata dengan penambahan perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert di pipa dalam berturut-turut sebesar 0,998; 1,002; 1,003; dan 1,101. 5.2 Saran Berdasarkan pengalaman yang diperoleh pada saat penelitian pengujian karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor pipa konsentrik saluran annular dengan perforated, notched, dan jagged twisted tape insert, menyarankan untuk diadakan pengembangan penelitian dengan modifikasi classic twisted tape insert lainnya, misalnya; v-cut twisted tape insert, square cut twisted tape insert, broken twisted tape insert, delta winglet twisted tape insert dan sebagainya. commit to user

SKRIPSI. Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik. Oleh: DHIMAS HUDA ANDITAMA NIM. I

Recommend Documents