digilib.uns.ac.id/Pengujian...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 2012

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

1

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

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

3

1.2 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

panas masuk seksi uji, dan 2 titik untuk mengukur temperatur air dingin dan


commit to user

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 metode peningkatan perpindahan panas pada penukar


commit to user

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

6

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

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 2-

7 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 menunjukkan penukar kalor dengan penambahan

twisted tape insert mengalami peningkatan angka Nusselt dibandingkan tanpa


commit to user

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

dengan kecepatan masing-masing kipas 1400 rpm dengan daya 50 Watt. Kipas


commit to user

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 bahwa pipa penukar kalor tanpa

penambahan twisted tape insert (plain tube) hanya menimbulkan adanya aliran


commit to user

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 tinggi ke tempat yang temperaturnya lebih rendah

disertai dengan perpindahan partikel-partikel zat perantaranya.


commit to user

11

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:

m

r D . u . R m

e = (2.1)

dimana :

Re = bilangan Reynolds


commit to user

12

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 :

pA

D ch

4=

(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 (2.4)

Re > 10.000 aliran turbulen (2.5)


commit to user

13

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:

Auρm m=& (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 :

2

)TT(T o,mi,m

b

+= (2.7)


commit to user

14

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, dan (b) perubahan temperatur fluida pada penukar kalor berlawanan arah (Cengel, 2003)


commit to user

15

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=扸踪品. Cp ,c.(Tc,out – Tc,in) (2.8)

Qh=扸踪萍. Cp,h .(Th,i – Th,o) (2.9)

dimana :

Qc = laju perpindahan panas di annulus (W)

扸踪品 = 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)

扸踪萍 = 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 (2.10)

)T/Tln(

TTTLMTD

21

21

DDDD

D+

= (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

berturut-turut dapat dilihat pada gambar 2.4(b) dan 2.5(b).


commit to user

16

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

17

Tahanan termal total pada penukar kalor konsentrik pada gambar 2.7

menjadi:

R = Rtotal = Ri + Rwall + Ro = 狗垢.隔垢十鹰纵各咕各垢⁄ 邹覸al埂十狗咕.隔咕 (2.12)

dimana :

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 = RTD

= U. A . DT = Ui . Ai . DTLMTD = Uo . Ao . DTLMTD (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 :

oo

io

iiooii A .hL k

)d/d( ln

A . hR

A.UA.U1

2111

++===p

(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

18

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 [ ] xuuρ ¶¶ /)( dapat didekati dengan persamaan:

.2 LVρFI = Gaya kekentalan diwakili dengan gaya geser dalam bentuk

( )[ ] ,yyuyyx ¶¶¶¶=¶¶ mt dapat didekati dengan persamaan 2LVµFs = .

Perbandingan kedua gaya tersebut dapat ditulis:

L

s

I ReVL

LVLV

F

F===

mr

mr

2

2

(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.

av

Pr = (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:

kd . h

Nu = (2.17)


commit to user

19

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 fluida-

fluida 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

pengurangan ukuran penukar kalor, dimana secara umum menghasilkan biaya yang


commit to user

20

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

kompleks sehingga dibatasi aplikasinya.


commit to user

21

Teknik peningkatan perpindahan panas (metode aktif, pasif dan kombinasi

metode aktif dan pasif) biasa digunakan dalam berbagai bidang seperti; industri-

industri 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.

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


commit to user

22

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 (non-

integral 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 dengan twisted tape, karena wire coil

mencampur aliran dalam lapisan bawah viskos di dekat dinding secara cukup efektif,


commit to user

23

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 tape dengan 180o twisted pitch. Geometri

twisted tape insert mengalami perkembangan dengan berbagai modifikasi untuk


commit to user

24

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

25

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, (d) Detail A dari gambar (Saha, S.K., 2010)


commit to user

26

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 isometric (Seemawute, P., 2010)


commit to user

27

(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 (Eimsa-

ard, S., 2010)

(a)

(b)

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


commit to user

28

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 = 䵈聘腮 (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 :

yH .

di . tan

22

2==

pa (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 (2.20)


commit to user

29

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 :

)(Pr . )/f( . ,,

Pr . Re . )/f(Nu // 18712071

83221 -+

= (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) :

)(Pr.)/f(.,

Pr.)(Re.)/f(Nu // 187121

100083221 -+

-=

(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

seperti persamaan Petukhov pertama (persamaan 2.22). Persamaan Gnielinski


commit to user

30

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 :

÷÷ø

öççè

æ+-=

f . Re

,

,

D/log

f

512

732

1 e (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:

2

90

74573

250-

úû

ùêë

é÷øö

çèæ +=

Re

,,D/

log . ,f,o

e (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

Bergles (1993) mengembangkan sebuah korelasi untuk kasus temperatur dinding


commit to user

31

konstan untuk aliran berkembang penuh berdasarkan data sebelumnya dan data

penelitian mereka sendiri. Korelasi untuk perpindahan panas di daerah laminar

sebagai berikut :

Nu = 4,162[6,413 x 10-9(Sw. Pr 0,391)3,385]0,214,0

w÷÷ø

öççè

æmm

(2.29)

dimana :

Nu = bilangan Nusselt

Sw = swirl number, ini merupakan harga dari gerakan pusaran (swirl)

dalam pipa.

Sw = yRe/

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 :

6125261014

2276715 /,

i

iswd )Sw(

d/t

d/t,)Re.f( -+÷÷

ø

öççè

æ--+

=p

p (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

atas adalah sebagai berikut : air (3 ≤ Pr ≤ 6,5) dan ethylene glycol (68 ≤ Pr ≤ 100)


commit to user

32

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 :

20,40,8 .

2769,01 . Pr . Re . 0,023 f÷

øö

çèæ +=

H

diNui (2.32)

2,08,0

2 /4/22

./4

÷øö

çèæ

--+

÷øö

çèæ

-=

ditdit

dit pp

pp

f (2.33)

Dimana :


Pr = bilangan Prandtl

t = tebal twisted tape (m)

di = diameter dalam pipa dalam (m)

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 :

Qh = 扸踪萍.Cp,h .(Th,i – Th,o) = hi .Ai. (Tb,i - ነ呻扑,平) (2.34)

dimana :


扸踪萍 = 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)


commit to user

33

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

hi = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam

(W/m2.oC)


Ai = p.di. L


L = panjang pipa dalam (m)

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

ነ呻扑,平 = temperatur rata-rata dinding dalam pipa dalam (oC)

Laju perpindahan panas dari fluida dingin di annulus :

Qc = 扸踪品.Cp,c .(Tc,o – Tc,i) = ho. Ao. (ነ呻扑,泼 – Tb,o) (2.35)

dimana :

Qc = laju perpindahan panas di annulus (W)

扸踪品 = 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呻扑,泼 = temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam (oC)

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

Nilai ነ呻扑,泼 dan Tb,o dicari dari persamaan berikut :

n

TT o,w

o,wS

= (2.36)

Tb,o = (Tc,o + Tc,i)/2 (2.37)

dimana ∑ነ扑,泼 adalah jumlah temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam, dan

n adalah jumlah titik pengukuran temperatur dinding luar pipa dalam.


commit to user

34

Perbedaan antara laju aliran panas dari persamaan (2.34) dan (2.35) menunjukkan

ketidaksetimbangan energi (heat balance error).

ch QQerror balance heat -= (2.38)

dimana dapat diabaikan jika penukar kalor diisolasi dengan baik. Persentase

ketidaksetimbangan energi dari penukar kalor dinyatakan sebagai berikut :

%100% xQ

QQerror balance heat

h

ch -= (2.39)

Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di annulus (ho) dapat ditentukan

dari persamaan (2.35) :

)TT( . A

)T-T( . C . mh

o,bo,wo

ic,oc,cp,co -=

·

(2.40)


commit to user

35

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


commit to user

36

Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus, Nuo dapat dinyatakan dengan

persamaan :

o

hoo k

D . hNu = (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 :


Ui = koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dalam

pipa dalam (W/m2.oC)


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 :

))TT/()TTln((

)TT()TT(T

i,co,ho,ci,h

i,co,ho,ci,hLMTD --

---=D (2.43)

Koefisien perpindahan panas overall, Ui , sistem pada penukar kalor

konsentrik ini dinyatakan dengan :

úû

ùêë

é++

=

oo

i

i

ioi

i

i

h . d

d

k

)d/dln( . d

h

U

21

1 (2.44)


commit to user

37

Dari persamaan (2.33), (2.42) dan (2.43), maka nilai Ui dapat dihitung :

LMTDi

oh,ih,phi T . A

)T-(T . c . mU

D= (2.45)

))TT/()TTln((

)TT()TT(. L . d .

)T-(T . c . mU

i,co,ho,ci,h

i,co,ho,ci,hi

oh,ih,phi

-----

=p

(2.46)

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).

úû

ùêë

é--

=

oo

i

i

ioi

i

i

h . d

d

k

)d/dln( . d

U

h

21

1 (2.47)

dimana ki adalah konduktivitas termal material pipa dalam.

Bilangan Nusselt rata-rata pada sisi pipa dalam, Nui dapat dihitung dengan

persamaan berikut :

i

iii k

d.h Nu = (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 :

n

id .V Re = (2.49)

m

r id .V. Re = (2.50)

dimana :


V = kecepatan rata-rata fluida di pipa dalam (m/s)


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

38

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 = 扸踪萍. Cp,h (2.51)

Cc = 扸踪品. 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 DTLMTD , 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

39

mungkin yang maksimum panasn perpindahalaju

aktual panasn perpindahalaju ==

maksQ

Qe (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

40

úúû

ù

êêë

é÷÷ø

öççè

æ---

úúû

ù

êêë

é÷÷ø

öççè

æ---

=

maks

min

min

s

maks

min

maks

min

min

s

CC

CA.U

expCC

CC

CA.U

exp

11

11

e (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 :

minp

s

min

s

)(m.CA .U

CA .U

NTU == (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 :

maks

min

CC

c = (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 :

[ ][ ])c(NTUexp . c

)c(NTUexp

------

=11

11e (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

41

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 :

÷øö

çèæ

--

-=

11

11

c.ln

c NTU

ee (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 :

i

t

d.V . . L

f P2

2rD = (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 (2.68)

dimana :

DP = penurunan tekanan (Pa)

rm = densitas fluida manometer (kg/m3)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

Dh = beda ketinggian fluida manometer (m)


commit to user

42

Gambar 2.22 Skema pengukuran penurunan tekanan pada penukar kalor

pipa konsentrik

Sehingga faktor gesekan (f) dihitung menggunakan persamaan (2.68) sebagai

berikut :

f

÷÷ø

öççè

æ÷÷ø

öççè

æ=

2

2VdL

P

i

t r

D (2.69)

dimana :

f = faktor gesekan

DP = penurunan tekanan (Pa)

Lt = panjang jarak titik pengukuran tekanan di 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), 䡈踪褠粕=褠 , dapat ditentukan dari :

䡈踪褠粕=褠实惯.踪∆3 (2.70)

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

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

43

试惯踪.画3守褠实试惯踪.画3守魄 (2.71)

dimana :

惯踪= 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 :

纵归.Re脑邹怒实纵归. Re脑邹虐 (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.

ppp

s

hh

÷÷ø

öççè

æ=h (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

46

44

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

- 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

· 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

45

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

Gambar 3.2. Penukar kalor pipa konsentrik satu laluan


commit to user

46

Gambar 3.3. Skema penukar kalor tanpa twisted tape insert

Gambar 3.4. Skema penukar kalor dengan classic twisted tape insert

Gambar 3.5. Skema penukar kalor dengan perforated twisted tape insert


commit to user

47

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

satu picth terdapat 2 lubang. Pada nocth twisted tape di bagian tepi twisted tape


commit to user

48

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).

Flange dibuat melalui proses pengeboran dan pembubutan dari nylon yang


commit to user

49

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

50

Gambar 3.10. Instalasi alat penelitian tampak depan.

Gambar 3.11. Instalasi alat penelitian tampak belakang

5 1

8

3

4 7

2

9

6


commit to user

51

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

Gambar 3.12. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak depan


commit to user

52

Gambar 3.13. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak samping

Gambar 3.14. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak belakang


commit to user

53

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 untuk mengukur temperatur

dinding luar pipa dalam.


commit to user

54

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

55

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 RPM : 2850


commit to user

56

(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

Gambar 3.24. Flowmeter


commit to user

57

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.

Gambar 3.27. Stopwatch.


commit to user

58

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

59

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

60

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

61

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

62

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 (踪) c. Menghitung laju perpindahan panas (冠萍) dan (冠品)

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

63

g. Menghitung koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan

dalam pipa dalam (U纽) h. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (h纽) i. Menghitung bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam (Nu纽) 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

64

3.6. Diagram Alir Penelitian

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 (踪) c. Menghitung laju perpindahan panas (Q钮) dan (Q宁) 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)

Variasi: Bilangan Reynolds di

pipa dalam tanpa twisted tape insert

Variasi: Bilangan Reynolds di pipa

dalam dengan classic twisted tape insert

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

kesimpulan

selesai

Mulai

Alat penukar kalor pipa konsentrik saluran annular satu laluan


commit to user

65

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 (踪品) 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 17,0 33,5 33,8 34,4 34,5 35,0 37,8 38,3 40,2 40,8 42,3 60,0 42,8 27,8 33,1 2,5 19,0 35,3 35,1 35,8 36,1 36,4 39,5 39,7 41,3 42,1 43,7 60,3 44,3 27,2 33,4 3,0 25,0 36,3 36,7 37,5 37,9 38,9 40,7 42,5 42,6 44,0 45,6 60,0 45,9 28.0 34.5 3,5 40,0 36,8 37,9 38,1 38,2 39,1 42,5 43,2 44,4 45,4 47,0 60,2 46,4 27,7 35,2 4,0 43,0 37,0 37,8 38,1 38,6 38,9 41,0 43,0 43,4 44,9 47,1 59,8 46,6 27,5 35,7 4,5 56,0 38,6 39,3 40,1 40,4 40,9 41,2 44,5 45,6 46,6 48,7 60,2 47,9 28,3 36,9 5,0 70,0 39,5 40,0 40,5 41,0 41,5 43,6 45,7 45,7 47,0 48,6 59,8 48,3 28,0 36,9 5,5 75,0 39,8 40,1 40,9 41,3 42,6 45,8 46,8 47,7 48,9 50,4 60,3 49,3 28,0 37,3 6,0 95,0 40,3 41,3 41,5 41,6 42,8 47,6 47,7 47,9 49,2 50,6 60,5 49,5 27,7 38,0 6,5 101,0 41,1 41,2 42,5 43,2 43,5 46,7 47,4 47,7 49,2 50,7 59,9 49,8 27,9 38,0 7,0 125,0 41,4 41,6 42,0 43,0 43,5 45,9 48,3 49,8 50,0 51,0 60,2 50,2 28,2 39,0 7,5 133,0 42,2 42,3 43,7 44,6 44,9 47,3 48,9 50,0 51,0 52,3 60,0 50,8 28,6 39,3 8,0 145,0 42,7 43,0 43,4 44,6 45,5 47,5 49,5 51,1 51,4 52,3 59,8 51,3 28,7 39,3

8,5 176,0 42,5 42,7 44,2 45,2 45,5 47,4 49,6 50,5 51,2 52,1 59,8 51,2 28,4 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


commit to user

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 43,0 34,5 34,9 37,2 37,4 37,5 40,2 41,4 42,4 44,2 46,5 60,5 42,0 28,0 33,5 2,5 65,0 36,0 36,7 38,8 39,2 40,2 41,9 42,9 44,2 46,2 48,6 60,4 43,3 28,3 34,3 3 96,0 37,4 37,6 38,6 39,3 39,5 41,7 43,3 44,8 46,5 49,3 60,4 44,6 27,6 34,3

3,5 124,0 37,9 38,0 38,8 40,4 40,9 43,4 44,6 45,8 47,7 50,3 60,2 45,2 28,7 36,0 4 159,0 38,5 38,6 39,1 41,3 41,8 44,0 45,1 46,7 48,5 50,9 60,4 46,5 28,8 36,4

4,5 194,0 38,7 39,5 40,5 42,1 42,5 45,0 45,7 46,7 48,9 51,5 60,6 47,6 28,4 36,5 5 223,0 39,5 40,2 41,1 42,4 43,0 45,0 47,0 47,7 49,6 51,9 60,3 47,9 28,3 36,8

5,5 268,0 40,0 41,0 42,0 43,1 44,1 46,0 47,3 47,5 49,8 52,0 60,2 48,2 28,3 37,3 6 315,0 40,4 41,6 43,0 43,6 44,6 46,6 48,0 48,2 50,2 52,1 60,3 48,8 28,0 37,4

6,5 370,0 41,4 42,6 43,0 43,8 44,8 45,4 48,3 48,5 50,2 52,3 60,3 49,2 28,4 38,1 7 426,0 41,9 42,5 43,2 44,2 45,4 46,4 48,4 49,0 50,9 53,2 60,3 49,6 28,0 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.


commit to user

68

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) :

萍实(.霹篇实(.足芍浅.劈腮潜能芍浅.聘伞潜卒气.劈腮嫩气.聘伞实平石圭泼

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)

At,i = π/4.di2= 3,14 / 4 . (0,0143 m)2 = 0,00016 m2


commit to user

69

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 (踪品) : 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

2 =

(60,5 + 49,5)°C

2 = 55,0 oC = 328,0 K

§ 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

ki = 0,648 W/m oC

mi = 5,0 .10-4 kg/(m.s)

Pr = 3,26

§ Temperatur bulk rata-rata air di annulus :

Tb,o = Tci+ Tco

2 = (27,7 + 38,0)°C

2 = 33,9 oC = 305,9 K

§ 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,踪萍: 踪萍= rh . 惯踪 = 985,42 kg/m3 . 足 6,0 LPM

60 s.1000 m3卒 = 9,85.10-2 kg/s


commit to user

70

c. Laju perpindahan panas :

Qh =踪萍. 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 =踪品. 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 = 特Qh- Qc特 = 特4.534,43 W – 4884,09 W特 = 349,66 W

% heat balance error = 藤Qh能Qc

Qh藤.100%

= 丐羘(T,��4.534,43

丐.100%

= 7,71 %

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

Tw,o= 40,3+41,3+41,5+41,6+42,8+47,6+47,7+47,9+49,2+50,6

10 = 45,1 oC

ho = Qc

Ao . ( T伸w,o- Tb,o)

= 4.884,09 W

0,1047m2. (45,1 – 33,9)°C

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

Nuo = ho.劈萨

ko

= 4.165,04W/m2 oC . 0,0076m

0,622 W/m. oC

= 50,89

g. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan

dalam pipa dalam, Ui :

Qh = 踪萍 .Cp,h .(Th,i – Th,o) = Ui.Ai.ΔTLMTD

Ui =m踪hCp,h . 足Th,i- Th,o卒Ai . ΔTLMTD


commit to user

71

Ui = Qh

Ai . ΔTLMTD

Ui = Qh

Ai . 罪足Th,i- Tc,o卒-足Th,o- Tc,i卒ln 收足Th,i- Tc,o卒/足Th,o- Tc,i卒寿尊

Ui = 4.534,43W

0,0948m2 . 组试60,5- 38,0 守°C – 试49,5-27,7守°C

ln 足试60,5- 38,0 守°C /试49,5-27,7守°C卒钻

= 2.159,81 W/m2.oC

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

hi = 1释1

Ui-禽氢.ln(若伞禽氢)⁄2.塞三 - 禽氢若伞.ho

恃 hi =

1

12.159,81 W/m2oC

– 0,0143 m ln 足0,0158 m

0,0143 m卒2 . 237 W/m oC

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

hi = 4.481,36 W/m2.oC

i. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan

luar pipa dalam, Uo :

Uo = 1若伞若腮hi

+ 若伞. ln收若伞若腮寿潜.km

+ 1

ho

Uo = 1

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

0,0143 m钻2 . 237 W/m oC + 1

4.105,04 W/m2 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/m2oC . 0,0143 m

0,648 W/m. oC

= 98,89


commit to user

72

k. Bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam, Re :

Kecepatan rata-rata aliran air di pipa dalam,郭: 郭 = 镊踪霹搔,腮

= 6,0 LPM .

1 menit60s

1 m3

1000L

0,00016 m2 = 0,625 m/s

Re = ρh剖di袍氢

= 㶈985,42 kg/m3掰.㶈难,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

Nui,Petukhov = 足ƒ

8卒Re .Pr

1,07 +12,7足ƒ8卒1/2

(Pr2/3-1)

= 足0,0271

8卒㶈17.614,4掰.3,26

1,07 +12,7足0,02718

卒1/2(3,262/3-1)

= 99,45

% error =丐Nui Plain tube- NuiPetukhov

NuiPetukhov丐.100%

% error = 藤98,89 – 99,4599,45 藤.100% = 0,005 %

· Menggunakan persamaan Gnielinski (1976):

Nui,Gnelienski = 足ƒ

8卒㶈Re-1000掰.Pr

1+12,7足ƒ8卒1/2

(Pr2/3-1)


commit to user

73

= 足0,0271

8卒㶈17.614,4 -1000掰.3,26

1+12,7足0,02718

卒1/2(3,262/3-1)

= 97,28

% error =丐Nui Plain tube- NuiGnielinskiNuiGnielinski 丐.100%

% error = 藤98,89 – 97,2897,28 藤.100% = 0,016 %

· 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 =禺Nui Plain tube- NuiDittus Boelter

NuiDittus-Boelter 禺.100%

= 丐98,89 – 81,73ue.呢羘丐.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).足1 N

kg.m/s2卒足1 Pa

1N/m2卒

= 927,98 Pa

n. Faktor gesekan, ƒ:

ƒ= ΔP

Ltd腮ρh扫伸伸潜.

2

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

2

= 0,0310

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 =藤ƒPlain tube- ƒBlasius

ƒBlasius藤.100%


commit to user

74

= 藤0,031 – 0,0276 0,0276 藤.100% = 12,32 %

· Menggunakan persamaan Petukhov:

Diketahui faktor gesekan menurut Petukhov = 0,0271

%error = 藤ƒPlain tube- ƒPetukhov

ƒPetukhov藤.100%

=丐0,031– 0,0271

0,0271丐.100% = 14,39 %

· Persamaan Colebrook:

Faktor gesekan dengan persamaan Colebrook:

归难 = 0,25 族log足ε D⁄3,7

+5,74

Re0,9卒祖-2

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

fColebrook = 0,0268

%error = 藤ƒPlain tube- ƒColebrook

ƒColebrook藤.100%

= 丐0,031 – 0,0269

0,0269丐.100% = 15,33 %

p. Efektivenes penukar kalor

Ch =踪萍.Cp,h = 9,85.10-2 kg/s . 4.183,20 J/kgoC = 412,05 J/soC

Cc = 踪品 .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 = Cmin

Cmaks=

412,05J/魄伞披474,18 J/魄伞披 = 0,87

e = Qh

Qmaks =

Qh

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

4.534,43 W㶈412,05J/s°C掰.(60,5 - 27,7)°C= 0,34

NTU = Ui. Ai

Cmin =

㶈2.159,81W/m2oC).㶈0,0948m2掰412,05J/魄伞披 = 0,50

NTU = 1

c-1ln足e- 1

e.c-1卒=

1

0,87-1ln足 0,34-1

(0,34掰.㶈0,87掰 -1卒 = 0,50


commit to user

75

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 (踪品) : 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

2 =

(60,3 + 48,8)°C

2 = 54,6oC = 327,6 K

§ 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

2 = (28,0 + 37,4)°C

2 = 32,7 oC = 305,7 K

§ 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,踪萍: 踪萍= rh . 惯踪= 985,68 kg/m3 . 足 6,0 LPM

60 s.1000 m3卒 = 9,86.10-2 kg/s


commit to user

76

c. Laju perpindahan panas :

Qh =踪萍. 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 =踪品. 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 = 特Qh- Qc特 = 特4.741,59 W – 4.457,36 W特 = 284,23 W

% heat balance error = 藤Qh能Qc

Qh藤.100%

= 丐1u(,1羘4.457,36

丐.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 . ( T伸w,o- Tb,o)

= 4.457,36 W

0,1047m2. (45,8 – 32,7)°C = 3.249,82 W/m2.oC

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

Nuo = ho.劈萨

ko

= 3.249,82 W/m2 oC . 0,0076 m难,�1eW/m. oC

= 39,77

g. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan

dalam pipa dalam, Ui :

Qh= 踪萍 .Cp,h .(Th,i – Th,o) = Ui.Ai.ΔTLMTD

Ui =m踪hCp,h . 足Th,i- Th,o卒Ai . ΔTLMTD

= Qh

Ai . ΔTLMTD


commit to user

77

Ui = Qh

Ai . 罪足Th,i- Tc,o卒-足Th,o- Tc,i卒ln 收足Th,i- Tc,o卒/足Th,o- Tc,i卒寿尊

Ui = 4.741,59W

0,0948m2 . 组试60,3- 37,4 守°C – 试48,8-28,0守°C

ln 足试60,3- 37,4 守°C / 试48,8-28,0守°C卒钻 = 2.291,07 W/m2.oC

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

hi = 1释1

Ui-禽氢.ln(若伞禽氢)⁄2.塞三 - 禽氢若伞.ho

恃 hi =

1

12.291,07 W/m2oC

– 0,0143 m ln 足0,0158 m

0,0143 m卒2 . 㶈237 W/m oC掰 –

0,0143 m㶈0,0158 m掰.㶈3.249,82W/m2 oC掰 hi = 6.452.80 W/m2.oC

ii. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan

luar pipa dalam, Uo :

Uo = 1若伞若腮hi

+ 若伞. ln收若伞若腮寿潜.km

+ 1

ho

Uo= 1

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

0,0143 m钻2 . 㶈237 W/m oC掰 + 1㶈3.249,82W/m2 oC掰

Uo = 2.073,56 W/m2.oC

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,郭: 郭 = 镊踪霹搔,腮


commit to user

78

= 6,0 LPM .

1 menit60s

1 m3

1000L

0,00016 m2

= 0,625 m/s

Re = ρh剖 di

µ氢

= 㶈985,68kg/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 = 族 π

π - 4t/di祖0,8 族π+2-2t/di

π - 4t/di祖.

0,2

= π

π- 4.7. 10-4

0,0143

0,8

π+ 2- 2.7.10-4

0,0143

π - 4.7.10-4

0,0143

0,2

= 1,16

Nu = 0,023. Re0,8 . Pr0,4[1+0,769 2di

H ] Ø2

= 0,023. (17.273,56)0,8. (3,28)0,4[1+0,769.2. 㶈0,0143 m掰㶈5,03.10-2屏掰]. 1,16

= 151,38

% error = 禺Nui classic- Nui Manglik-Berges

Nui Manglik-Berges禺.100%

= 丐143,29– 151,38

151,38丐.100% = 5,34 %

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

DP = rm.g. Dh

= (995,75 kg/m3). (9,81 m/s2). (0,315 m) .足 1 N

Kg.m/s2卒足1 Pa

1N/m2卒


commit to user

79

= 3.077,02 Pa

n. Faktor gesekan, ƒ:

ƒ= ΔP

Ltd腮ρh扫伸伸潜.

2

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

2

= 0,103

p. Efektivenes penukar kalor

Ch =踪萍.Cp,h = 9,86.10-2 kg/s . 4.183,02 J/kgoC = 412,45 J/soC

Cc = 踪品 .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 = Cmin

Cmaks=

412,45 J/魄伞披474,19 J/魄伞披 = 0,87

e = Qh

Qmaks =

Qh

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

4.741,59 W

412,45J/s°C (60,3 - 28,0)°C= 0,36

NTU = Ui. Ai

Cmin =

㶈2.291,07W/m2C) .㶈0,0948m2掰412,45J/魄伞披 = 0,53

NTU = 1

c-1ln足e- 1

e.c-1卒=

1

0,87-1ln足 0,36-1

(0,36掰.㶈0,87掰 -1卒 = 0,5

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 = 惯踪. ΔP.

Contoh perhitungan daya pemompaan variasi tanpa twisted tape insert (plain

tube) 6 LPM:

Daya pemompaan = 足 6 LPM

60 s.1000 m3卒. 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

80

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

Ṽ h Daya pemompaan (Watt)

(LPM) Plain Perforated Notched Classic Jagged 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 0,66032 7,5 0,1622 - - - -

8,0 0,1887 - - - -

8,5 0,2433 - - - -

9,0 0,2620 - - - -

9,5 0,3229 - - - -

10,0 0,3985 - - - -

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 : 试V踪. ΔP守p = 试V踪. ΔP守

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

gambar 4.2


commit to user

81

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


gambar 4.3.

Plain y = 44274x0.388 R² = 0.992

Perforated y = 33843x0.398 R² = 0.999

Notched y = 29246x0.381 R² = 0.999

Classic y = 26665x0.372 R² = 0.999

Jagged y = 23866x0.381 R² = 0.999

0

3,000

6,000

9,000

12,000

15,000

18,000

21,000

24,000

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70

Re

Daya pemompaan (W)

Plain

Perforated

Notched

Classic

Jagged

Regresi Plain

Regresi Perforated

Regresi Notched

Regresi Classic

Regresi Jagged


commit to user

82

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 = 收hi,perforatedhi, plaintube寿= 足1ube,b1eW/m2 °C

285f,437 W/m2 °C 卒 = 1,000

Plain y = 9347.x0.314 R² = 0.996

Perforated y = 9312.x0.313 R² = 0.967

Notched y = 9341.x0.313 R² = 0.975 Classic

y = 9227.x0.307 R² = 0.988

Jagged y = 10136x0.307 R² = 0.996

0

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

7,000

8,000

9,000

10,000

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70

hi

(W/m

2 o C

)

Daya pemompaan (W)

PlainPerforatedNotchedClassicJagged

Regresi PlainRegresi PerforatedRegresi NotchedRegresi ClassicRegresi Jagged


commit to user

83

ü notched twisted tape insert:

η = 收hi, notched

hi, plaintube寿= 足1u�难,(难eW/m2 °C

2851,437 W/m2 °C 卒 = 1,003

ü classic twisted tape insert :

η = 收hi,classic

hi, plaintube寿= 足2890,324 W/m2 °C

2851,437 W/m2 °C 卒 = 1,014

ü jagged twisted tape insert :

η = 收hi,"jagg∪dhi, plaintube寿= 足3175,065 W/m2 °C

2851,437 W/m2 °C 卒 = 1,113

d. Menentukan bilangan Nusselt rata-rata (Nui) pada daya pemompaan yang

sama

Hubungan Nui dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan


gambar 4.4.

Gambar 4.4. Grafik hubungan bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam

dengan daya pemompaan

Plain y = 205.5x0.312 R² = 0.996

Perforated y = 205.3x0.311 R² = 0.967

Notched y = 205.4x0.31 R² = 0.974

Classic y = 203.3x0.305 R² = 0.988

Jagged y = 223.5x0.305 R² = 0.996

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70

Nu,

i

Daya pemompaan (W)

Plain

Perforated

Notched

Classic

Jagged

Regresi Plain

Regresi Perforated

Regresi Notched

Regresi Classic

Regresi Jagged


commit to user

84

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


gambar 4.5.

Gambar 4.5. Grafik hubungan faktor gesekan di pipa dalam dengan daya pemompaan

Nilai f pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan



Contoh perhitungan faktor gesekan ( f ) pada daya pemompaan 2,28.10-2 W

y = 0,033e-1,46x R² = 0,871

Perforated y = 0.047x-0.14 R² = 0.960

Notched y = 0.073x-0.09 R² = 0.975

Classic y = 0.096x-0.07 R² = 0.893

Jagged y = 0.131x-0.09 R² = 0.984

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

f

Daya pemompaan (W)

Plain

Perforated

Notched

Classic

Jagged

Expon. (Plain)

Regresi Perforated

Regresi Notched

Regresi Classic

Regresi Jagged


commit to user

85

· f,plain tube = 0,033 .(e)-1,48 x = 0,032

· f,perforated = 0,047 .(2,28.10-2)-0,14 = 0,080

· f,notched = 0,073 .(2,28.10-2)-0,09 = 0,103

· f,classic = 0,096. (2,28.10-2)-0,07 = 0,125

· f,jagged = 0,131. (2,28.10-2)-0,09 = 0,184

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=

63,34463,f67= 1,003

· notched twisted tape insert

Nui,notched

Nui, Plain tube =63,615

63,167= 1,007

· classic twisted tape insert

Nui, Classic

Nui, Plain tube =

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, Plaintube= 0,080

0,032= 2,500

Ø notched twisted tape insert:

f, Notched

f, Plaintube= 0,103

0,032 = 3,219

Ø classic twisted tape insert:

f, Classic

f, Plaintube= 0,125

0,032 = 3,906


commit to user

86

Ø jagged twisted tape insert:

f, Jagged

f, Plaintube = 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


gambar 4.6. Nilai ∆P pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan



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 = 4067. (2,28.10-2)0,627 = 379,926 Pa

§ ∆P,perforated = 5409. (2,28.10-2)0,617 = 524.762 Pa

Plain y = 4067.x0.627 R² = 0.997

Perforated y = 5409.x0.617 R² = 0.999

Notched y = 6033.x0.634 R² = 0.999

Classic y = 6603.x0.643 R² = 0.999

Jagged y = 7322.x0.636 R² = 0.998

0

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80

∆P

(Pa)

Daya pemompaan (W)

Plain

Perforated

Notched

Classic

Jagged

Regresi Plain

Regresi Perforated

Regresi Notched

Regresi Classic

Regresi Jagged


commit to user

87

§ ∆P,notched = 6033. (2,28.10-2)0,634 = 548,863 Pa

§ ∆P,classic = 6603. (2,28.10-2)0,643 = 580,622 Pa

§ ∆P,jagged = 7322.(2,28.10-2)0,636 = 661,114 Pa

h. Menentukan efektivenes penukar kalor (e) pada daya pemompaan yang

sama

Hubungan e dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan


gambar 4.7. Nilai e pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan



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

§ ε,jagged = 0,313. (2,28.10-2)-0,17 = 0,595

Plain y = 0.228x-0.15 R² = 0.980

Perforated y = 0.267x-0.16 R² = 0.989

Notched y = 0.288x-0.15 R² = 0.990

Classic y = 0.301x-0.15 R² = 0.986

Jagged y = 0.313x-0.17 R² = 0.992

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70

ε

Daya pemompaan (W)

Plain

Perforated

Notched

Classic

Jagged

Regresi Plain

Regresi Perforated

Regresi Notched

Regresi Classic

Regresi Jagged


commit to user

88

i. Menentukan NTU penukar kalor pada daya pemompaan yang sama

Hubungan NTU dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan


gambar 4.8. Nilai NTU pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan



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

Plain y = 0.322x-0.17 R² = 0.968

Perforated y = 0.380x-0.19 R² = 0.986

Notched y = 0.409x-0.18 R² = 0.987

Classic y = 0.43x-0.18 R² = 0.986

Jagged y = 0.459x-0.20 R² = 0.993

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1.10

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80

NT

U

Daya pemompaan (W)

Plain

Perforated

Notched

Classic

Jagged

Regresi Plain

Regresi Perforated

Regresi Notched

Regresi Classic

Regresi Jagged


commit to user

71


commit to user

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


commit to user

90

Lanjutan tabel 4.7

Pumping Power ∆ P (Pa) 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


commit to user

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


commit to user

92

Lanjutan tabel 4.7

Pumping Power NTU ε η thermal

.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


commit to user

110


commit to user

93

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.

Gambar 4.9. Grafik hubungan Nu dengan Re untuk plain tube

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000

Nu,

i

Re

Plain Tube

Gnielinski

Petukhov

Dittus - Boelter


commit to user

94

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.

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

Sedangkan untuk faktor gesekan, persamaan Blasius berlaku untuk pipa-

pipa 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

rata-rata cukup kecil (12,1%). Sehingga data faktor gesekan di pipa dalam dari

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000

f

Re

Plain TubeBlasiusPetukhovColebrook


commit to user

95

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.

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).

0

50

100

150

200

250

0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000

Nu,

i

Re

Perforated

Plain Tube

Notched

Classic

Jagged


commit to user

96

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 Manglik-

Berges 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.

Sebagai perbandingan, penelitian Eimsa-Ard dkk (2010) yang membandingkan

0

50

100

150

200

250

0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000

Nu,

i

Re

Plain Tube

Perforated

Notched

Classic

Jagged

Manglik - Bergles Perforated

Manglik - Bergles Notched

Manglik - Bergles Classic

Manglik-Bergles Jagged


commit to user

97

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

98

tempertur di dekat dinding (Rahimi, 2009). Pada bilangan Reynolds yang sama,

pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert, bilangan Nusselt rata-

rata 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 tape dimana terdapat lubang setengah lingkaran


commit to user

99

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

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,

bilangan Nusselt untuk pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert

0

50

100

150

200

250

300

0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000

Nu,

i

Re

Plain TubeclassicPerforatedNotchedJagged


commit to user

100

naik rata-rata 0,475% dibandingkan plain tube, sedangkan dengan penambahan

perforated, notched, dan jagged twisted tape insert, bilangan Nusselt 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%. 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.

Gambar 4.14. Hubungan Nu/Nu,p dengan Re

Dari gambar 4.14, dapat dilihat bahwa pipa dalam dengan penambahan

perforated, notched, classic dan jagged twisted tape insert mempunyai nilai rasio

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000

Nu

/ Nup

Re

PerforatedNotchClassicJagged


commit to user

101

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.

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

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1.30

1.40

0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000

Nu/

Nu,

p

Re

PerforatedNotchedClassicJagged


commit to user

102

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.

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, notched, classic dan jagged twisted tape insert

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1.30

1.40

0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000

η

Re

ClassicPerforatedNotchedJagged


commit to user

103

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.

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

pipa konsentrik mempunyai efektivenes rata-rata yang lebih tinggi dibandingkan

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10

ε

NTU

Perforated

Notched

Classic

Jagged


commit to user

104

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.

Gambar 4.18. Grafik hubungan DP dengan Re

0

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000

∆P(P

a)

Re

Plain TubePerforatedNotchClassicJagged


commit to user

105

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

106

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

kecepatan aliran air di pipa dalam.

0

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000

∆P

(P

a)

Re

Plain tubePerforatedNotchedClassicJagged


commit to user

107

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 untuk penambahan jagged twisted tape insert. Hal ini

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000

f

Re

Plain TubePerforatedNotchClassicJagged


commit to user

108

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000

f

Re

plainPerforatedNotchedClassicJagged

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).

Gambar 4.21. Grafik hubungan f dengan Re pada daya pemompaan yang sama


commit to user

109

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.

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.

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000

f/fp

Re

PerforatedNotchedClassicJagged


commit to user

110

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

111

insert, pipa dalam dengan perforated dan notched twisted tape insert berturut-

turut 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

digilib.uns.ac.id/Pengujian...digilib.uns.ac.id

Documents

Transcript of digilib.uns.ac.id/Pengujian...digilib.uns.ac.id