JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK · PDF fileSKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat...

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

commit to user

PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK SALURAN

PERSEGI DENGAN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET


PERSEGI DENGAN CLASSIC TWISTED TAPE DAN PERFORATED TWISTED TAPE INSERT

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh:

BROTO KUNCORO NIM: I0406019

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA 2011


PERFORATED

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET


commit to user

iii

PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA

KONSENTRIK SALURAN PERSEGI DENGAN CLASSIC TWISTED TAPE DAN PERFORATED TWISTED TAPE INSERT

Disusun oleh :

Broto Kuncoro NIM. I0406019

Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II

Wibawa Endra J., ST., MT NIP. 19700911 200003 1001

Dosen Pembimbing II

Tri Istanto, ST., MT NIP. 19700911 200003 1001

Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari 1. Zainal Arifin, ST., MT …………………………

NIP. 19730308 200005 1001 2. Ir. Augustinus Sujono., MT ………………………...

NIP. 19511001 198503 1001

3. Zainal Arifin, ST., MT ………………………... NIP. 19730308 200005 1001

Mengetahui:

Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir Didik Djoko Susilo, ST., MT Wahyu Purwo Raharjo, ST., MT NIP. 19720313 199702 1001 NIP. 19720229 200012 1001

Dosen Pembimbing II


commit to user

iv

MOTTO

“Kesabaran dan totalitas merupakan kunci untuk menyelesaikan setiap persoalan”

(Penulis)


commit to user

Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan Pada Penukar Kalor Pipa Konsentrik Saluran Persegi Dengan Classic Twisted Tape Insert dan

Perforated Twisted Tape Insert

Broto Kuncoro Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia

E-mail : [email protected]

Abstrak

Penelitian ini dilakukan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor saluran persegi dengan classic twisted tape insert dan perforated twisted tape insert. Seksi uji adalah sebuah penukar kalor pipa konsentrik satu laluan dengan pipa dalam dan pipa luar terbuat dari aluminium. Dimensi pipa luar; panjang sisi luar 23,05 mm x 23,05 mm, dan panjang sisi dalam 21,75 mm x 21,75 mm, dan pipa dalam; panjang sisi luar 18,50 mm x 18,50 mm, dan panjang sisi dalam 17,20 mm x 17,20 mm. Panjang penukar kalor 1.998 mm dan jarak pengukuran beda tekanan di pipa dalam 2.018 mm. Aliran di pipa dalam dan di annulus adalah berlawanan arah. Fluida kerja yang digunakan adalah air panas di pipa dalam dimana temperatur masukannya dipertahankan pada 60 oC, dan air dingin di annulus dengan temperatur masukan pada ± 28oC. Classic twisted tape insert dan perforated twisted tape insert masing-masing dengan nilai twist ratio 4,0 terbuat dari bahan aluminium strip dengan tebal 0,76 mm, lebar 12,61 mm yang dipuntir membentuk pilinan dengan panjang pitch sebesar 50,35 mm. Perforated twisted tape insert I dan II dilubangi dengan diameter lubang berturut-turut sebesar 4 mm dan 6,5 mm, dimana jarak antar pusat lubang sebesar 4 mm. Twisted tape insert dipasang di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik.

Hasil penelitian menunjukan bahwa pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan classic twisted tape insert, perforated twisted tape insert I dan perforated twisted tape insert II di pipa dalam menaikkan bilangan Nusselt rata-rata berturut-turut sebesar 40,83 %, 16,80% dan 31% daripada pipa dalam tanpa twisted tape insert (plain tube). Pada daya pemompaan yang sama, angka Nusselt rata-rata di pipa dalam dengan classic twisted tape insert, perforated twisted tape insert I, dan perforated twisted tape insert II berturut-turut meningkat sebesar 27,21%, 12,41% dan 15,07% dibandingkan plain tube. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan classic twisted tape insert, perforated twisted tape insert I, dan perforated twisted tape insert II menaikkan faktor gesekan rata-rata di pipa dalam berturut-turut sebesar 3,19, 1,89, dan 2,71 kali lebih tinggi daripada plain tube. Pada daya pemompaan yang sama, penambahan classic twisted tape insert, perforated twisted tape insert I, dan perforated twisted tape insert II berturut-turut meningkatkan faktor gesekan rata-rata pipa dalam 4,51, 1,85 dan 3,41 kali lebih tinggi daripada faktor gesekan plain tube. Unjuk kerja termal rata-rata pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert, perforated twisted tape insert I, dan perforated twisted tape insert II berturut-turut adalah 1,26, 1,13, dan 1,11. Kata kunci : bilangan Nusselt, bilangan Reynolds, classic twisted tape insert, faktor

gesekan, perforated twisted tape insert


commit to user

Investigation on Heat Transfer and Friction Factor Characteristics of The Rectangular Channel Concentric Tube Heat Exchanger With Classic Twisted

Tape Insert and Perforated Twisted Tape Insert

Broto Kuncoro Departement of Mechanical Engineering

Engineering Faculty of Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia

E-mail : [email protected]

Abstract

The research was conducted to examine the characteristics of heat transfer and friction factor in the rectangular channel heat exchanger with a classic twisted tape inserts and perforated twisted tape insert. Test section was the single pass concentric tube heat exchanger with inner tube and outer tube made of aluminum. The dimensions of the outer tube were 23.05 mm x 23.05 mm for the outer side and 21.75 mm x 21.75 mm for the inner side, whereas the dimensions of the inner tube were 18.50 mm x 18.50 mm for the outer side and 17.20 mm x 17.20 mm for the inner side. The length of heat exchanger was 1,998 mm and the length of pressure difference measurement in the inner tube was 2,018 mm. Flows in the inner tube and in annulus were in opposite directions. Working fluid in the inner tube was hot water which its inlet temperature was maintained at 60°C, whereas in the annulus was cold water at ± 28oC. Both of classic twisted tape insert and perforated twisted tape insert with a twist ratio of 4.0 were made of aluminum strips with a thickness of 0.76 mm and width of 12.61 mm which it was twisted so forming twist with the length of pitch was 50.35 mm. Perforated twisted tape inserts I and II were punched with hole diameter of 4 mm and 6.5 mm, respectively, where the distance between the center hole of 4 mm. Twisted tape insert installed in the inner tube of the concentric tube heat exchanger.

The results showed that at the same Reynolds number, the addition of classic twisted tape insert, perforated twisted tape insert I and perforated twisted tape insert II in the inner tube increasing the average Nusselt numbers were 40.83 %, 16.80%, and 31% than the inner tube without a twisted tape insert (plain tube), respectively. At the same pumping power, the average Nusselt number in the inner tube with classic twisted tape insert, perforated twisted tape insert I, and perforated twisted tape insert II increased 27.21%, 12.41%, and 15.07% than the plain tube, respectively. At the same Reynolds number, the addition of classic twisted tape inserts, perforated twisted tape insert I and perforated twisted tape insert II in the inner tube increased the average friction factor 3.19, 1.89, and 2.71 times than plain tube, respectively. At the same pumping power , the addition of classic twisted tape inserts, perforated twisted tape insert I and perforated twisted tape insert II the average friction factor increased 4.51, 1.85, and 3.41 times than plain tube, respectively. The average thermal performance of inner tube with the addition of classic twisted tape inserts, perforated twisted tape insert I and perforated twisted tape insert II were 1.26, 1.13, and 1.11, respectively.

Keywords : Nusselt number, Reynolds number, classic twisted tape, friction factor,

perforated twisted tape.


commit to user

vii

Persembahan Alhamdulilllah, seiring dengan tanggung jawab yang telah diberikan, Alhamdulilllah, seiring dengan tanggung jawab yang telah diberikan, Alhamdulilllah, seiring dengan tanggung jawab yang telah diberikan, Alhamdulilllah, seiring dengan tanggung jawab yang telah diberikan,

akhirnya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang telah diberikan, akhirnya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang telah diberikan, akhirnya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang telah diberikan, akhirnya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang telah diberikan, dengan bangga tugas akhir ini penulis dengan bangga tugas akhir ini penulis dengan bangga tugas akhir ini penulis dengan bangga tugas akhir ini penulis persempersempersempersembbbbahkan untuk:ahkan untuk:ahkan untuk:ahkan untuk:

Allah SWT yang telah menijinkan, mamberikan rahmat dan petunjuk Allah SWT yang telah menijinkan, mamberikan rahmat dan petunjuk Allah SWT yang telah menijinkan, mamberikan rahmat dan petunjuk Allah SWT yang telah menijinkan, mamberikan rahmat dan petunjuk selama mengerjakan tugas akhir sampai selesaiselama mengerjakan tugas akhir sampai selesaiselama mengerjakan tugas akhir sampai selesaiselama mengerjakan tugas akhir sampai selesai

Bp. Madiyono dan Ibu Sumini Bp. Madiyono dan Ibu Sumini Bp. Madiyono dan Ibu Sumini Bp. Madiyono dan Ibu Sumini yang tyang tyang tyang telah mempercayakan penulis untukelah mempercayakan penulis untukelah mempercayakan penulis untukelah mempercayakan penulis untuk kuliah di Teknik Mesin.kuliah di Teknik Mesin.kuliah di Teknik Mesin.kuliah di Teknik Mesin.

Keluarga tercinta : Keluarga tercinta : Keluarga tercinta : Keluarga tercinta : Mas Eko MargMas Eko MargMas Eko MargMas Eko Margonoonoonoono, Mb. , Mb. , Mb. , Mb. TiniTiniTiniTini, Tyo dan Icah; Mb. , Tyo dan Icah; Mb. , Tyo dan Icah; Mb. , Tyo dan Icah; Mb. Dwi Dwi Dwi Dwi ErwantiErwantiErwantiErwanti, , , , Mas Mas Mas Mas Kelik dan Gadisa; Mb. Kelik dan Gadisa; Mb. Kelik dan Gadisa; Mb. Kelik dan Gadisa; Mb. Tri AstutiTri AstutiTri AstutiTri Astuti, Mas Roy dan Rihan; , Mas Roy dan Rihan; , Mas Roy dan Rihan; , Mas Roy dan Rihan;

Asri Kusuma Asri Kusuma Asri Kusuma Asri Kusuma

PakPakPakPak. . . . Wibawa E.J. Wibawa E.J. Wibawa E.J. Wibawa E.J. dan dan dan dan pak Tri istanto (pak Tri istanto (pak Tri istanto (pak Tri istanto (Mr. 3GMr. 3GMr. 3GMr. 3G)))), yang telah membimbing , yang telah membimbing , yang telah membimbing , yang telah membimbing dengan sabar dan mencurahkan waktu dengan sabar dan mencurahkan waktu dengan sabar dan mencurahkan waktu dengan sabar dan mencurahkan waktu sertasertasertaserta pemikiranyapemikiranyapemikiranyapemikiranya

Konco Konco Konco Konco ––––konco konco konco konco skripsiskripsiskripsiskripsi “twist“twist“twist“twisterererer clubclubclubclub”””” yang selalu optimis, pekerja keras, yang selalu optimis, pekerja keras, yang selalu optimis, pekerja keras, yang selalu optimis, pekerja keras, semangat dan pemberanisemangat dan pemberanisemangat dan pemberanisemangat dan pemberani

Bolo kurowo teknik mesin ’06 “Bolo kurowo teknik mesin ’06 “Bolo kurowo teknik mesin ’06 “Bolo kurowo teknik mesin ’06 “limied editionlimied editionlimied editionlimied edition””””

Almamater tercintaAlmamater tercintaAlmamater tercintaAlmamater tercinta


commit to user

viii

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, segala puji hanya tercurah kehadirat Allah SWT, Tuhan

Yang Maha Esa atas segala limpahan rahmat dan Karunia-Nya sehingga penulis

dapat melaksanakan dan menyelesaikan Skripsi “Pengujian Karakteristik

Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan Pada Penukar Kalor Pipa Konsentrik

Saluran Persegi Dengan Classic Twisted Tape Dan Perforated Twisted Tape

Insert” ini dengan baik.

Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.

Dalam Penyelesaian Skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa

bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh

karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih

yang sebesar besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam

menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada:

1. Bapak Didik Djoko Susilo, ST., MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS

Surakarta.

2. Bapak Wibawa Endra J, ST. MT, selaku Pembimbing I atas bimbingannya

hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini.

3. Bapak Tri Istanto, selaku Pembimbing II yang telah turut serta memberikan

bimbingan yang berharga bagi penulis.

4. Bapak Purwadi Joko W, ST. Mkom, selaku Pembimbing Akademis yang telah

menggantikan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di

Universitas Sebelas Maret ini.

5. Bapak Wahyu Purwo Raharjo, ST. MT, selaku koordinator Tugas Akhir

6. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut

mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1.

7. Bapak, Ibu, Mas Eko, Mbak Tini, Mbak dwi, Mas Kelik, Mbak Tuti, Mas Roy

dan adik Asri, atas do’a restu, motivasi, dan dukungan material maupun

spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir.

8. Teman Skripsi Usman Latif, Wahyu Aris, Kurniawan Wisnu, Fatchurahman

Septian, Safi’i Muhammad, dan Pamungkas wiyoko bagus.


commit to user

ix

9. Kerehore foundation Danu bejo, ipank kusuma, Endra William beserta

keluarga, Reza Ejayona, Rico cancel dan andri nyong.

10. Teman-teman limited edition angkatan 2006

11. Semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu yang telah

membantu pelaksanaan dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini.

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari

sempurna, maka kritik dan saran penulis harapkan untuk kesempurnaan skripsi

ini.

Semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu pengetahuan dan kita semua

Amin.

Surakarta, Juni 2011

Penulis


commit to user x

DAFTAR ISI

Halaman judul ...................................................................................................... i

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

Halaman Pengesahan ........................................................................................... iii

Halaman Motto ..................................................................................................... iv

Halaman Abstrak .................................................................................................. v

Halaman Persembahan ......................................................................................... vii

Kata Pengantar ..................................................................................................... viii

Daftar isi ............................................................................................................... x

Daftar Tabel ......................................................................................................... xiii

Daftar Gambar ...................................................................................................... xiv

Daftar Notasi ........................................................................................................ xviii

Daftar Lampiran ................................................................................................... xxi

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah .................................................................... 1

1.2. Perumusan Masalah ........................................................................... 3

1.3. Batasan Masalah ................................................................................ 3

1.4. Tujuan dan Manfaat .......................................................................... 4

1.5. Sistematika Penulisan ........................................................................ 5

BAB II LANDASAN TEORI

2.1.Tinjauan Pustaka ............................................................................... 6

2.2.Dasar Teori ........................................................................................ 10

2.2.1. Dasar Perpindahan Panas ........................................................ 10

2.2.2. Aliran Dalam Sebuah Pipa (Internal Flow in Tube) ............... 11

2.2.2.1. Kondisi aliran ........................................................... 11

2.2.2.2. Kecepatan rata–rata (mean velocity) ......................... 13

2.2.2.3. Temperatur rata – rata ............................................... 13


commit to user xi

2.2.2.4. Penukar Kalor ........................................................... 14

2.2.2.5. Parameter Tanpa Dimensi ........................................ 18

2.2.2.6. Teknik Peningkatan Perpindahan Panas pada

Penukar Kalor ........................................................... 19

2.2.2.7. Sisipan Pita Terpilin (Twisted Tape Insert) .............. 25

2.2.2.8. Karakteristik Perpindahan Panas dan

Faktor Gesekan ......................................................... 31

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Tempat Penelitian ......................................................................... 47

3.2 Bahan Penelitian ........................................................................... 47

3.3 Alat Penelitian .............................................................................. 47

3.4 Prosedur Penelitian ....................................................................... 64

3.4.1. Tahap Persiapan .................................................................. 64

3.4.2. Tahap Pengujian ................................................................. 64

3.4.2.1. Pada Penukar Kalor Tanpa Twisted Tape Insert .... 64

3.4.2.2. Pada Penukar Kalor Dengan Twisted Tape Insert . 65

3.5 Metode Analisis Data ................................................................... 67

3.6 Diagram Alir Penelitian ................................................................ 68

BAB IV DATA DAN ANALISIS

4.1. Data Hasil Pengujian .................................................................... 69

4.2. Perhitungan Data .......................................................................... 74

4.2.1. Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju

aliran volume 4,5 LPM pada variasi tanpa insert ............ 75


aliran volume 4,5 LPM dengan perforated twisted tape

insert I ............................................................................... 81


Aliran volume 4,5 LPM dengan perforated twisted tape


commit to user xii

insert II .............................................................................. 86


aliran volume 4,5 LPM dengan classic twisted tape

insert ................................................................................. 90

4.2.5. Pumping power ................................................................. 95

4.2.6. Menentukan hi, η, Re, Nui, f, ε, NTU pada daya

Pemompaan yang sama...................................................... 96

4.3. Analisis Data

4.3.1 Uji Validitas pipa dalam tanpa twisted tape insert ............. 106

4.3.2 Pengaruh Bilangan Reynolds dan twisted tape insert

terhadap karakteristik perpindahan panas .......................... 108

4.3.3 Pengaruh penambahan twisted tape insert terhadap

unjuk kerja termal ............................................................... 112

4.3.4 Pengaruh penambahan twisted tape insert terhadap

rasio bilangan Nusselt ......................................................... 114

4.3.5 Pengaruh twisted tape insert terhadap Efektivenes

penukar kalor (ε) ................................................................. 115


penurunan tekanan ............................................................. 117


terhadap faktor gesekan (ƒ) ................................................ 118


dengan rasio faktor gesekan (ƒ/ƒp) ................................... 120

BAB V PENUTUP

5.1. Kesimpulan ..................................................................................... 122

5.2. Saran .............................................................................................. 123

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 125

LAMPIRAN ......................................................................................................... 126


commit to user

xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1. Spesifikasi pompa DAB .................................................................................. 58

Tabel 4.1. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa

dalam pada variasi tanpa twisted tape insert (plain tube). ................................ 70

Tabel 4.2. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam

dengan perforated twisted tape insert I (diameter lubang 6,5 mm) ................... 71


dengan perforated twisted tape insert II (diameter lubang 4 mm) .................... 72


dengan variasi classic twisted tape insert ....................................................... 73

Tabel 4.5. Data pengujian pumping power penukar kalor saluran persegi dengan

twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert (plain tube) ........................... 95

Tabel 4.6. Data pengujian penukar kalor saluran persegi dengan twisted tape insert

dan tanpa twisted tape insert pada pumping power yang sama ......................... 103


commit to user xiv

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1. (a) Classic twisted tape ; (b) Perforated twisted tape;

(c) Notched twisted tape ; (d) Jagged twisted tape ...................... 9

Gambar 2.2. Perkembangan profil kecepatan dan perubahan tekanan

pada saluran masuk aliran pipa. ..................................................... 12

Gambar 2.3. Profil temperatur aktual dan rata–rata pada aliran dalam pipa ..... 13

Gambar 2.4. (a) arah aliran fluida ; (b) perubahan temperatur fluida pada

penukar kalor searah ..................................................................... 14

Gambar 2.5. (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada

penukar kalor berlawanan arah ..................................................... 15

Gambar 2.6 . Penukar kalor pipa konsentrik saluran perseggi ........................... 16

Gambar 2.7. Analogi listrik untuk perpindahan panas pada penukar

kalor pipa konsentrik saluran persegi ........................................... 17

Gambar 2.8. Jenis-jenis peralatan tube insert .................................................... 22

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 ......................................................... 25

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 ................................................................. 26

Gambar 2.11. Broken twisted tape dengan berbagai twist ratio .......................... 26

Gambar 2.12. (a) Typical twisted tape ; (b) C-CC twisted tape dengan θ = 30o

(c) C-CC twisted tape dengan θ = 60o ; (d) C-CC twisted tape

dengan θ = 90o .............................................................................. 27

Gambar 2.13. (a) single twisted tape (ST), (b) twin co-twisted tapes (CoTs)

dan (c) twin counter twisted tapes (CTs) ...................................... 27

Gambar 2.14. Twisted tape with centre wing, dan twisted tape with centre

wing and alternate-axis ................................................................ 28


commit to user xv

Gambar 2.15. (a) twisted tape with serrated-edge (STT) at various serration

width ratios, w/W, (b) twisted tape with serrated-edge (STT) at

various serration width depth ratios, d/W .................................... 29

Gambar 2.16. (a) Full length twisted tape insert, (b) Regularly spaced twistd

tape element, (c) Full length twisted tape with oblique teeth,

(d) Detail A dari gambar ............................................................... 29

Gambar 2.17. Peripherally-cut twisted tape dan peripherally-cut twisted

tape with alternate axis, (a) pandangan depan,

(b) pandangan isometric ............................................................... 30

Gambar 2.18. (a) Straight delta-winglet twisted tapes (S-DWT)

(b) oblique delta-winglet twisted tapes (O-DWT) ........................ 30

Gambar 2.19. Konfigurasi geometri sebuah twisted tape insert ......................... 31

Gambar 2.20. Skema pengujian penukar kalor saluran persegi dengan

twisted tape insert ......................................................................... 37

Gambar 2.21. Efektivenes penukar kalor pipa ganda aliran berlawanan arah .... 43

Gambar 2.22. Skema pengukuran penurunan tekanan pada penukar kalor

pipa konsentrik ............................................................................. 44

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

tape insert ..................................................................................... 48

Gambar 3.2. Penukar kalor pipa konsentrik satu laluan dengan ....................... 49

Gambar 3.3. Penukar kalor tanpa twisted tape insert ........................................ 49

Gambar 3.4. Penukar kalor dengan classic twisted tape insert ......................... 49

Gambar 3.5. Penukar kalor dengan perforated twisted tape insert ................... 50

Gambar 3.6. (a) Classic twisted tape insert, (b) Perforated twisted tape insert

dengan lubang 4 mm, (c) Perforated twisted tape insert dengan

lubang 6,5 mm .............................................................................. 50

Gambar 3.7. (a) Gambar detail flange, (b) Flange setelah dilakukan proses

Pembubutan .................................................................................. 51

Gambar 3.8. Instalasi alat penelitian tampak depan .......................................... 52

Gambar 3.9. Instalasi alat penelitian tampak belakang ..................................... 52


commit to user xvi

Gambar 3.10. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak depan ...................... 54

Gambar 3.11. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak belakang ................. 55

Gambar 3.12. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak samping .................. 56

Gambar 3.13. (a) Lem araldite ; (b) Konektor termokopel dan termokopel

tipe-K ............................................................................................ 56

Gambar 3.14. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air

masuk dan keluar di inner tube dan outer tube ............................ 57

Gambar 3.15. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur

dinding luar pipa dalam ................................................................ 57

Gambar 3.16. Pemasangan termokopel pada penukar kalor sejumlah 14 titik

pemasangan .................................................................................. 57

Gambar 3.17 Thermocouple reader ................................................................... 58

Gambar 3.18. Pompa sentrifugal (a) pompa air panas ; (b) pompa air dingin .... 58

Gambar 3.19. (a) Tangki air dingin ; (b) tangki air panas ................................... 59

Gambar 3.20 Flowmeter ..................................................................................... 60

Gambar 3.21. Penjebak air .................................................................................. 60

Gambar 3.22. Manometer .................................................................................... 61

Gambar 3.23. Stop kran ....................................................................................... 61

Gambar 3.24. Ball valve ...................................................................................... 62

Gambar 3.25. Temperature controller ................................................................ 62

Gambar 3.26. Pemanas air elektrik ..................................................................... 63

Gambar 3.27. Stopwatch ..................................................................................... 63

Gambar 3.28. Timbangan digital ......................................................................... 63

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

saluran persegi .............................................................................. 74

Gambar 4.2. Grafik hubungan koefisien perpindahan panas konveksi

rata-rata di pipa dalam dengan pumping power ........................... 96

Gambar 4.3. Grafik hubungan bilangan Reynolds di pipa dalam

dengan pumping power ................................................................. 98


commit to user xvii

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

dengan pumping power ................................................................. 99

Gambar 4.5. Grafik hubungan faktor gesekan di pipa dalam dengan

pumping power ............................................................................. 100

Gambar 4.6. Grafik hubungan efektivenes penukar kalor dengan

pumping power ................................................................................. 101

Gambar 4.7. Grafik hubungan NTU penukar kalor dengan pumping power .............. 102

Gambar 4.8. Grafik hubungan Nu dengan Re untuk plain tube ........................ 106

Gambar 4.9. Grafik hubungan faktor gesekan (f) dengan Re untuk

plain tube ...................................................................................... 108

Gambar 4.10 Grafik hubungan antara Nui dengan Re ....................................... 109

Gambar 4.11 Grafik hubungan antara Nui dengan Re pada daya pemompaan

yang sama ..................................................................................... 111

Gambar 4.12. Grafik hubungan η dengan Re pada daya pemompaan

yang sama ..................................................................................... 113

Gambar 4.13 Hubungan Nu/Nu,p dengan Re pada daya pemompaan

yang sama ..................................................................................... 115

Gambar 4.14 Grafik hubungan ε penukar kalor dengan NTU ........................... 115

Gambar 4.15. Grafik hubungan ∆P dengan Re pada daya pemompaan

yang sama ..................................................................................... 117

Gambar 4.16. Grafik hubungan f dengan Re ....................................................... 119

Gambar 4.17. Grafik hubungan f dengan Re pada daya pemompaan

yang sama ..................................................................................... 120

Gambar 4.18 Grafik hubungan f/fp dengan Re pada daya pemompaan sama .... 120


commit to user xviii

DAFTAR NOTASI

2a = Panjang sisi dalam pipa dalam (m)

2b = Panjang sisi luar pipa dalam (m)

2c = Panjang sisi dalam pipa luar (m)

2d = Panjang sisi luar pipa luar (m)

Ac = Luas penampang melintang aliran (m2)

A i = Luas permukaan dalam pipa dalam (m2)

Ao = Luas permukaan luar pipa dalam (m2)

As = Luas perpindahan panas (m2)

Cp,o = Panas jenis fluida dingin di annulus (kJ/kg.oC)

Cp,h = Panas jenis fluida panas di dalam pipa dalam (kJ/kg.oC)

di = Diameter dalam pipa dalam (m)

Dh,i = Diameter hidrolik pipa dalam (m)

Dh,o = Diameter hidrolik annulus (m)

D = diameter dalam pipa dalam (m)

di = Diameter dalam pipa (m)

Dh = Diameter hidrolik (m)

f = Faktor gesekan

g = Percepatan gravitasi (m/s2)

H = Panjang pitch twisted tape insert (m)

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)

hp = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata tanpa twisted tape

insert (W/m2.oC)

hs = Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dengan twisted tape

insert (W/m2.oC)

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

ko = Konduktivitas termal rata-rata fluida dingin di annulus (W/m.oC).

L = Panjang pipa (m)


commit to user xix

Lt = Panjang jarak titik pengukuran beda tekanan di pipa dalam (m)

�� ,� = Laju aliran massa fluida dingin di annulus (kg/s)

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

Nui = Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam

Nuo = Bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus

p = Plain tube (pipa tanpa twisted tape insert)

p = Keliling terbasahi (wetted perimeter) (m)

pp = Daya pemompaan konstan

Pr = Bilangan Prandtl

Q = Laju perpindahan panas (W)

Qc = Laju perpindahan panas di annulus (W)

Qh = Laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W)

Re = Bilangan Reynolds

Red = Bilangan Reynolds berdasarkan diameter dalam pipa

t = Tebal twisted tape insert (m)

Tc,in = Temperatur fluida dingin masuk annulus (oC)

Tc,out = Temperatur fluida dingin keluar annulus (oC)

Th,in = Temperatur fluida panas masuk pipa dalam (oC)

Th,out = Temperatur fluida panas keluar pipa dalam (oC)

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

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

��, = Temperatur rata-rata dinding dalam pipa dalam (oC)

��,� = Temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam (oC)

U = Koefisien perpindahan panas overall (W/m2.oC)

uc = Kecepatan aksial rata-rata fluida (m/s)

um = Kecepatan rata–rata fluida (m/s)

usw = Kecepatan pusaran (swirl velocity) (m/s)

s = Swirl generator (pipa dengan twisted tape insert)

Sw = Swirl number


commit to user xx

Ui = Koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dalam pipa

dalam (W/m2.oC)

ν = Viskositas kinematis fluida di pipa dalam (m2/s)

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

� = Laju aliran volumetrik fluida di pipa dalam (m3/s)

y = Twist ratio

Greek symbol

α = Sudut heliks (o)

∆h = Beda ketinggian fluida manometer (m)

∆P = Penurunan tekanan di pipa dalam (Pa)

∆T1 = Perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi inlet kalor (oC).

∆T2 = Perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi outlet penukar kalor (oC)

∆TLMTD = Beda temperatur rata-rata logaritmik (logaritmic mean temperature

different) (oC)

µ = Viskositas dinamik fluida (kg/m.s)

µ i = Viskositas dinamik fluida di pipa dalam (kg/m.s)

µw = Viskositas dinamik pada temperatur dinding (kg/m.s)

η = Efisiensi peningkatan perpindahan panas

ρ = Densitas fluida di pipa dalam (kg/m3)

ρi = Densitas fluida di pipa dalam (kg/m3)

ρm = Densitas fluida manometer (kg/m3)


commit to user

xxi

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran A. Data hasil pengujian ............................................................... 128

Lampiran B. Hasil perhitungan penukar kalor tanpa dan dengan twisted

tape insert ............................................................................... 132

Lampiran C. Hasil perhitungan penukar kalor dengan dan tanpa twisted

tape insert pada pumping power sama .................................. 145

Lampiran D. Tabel Kondukivitas thermal material ...................................... 148

Lampiran E. Properties air .......................................................................... 149


commit to user

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi untuk meningkatkan

perpindahan panas (heat transfer enhancement technology) pada penukar kalor

banyak dikembangkan dan dipergunakan pada beberapa aplikasi penukar kalor

antara lain pada sistem pendingin, otomotif, proses industri, dan pemanas air

tenaga surya. Tujuan utama dari peningkatan perpindahan panas adalah untuk

mengakomodasi fluks panas atau koefisien perpindahan panas yang tinggi.

Sampai saat ini, telah banyak percobaan untuk mengurangi ukuran dan biaya dari

sebuah penukar kalor. Variabel-variabel yang paling signifikan dalam

pengurangan ukuran dan biaya dari sebuah penukar kalor pada dasarnya adalah

koefisien perpindahan panas dan penurunan tekanan (pressure drop). 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).

Peningkatan perpindahan panas dalam penukar kalor dapat dicapai dengan

banyak teknik, dan teknik-teknik ini dapat diklasifikasikan dalam 3 kelompok

yaitu; teknik pasif, teknik aktif dan teknik campuran. Dalam teknik aktif,

peningkatan perpindahan panas dilakukan dengan memberikan tambahan energi

aliran ke fluida. Dalam 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. Penggunaan twisted tape insert dalam sebuah pipa ini merupakan

teknik peningkatan perpindahan panas dengan metode pasif yang paling sering

digunakan dalam penukar kalor karena harganya murah, ringkas dan

perawatannya mudah.

Lapis batas termal (thermal boundary layer) adalah hal yang penting

sekali dalam perpindahan panas antara fluida dan dinding pipa. Lapis batas termal


commit to user

2

berkaitan dengan jenis aliran fluida, dan ketebalan lapis batas termal lebih besar

dalam aliran laminar. Sehingga, perpindahan panas dalam aliran turbulen terjadi

lebih cepat daripada yang terjadi dalam aliran laminar, karena lebih tipis ketebalan

lapis batas termal, dan pusaran-pusaran mengangkut energi termal sangat cepat

dari satu tempat ke tempat dalam inti turbulen dari aliran. Teknologi penyisipan

twisted tape insert banyak digunakan pada berbagai industri yang menggunakan

penukar kalor. Penambahan twisted tape insert pada pipa penukar kalor

merupakan teknologi peningkatan perpindahan panas konveksi yang sederhana

dengan menghasilkan aliran yang turbulen. Penambahan twisted tape insert

membuat lapis batas termal pada permukaan pipa penukar kalor menjadi tidak

beraturan, karena perubahan fluks panas yang terus menerus pada permukaan.

Aliran turbulen dan berputar (swirl flow) pada pipa penukar kalor menyebabkan

lapis batas termal menjadi lebih tipis dan akibatnya menghasilkan koefisien

perpindahan panas konveksi yang tinggi.

Penurunan tekanan fluida mempunyai hubungan langsung dengan

perpindahan kalor dalam penukar kalor, operasi, ukuran, dan faktor–faktor lain,

termasuk pertimbangan ekonomi. Semakin besar penurunan tekanan maka

semakin besar pula daya pemompaan yang diperlukan, dimana hal ini

berhubungan dengan adanya gesekan fluida (fluid friction) dan kontribusi

penurunan tekanan lain sepanjang lintasan aliran fluida. Adanya penurunan

tekanan berarti terdapat kehilangan energi karena adanya gesekan antara fluida

dengan permukaan saluran. Oleh sebab itu, peningkatan koefisien perpindahan

kalor konveksi dengan meningkatkan turbulensi aliran dalam pipa harus dikaitkan

dengan nilai penurunan tekanan yang dihasilkan akibat peningkatan turbulensi

aliran fluida tersebut. Efektivitas optimum dari modifikasi ini adalah

perbandingan koefisien perpindahan kalor konveksi yang baik diikuti dengan

penurunan tekanan yang kecil.

Teknik peningkatan perpindahan panas sebagian besar dirancang untuk

alat penukar kalor yang ringkas. Hampir semua penukar kalor ringkas dengan

penyisipan twisted tape insert yang diteliti mempunyai penampang lingkaran, dan

belum banyak penelitian mengenai penukar kalor dengan penampang persegi

(rectangular), walaupun banyak ditemukan penukar kalor dengan penampang


commit to user

3

persegi dalam aplikasi industri, misalnya pada plate fin heat exchangers. Jika

dibandingkan dengan penukar kalor penampang lingkaran, penukar kalor dengan

penampang persegi memberikan perbandingan luas permukaan terhadap volume

yang lebih tinggi. Meskipun pada sudutnya merupakan tempat yang kurang efektif

untuk perpindahan panas. Karena twisted tape insert menimbulkan pusaran aliran

sekunder (dengan efek mengaduk), maka akan lebih baik mempelajari unjuk kerja

dari twisted tape insert yang disebabkan oleh pusaran aliran yang melalui saluran

persegi. (Ray, S., 2003).

Oleh karena itu, penelitian mengenai peningkatan perpindahan panas pada

sebuah penukar kalor dengan twisted tape insert penting untuk dikembangkan.

Penelitian ini akan menguji pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa

dalam (inner tube) dan pengaruh penambahan classic twisted tape insert dan

perforated twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik

saluran persegi terhadap karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekannya.

1.2 Perumusan Masalah

Bagaimanakah pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa

dalam dan pengaruh penambahan classic twisted tape insert dan perforated

twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran

persegi 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 persegi

dengan lebar celah antar pipa konstan sebesar 1,625 mm, diameter hidrolik

pipa dalam 17,2 mm, diameter hidrolik annulus 3,25 mm dengan panjang

penukar kalor 1,998 mm dan jarak antar pressure tap sebesar 2,018 mm.

2. Pipa-pipa yang digunakan terbuat dari aluminium dimana friction factor

diperhatikan. Pada pipa luar (outer tube); panjang sisi luar 23,05 mm x

23,05 mm, dan panjang sisi dalam 21,75 mm x 21,75 mm, dan pipa dalam

(inner tube); panjang sisi luar 18,50 mm x 18,50 mm, dan panjang sisi

dalam 17,20 mm x 17,20 mm.


commit to user

4

3. Classic twisted tape insert berupa aluminium strip yang dipasang pada

pipa dalam dengan ukuran pitch 50,35 mm dan mempunyai twist ratio 4,

sedangkan perforated twisted tape insert berupa aluminium strip yang

dipasang pada pipa dalam dengan ukuran pitch 50,35 mm dan mempunyai

twist ratio 4 dengan diameter lubang divariasi 4 mm dan 6,5 mm.

4. Arah aliran kedua fluida dalam alat penukar kalor adalah berlawanan arah

(counter flow).

5. Pipa luar diisolasi dengan glasswool isolator sebanyak 5 lapisan sehingga

perpindahan panas ke lingkungan diminimalisasi.

6. Pengujian dilakukan pada posisi penukar kalor mendatar (horizontal).

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 60oC.

9. Penelitian dilakukan dalam keadaan diam dan pada temperatur kamar.

10. Faktor pengotoran (fouling factor) diabaikan.

11. 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 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

penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa

konsentrik saluran persegi terhadap karakteristik perpindahan panas

dan faktor gesekannya.

2. Mengetahui pengaruh penambahan classic twisted tape insert dan

perforated twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa

konsentrik saluran persegi terhadap karakteristik perpindahan panas

dan faktor gesekannya.


commit to user

5

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 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

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

Ray S. dan Date, A.W (2003) melakukan penelitian mengenai karakteristik

perpindahan panas dan penurunan tekanan pada pipa saluran persegi dengan

twisted tape insert. Pipa persegi mempunyai panjang sisi 9,5 mm, tebal 5 mm dan

panjang 3.000 mm. Pada 1.000 mm pertama dari saluran tersebut merupakan

daerah masuk (entrance region) dan diharapkan aliran kembang penuh akan

terjadi pada panjang 2.000 mm berikutnya. Pipa persegi ditutup dengan plat

acrylic dengan tebal 5 mm dan dibalut serapat mungkin untuk memperkecil

kehilangan energi panas ke lingkungan. Penelitian dilakukan pada pipa saluran

persegi sepanjang 2.000 mm setelah entrance region. Tekanan diukur dengan

menggunakan manometer yang terpasang pada bagian atas dari pipa saluran

persegi dan dihubungkan ke pressure taps. Air dengan temperatur yang dijaga

konstan digunakan sebagai fluida kerja dalam penelitian ini. Suhu air diukur untuk

menghitung sifat fluida. Pada bilangan Reynolds, 100 < Re < 3.000, fluida

dialirkan dari tangki atas, dimana ketinggian dijaga konstan Sedangkan untuk laju

kecepatan aliran yang tinggi, air dipompakan secara langsung dari pompa

sentrifugal tanpa adanya hambatan ke seksi uji. Kecepatan aliran dihitung dengan

mengumpulkan air dalam wadah yang dikalibrasi secara volumetrik untuk waktu

sekitar 5-10 menit, tergantung pada kecepatan aliran. Penelitian dilakukan pada

pipa persegi dengan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert. Twisted tape

insert dibuat dengan memvariasikan rasio twisted tape menjadi 3 jenis yaitu

10,28, 5,64 dan 3,14. Pada penelitian ini twisted tape insert dibuat dari metalic

strips dengan ketebalan 0,3 mm. Penelitian dilakukan pada daerah laminar (100 <

Re < 3.000), transisi (1.500 < Re < 3.000) dan turbulen (8.000 < Re < 87.000).

Hasil dari penelitian menunjukkan bahwa angka Nusselt dan faktor gesekan

(friction factor) tertinggi adalah penelitian dengan menambahkan twisted tape

insert dengan twist ratio 3,14.

Noothong W., Eiamsa-ard S. dan Promvonge P. (2006) meneliti tentang

pengaruh twisted tape insert pada pipa penukar kalor. Penukar kalor berupa pipa


commit to user

7

konsentrik lurus yang terbuat dari plexiglas yang disambung secara teratur dengan

flange pada jarak 1,0 m. Penukar kalor mempunyai diameter dalam pipa luar

(outer tube) 50 mm dan lintasan aliran di annulus 20 mm dalam arah radial dari

pusat pipa dalam. Udara panas dialirkan dari blower 7,5 kW secara langsung ke

sisi pipa dalam dan air dingin dipompakan ke sisi annulus. Aliran yang diamati

mempunyai rentang bilangan Reynolds antara 2.000-12.000. Sisipan pita terpilin

(twisted tape insert) mempunyai rasio putiran 5,0 dan 7,0. Twisted tape insert

terbuat dari aluminium dengan ketebalan 1 mm dan lebar 19,5 mm yang dipuntir

dibawah tekanan tariknya dalam pipa lurus dengan posisi mendatar saat salah satu

ujungnya dijepit. Penurunan tekanan sepanjang pipa diukur dengan manometer

pipa U, yang diisi cairan manometer dengan nilai SG = 0,826. Flowmeter udara

dan flowmeter air digunakan untuk mengukur laju aliran udara panas dan laju

aliran air dingin. Temperatur udara panas dan dingin diukur dengan termokopel

tipe-K. Hasil penelitian menunjukkan bahwa angka Nusselt pada pipa dalam

meningkat 188% untuk twisted tape insert dengan rasio puntiran 5,0 dan

meningkat sebesar 159% untuk twisted tape insert dengan rasio puntiran 7,0

dibandingkan dengan penukar kalor tanpa twisted tape insert. Sedangkan faktor

gesekan untuk untuk twisted tape insert dengan rasio puntiran 5,0 meningkat 3,37

kali dan untuk twisted tape insert dengan rasio puntiran 7,0 meningkat 2,94 kali

dibandingkan penukar kalor tanpa twisted tape insert.

Ahamed, J.U dkk. (2007) melakukan penelitian mengenai perpindahan

panas pada aliran turbulen pada sebuah pipa dengan menyisipkan perforated

twisted tape inserts. Pipa yang digunakan mempunyai diameter 70 mm dan

panjang 1.500 mm. Pipa diisolasi untuk meminimalkan hilangnya energi panas ke

lingkungan. Fluida yang digunakan berupa udara yang temperaturnya dijaga pada

temperatur tertentu dan mempunyai bilangan Reynolds berkisar 1,3 x 104 sampai

dengan 5,2 x 104. Twisted tape inserts terbuat dari mild steel mempunyai panjang

1.500 mm dan mempunyai lebar 55 mm. Penelitian menggunakan 7 variasi

perforated twisted tape insert yang mempunyai twist ratio (y) yang sama sebesar

4,55, akan tetapi diameter lubang divariasi antara 3 mm sampai 9 mm dengan

jarak antar lubang pada arah aksial sebesar 15 mm dan jarak lubang pada arah

melintang sebesar 20 mm. Pengukuran dilakukan terhadap kecepatan udara,


commit to user

8

temperatur udara, temperatur dinding pipa dan penurunan tekanan pada pipa baik

yang menggunakan twisted tape insert maupun tanpa menggunakan twisted tape

insert. Penelitian bertujuan untuk menghitung koefisien perpindahan panas,

bilangan Nusselt, dan daya pemompaan (pumping power). Hasil dari percobaan

menunjukkan bahwa pada bilangan Reynolds yang sama koefisien perpindahan

panas pada pipa dengan perforated twisted tape inserts meningkat sampai dengan

5,5 kali dibandingkan plain tube dan daya pemompaan juga meningkat sampai 1,8

kali dan efektifitas dari penukar kalor meningkat sampai 4,0 kali dengan adanya

perforated twisted tape inserts.

Chiu, Y.W dan Jang J.Y. (2009) mempelajari tentang karakteristik aliran

udara pada pipa dalam penukar kalor cangkang dan pipa (shell and tube heat

exchanger) dengan longitudinal strip inserts dan twisted tape inserts. Penelitian

menggunakan 2 buah longitudinal strip inserts (dengan lubang dan tanpa lubang)

dan 3 plat tipis yang dipilin (tanpa dilubangi) dengan perbedaan sudut puntir

(15,3o, 24,4o dan 34,3o), laju aliran udara pada pipa-pipa (tubes) sebesar 3-18 m/s

yang disuplai oleh fan sentrifugal 0,75 kW. Fluida kerja pada cangkang (shell)

menggunakan Downterm (tipe SR-1) yang mempunyai massa jenis, panas jenis,

konduktivitas termal dan viskositas absolut pada temperatur 150oC berturut-turut

adalah, 984,53 kg/m3, 3,9 kJ/kg.K, 0,5044 W/m.K, dan 0,3846 CP. Temperatur

fluida Downterm pada sisi masuk dijaga pada 150oC dengan termostat. Penurunan

tekanan diukur dengan sensor transducer tekanan, sedangkan pembacaan

temperatur menggunakan RTDs (Resistance Temperature Detector, Pt-100) Hasil

percobaan tersebut menunjukkan bahwa pipa dengan twisted tape insert

menghasilkan koefisien perpindahan panas 13-61% lebih besar daripada pipa

tanpa twisted tape insert (plain tube), dan menghasilkan penurunan tekanan 150-

370% lebih besar daripada pipa tanpa twisted tape insert (plain tube). Pipa dengan

longitudinal strip tanpa lubang menghasilkan koefisien perpindahan panas 7-16%

lebih besar daripada pipa tanpa twisted tape insert (plain tube), dan menghasilkan

penurunan tekanan 100-170% lebih besar daripada pipa tanpa twisted tape insert

(plain tube). Pipa dengan longitudinal strip dengan lubang menghasilkan

koefisien perpindahan panas 13-28% lebih besar daripada pipa tanpa twisted tape


commit to user

9

insert (plain tube), dan menghasilkan penurunan tekanan 140-220% lebih besar

daripada pipa tanpa twisted tape insert (plain tube).

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 classic, perforated,

notched dan jagged twisted tape.

(a) (b)

(c) (d)

Gambar 2.1 a.) Classic twisted tape; b.) Perforated twisted tape; c.) Notched twisted tape; d.) Jagged twisted tape

Seksi uji yang digunakan adalah pipa tembaga sepanjang 6,5 meter yang

dibengkokan dengan diameter dalam 17 mm dan ketebalan 1 mm. Pipa tembaga

tersebut dialiri air panas dengan suhu 42oC pada sisi masuk dan 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 16oC 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 5 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 keempat

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. Untuk

penambahan unjuk kerja dari twisted tape yang paling tinggi adalah jagged

twisted tape dengan penambahan sebesar 22% sedangkan penambahan angka

Nusselt sebesar 31%.


commit to user

10

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/panas (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 bila dilihat dari cara

perpindahannya, yaitu konduksi (hantaran), konveksi (aliran), dan radiasi

(pancaran).

1. Perpindahan panas secara konduksi

Konduksi adalah perpindahan panas melalui zat tanpa 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.

3. Perpindahan panas secara radiasi

Radiasi adalah perpindahan panas dengan cara pancaran gelombang cahaya

dan tidak memerlukan zat perantara karena gelombang cahaya dapat

merambat pada ruang hampa.


commit to user

11

2.2.2 Aliran Dalam Sebuah Pipa (Internal Flow in Tube)

2.2.2.1 Kondisi aliran

Daerah aliran di dekat lokasi fluida memasuki pipa disebut sebagai daerah

masuk (entrance region). Terdapat aliran laminar di dalam sebuah pipa bulat

dengan jari–jari ro, dimana fluida memasuki pipa dengan kecepatan yang seragam.

Ketika fluida bergerak melewati pipa, efek viskos menyebabkannya tetap

menempel pada dinding pipa (kondisi lapisan batas tanpa-slip) dan lapisan batas

(boundary layer) akan berkembang dengan meningkatnya x. Jadi, sebuah lapisan

batas dimana efek viskos menjadi penting timbul di sepanjang dinding pipa

sedemikian rupa sehingga profil kecepatan awal berubah menurut jarak sepanjang

pipa, x, sampai fluida mencapai ujung akhir dari panjang daerah masuk, dimana

setelah di luar itu profil kecepatan tidak berubah lagi menurut x. Aliran ini yang

disebut dengan aliran kembang penuh (fully developed flow), dan jarak dari arah

masukan hingga terjadinya kondisi ini disebut dengan ”hydrodynamic entry

length”, Lh. Profil kecepatan pada daerah aliran kembang penuh berbentuk

parabola untuk aliran laminar, sedangkan untuk aliran turbulen berbentuk lebih

datar karena aliran berputar pada arah pipa.

Untuk aliran dalam pipa parameter tak berdimensi yang paling penting

adalah bilangan Reynolds, Re, yaitu menyatakan perbandingan antara efek inersia

dan viskos dalam aliran. Bilangan Reynolds untuk pipa bulat didefinisikan:

Re = ρ . um . Dh

µ (2.1)

dimana :

Re = bilangan Reynolds

ρ = massa jenis fluida (kg/m3)

µ = viskositas dinamik fluida (kg/m.s)

um = kecepatan rata–rata fluida (m/s)

Dh = diameter hidrolik pipa dalam (m)


commit to user

12

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

Untuk aliran yang melewati pipa tidak bulat, bilangan Reynolds dihitung

berdasarkan diameter hidrolik, yang didefinisikan :

Dh = 4Ac

P (2.2)

dimana :

Dh = diameter hidrolik (m)

Ac = luas penampang melintang aliran (m2)

p = keliling terbasahi (wetted perimeter) (m)

Aliran fluida di dalam sebuah pipa mungkin merupakan aliran laminar

atau aliran turbulen. Kisaran bilangan Reynolds dimana akan diperoleh daerah

aliran laminar, transisi atau turbulen tidak dapat ditentukan dengan tepat. Daerah

aliran transisi dari aliran laminar ke turbulen mungkin berlangsung pada berbagai

bilangan Reynolds, tergantung pada berapa besar aliran terganggu oleh getaran

pipa, kekasaran permukaan, dan hal–hal sejenis lainnya. Untuk praktek pada

umumnya, nilai bilangan Reynolds untuk aliran laminar, transisi, dan turbulen

adalah sebagai berikut :

Re < 2.300 aliran laminar (2.3)

2.300 ≤ Re ≤ 10.000 aliran transisi (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

ρ 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:

�� = ρ um A (2.6)

2.2.2.3 Temperatur rata – rata

Ketika fluida yang mengalir pada pipa dipanaskan atau didinginkan,

temperatur fluida pada setiap penampang pipa berubah dari Ts pada permukaan

dinding ke maksimum (atau minimun pada proses pemanasan) pada pusat pipa.

Untuk menyelesaikan permasalahan aliran fluida dalam pipa, maka digunakan

temperatur rata–rata (Tm) yang tetap seragam pada setiap penampang pipa. Tidak

seperti kecepatan fluida, temperatur rata–rata (Tm) akan berubah sewaktu–waktu

ketika fluida dipanaskan atau didinginkan.

(a) Aktual (b) Rata – rata

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

Temperatur rata–rata ini dengan densitas (ρ) dan panas spesifik (Cp) konstan yang

mengalir pada pipa dengan jari–jari R adalah:

( ) ( )∫∫ ∂=∂==cA cpm pmpfluida A T V ρ Cm T CT CmE

&

&&&


commit to user

(∫ ∂=

p

mm Cm

mCp TT

&

&

Temperatur rata

pendinginan, sehingga

temperatur bulk rata–

rata dari temperatur rata

(Tm,o), yaitu :

Tb =

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

konveksi (pada aliran fluida kerja). Penukar kalor dapat diklasifikasikan

berdasarkan beberapa hal, diantara klasifikasi tersebut adalah berdasarkan arah

alirannya dan keringkasannya (

aliran, yaitu penukar kalor aliran

berlawanan arah (counter

keringkasan, yaitu penukar kalor pipa konsentrik (

exchanger).

a. Penukar kalor aliran searah.

Aliran fluida yang didinginkan (fluida panas)

yang mendinginkan (fluida dingin).

Gambar 2.4 (a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada

) ( )

( ) ∫∫

==R

mpm

R

p

x) rdrT(r,x)V(r,RVCRρV

drρV T Cm

022

0 2r 2π

π

&

Temperatur rata–rata (Tm) fluida berubah selama pemanasan atau

pendinginan, sehingga sifat fluida pada aliran dalam pipa biasanya dih

–rata fluida (bulk mean temperature), yang merupakan rata

rata–rata sisi masuk (Tm,i) dan temperatur rata

Kalor




panas dalam penukar kalor berlangsung secara konduksi (pada dinding pipa) dan



keringkasannya (compactness). Sebagai contoh : berdasarkan arah

aliran, yaitu penukar kalor aliran searah (paralel flow heat exchanger

counter flow heat exchanger), sedangkan berdasarkan

keringkasan, yaitu penukar kalor pipa konsentrik (concentric tube heat

kalor aliran searah.

Aliran fluida yang didinginkan (fluida panas) mengalir searah

yang mendinginkan (fluida dingin).

(a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada

penukar kalor searah

(a) (b)

14

(2.7)

) fluida berubah selama pemanasan atau

fluida pada aliran dalam pipa biasanya dihitung pada

), yang merupakan rata–

) dan temperatur rata–rata sisi keluar

(2.8)




secara konduksi (pada dinding pipa) dan



berdasarkan arah

paralel flow heat exchanger) dan

), sedangkan berdasarkan

concentric tube heat

mengalir searah dengan fluida

(a) arah aliran fluida, dan (b) perubahan temperatur fluida pada


commit to user

15

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

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= m� c.Cp,c.(Tc,out-Tc,in) (2.9)

Qh = m� h.Cp,h.(Th,in-Th,out) (2.10)

dimana :

Qc = laju perpindahan panas di annulus (W)

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

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

Tc,in = temperatur fluida dingin masuk annulus (oC)

Tc,out = temperatur fluida dingin keluar annulus (oC)

Qh = laju perpindahan panas di dalam pipa dalam (W)

�� = 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,in = temperatur fluida panas masuk pipa dalam (oC)

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

Dalam analisis sebuah penukar kalor, metode LMTD (log mean

temperature difference) sangat sesuai untuk menentukan ukuran dari penukar


commit to user

16

kalor jika seluruh temperatur masuk dan keluar penukar kalor diketahui. Dalam

metode LMTD, laju perpindahan panas ditentukan dari :

Q = U.As. ∆TLMTD (2.11)

TLMTD = T1 - T2

ln�T1 T2

(2.12)

dimana :

Q = laju perpindahan panas (W)

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

As = luas perpindahan panas (m2)

∆TLMTD = beda temperatur rata-rata logaritmik (oC)

∆T1 , ∆T2 = perbedaan temperatur antara dua fluida pada sisi inlet dan

outlet penukar kalor (oC).

Nilai-nilai ∆T1 dan ∆T2 untuk penukar kalor aliran searah dan berlawanan arah

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

c. Penukar kalor pipa konsentrik.

Pada penukar kalor ini terdapat dua buah pipa, yaitu pipa dalam (inner

tube) dan pipa luar (outer tube). Pipa dalam digunakan untuk melewatkan fluida

panas, sedangkan fluida dingin dilewatkan melalui ruang (yang disebut annulus)

yang dibentuk oleh kedua pipa yang konsentrik tersebut.

Gambar 2.6 Penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi.


commit to user

17

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 saluran persegi

Tahanan termal total pada penukar kalor konsentrik pada gambar 2.7

menjadi :

R = Rtotal = Ri + Rwall + Ro = 1

hi.Ai+

ln� �⁄ �8kL

+1

ho.Ao (2.13)

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 = 8.a. L


commit to user

18

Ao = luas permukaan luar pipa dalam (m2)

Ao = 8.b. L

2a = panjang sisi dalam pipa dalam (m)

2b = panjang sisi luar 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 = ∆T

R = U.A.∆T = Ui.Ai.∆TLMTD = Uo.Ao. ∆TLMTD (2.14)

Dimana U adalah koefisien perpindahan panas overall, dengan satuan W/m2.oC,

dan ∆TLMTD adalah beda temperatur rata-rata logaritmik (logaritmic mean

temperature different) (oC). Diperoleh nilai :

1

Ui.Ai=

1

Uo.Ao = R =

1

hi.Ai+

ln� �⁄ �8kL

+1

ho.Ao (2.15)

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 :

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 ∂[(ρu)u]/∂x dapat didekati dengan

persamaan: F1 = ρ ��/L. Gaya kekentalan diwakili dengan gaya geser dalam


commit to user

19

bentuk ( )[ ] ,yyuyyx ∂∂∂∂=∂∂ µτ dapat didekati dengan persamaan:

2LVµFs = . Perbandingan kedua gaya tersebut dapat ditulis:

F1

Fs =

ρV2/L

�V/L2 = ρVL

µ = ReL (2.16)

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, ν (m2/s) , dengan diffusifitas termal, α (m2/s). Bilangan Prandtl

menyediakan sebuah pengukuran kerelatifan efektivitas momentum dan

transfer energi dengan cara difusi di dalam kecepatan dan temperatur lapis

batas. Bilangan Prandtl untuk gas hampir serupa, dalam kasusnya transfer

energi dan momentum dengan difusi dapat dibandingkan (Incropera, 1992).

Nilai Pr sangat dipengaruhi oleh pertumbuhan relatif kecepatan dan

temperatur lapis batas.

Pr = ν

α (2.17)

c. Bilangan Nusselt (Nusselt Number)

Bilangan Nusselt (Nu) adalah bilangan tanpa dimensi yang menyatakan

perbandingan antara koefisien perpindahan panas koveksi (h) terhadap

konduktivitas termal fluida (k). Bilangan ini menyediakan sebuah perhitungan

tentang perpindahan panas konveksi yang terjadi pada permukaan. Bilangan

Nusselt dirumuskan:

Nu = h d

k (2.18)

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,


commit to user

20

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 tersebut

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 fluk-fluk kalor yang tinggi. Ini menghasilkan

pengurangan ukuran penukar kalor, dimana secara umum menghasilkan biaya

yang 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.


commit to user

21

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.

Desain sebuah penukar kalor yang baik seharusnya mempunyai unjuk kerja

termodinamika yang efisien, yaitu pembangkitan entropi yang minimum atau

destruksi kerja tersedia (exergy) yang minimum dalam sebuah sistem penukar

kalor. Hampir tak mungkin untuk menghentikan kehilangan exergy secara

sempurna, tetapi hal tersebut dapat diminimalisasi melalui sebuah desain yang

efisien.

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.

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)


commit to user

22

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, terutama sekali pada kondisi retrofit. 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


commit to user

23

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


commit to user

24

mencampur aliran dalam lapisan bawah viskos di dekat dinding secara cukup

efektif, sedangkan twisted tape tidak dapat mencampur dengan baik aliran di

lapisan bawah viskos. Untuk aliran laminar, tahanan termal yang berpengaruh

dibatasi oleh sebuah daerah yang lebih tebal dibandingkan dengan aliran turbulen.

Sehingga, wire coil insert tidak efektif dalam aliran laminar karena tidak dapat

mencampur aliran limbak (bulk flow) secara baik, dan hal ini berkebalikan dengan

twisted tape insert. Oleh karena itu, twisted tape secara umum lebih disukai dalam

aliran laminar. Bagaimanapun, ini hanya analisa awal, dan faktor lain seperti jenis

fluida, mungkin juga mempengaruhi unjuk kerja. Fluida yang berbeda dengan

bilangan Prantl 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.


commit to user

25

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 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


commit to user

26

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

Gambar 2.11 Broken twisted tape dengan berbagai twist ratio


commit to user

27

Gambar 2.12 (a) Typical twisted tape, (b) C-CC twisted tape dengan θ = 30o, (c) C-CC twisted tape dengan θ = 60o, (d) C-CC twisted tape dengan θ = 90o

Gambar 2.13 (a) single twisted tape (ST), (b) twin co-twisted tapes (CoTs) dan (c) twin counter twisted tapes (CTs)


commit to user

28

Gambar 2.14 Twisted tape with centre wing, dan twisted tape with centre wing and alternate-axis

(a)


commit to user

29

(b)

Gambar 2.15 (a) twisted tape with serrated-edge (STT) at various serration width ratios, w/W, (b) twisted tape with serrated-edge (STT) at various serration width depth ratios,

d/W

Gambar 2.16 (a) Full length twisted tape insert, (b) Regularly spaced twistd tape element, (c) Full length twisted tape with oblique teeth, (d) Detail A dari gambar


commit to user

30

(a) (b)

Gambar 2.17 Peripherally-cut twisted tape dan peripherally-cut twisted tape with alternate axis, (a) pandangan depan, (b) pandangan isometrik

(a)

(b)

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


commit to user

31

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 twist pitch terhadap

diameter dalam pipa.

y = �� (2.19)

dimana ; y adalah pitch ratio, H adalah panjang pitch twisted tape dan di adalah

diameter dalam pipa.

Atau parameter alternatif, menggunakan sudut heliks (helix angle), dinyatakan

sebagai :

tan α = π.di

2H=

π

2y (2.20)

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 δ adalah ketebalan tape.

Gambar 2.19 Konfigurasi geometri sebuah twisted tape insert

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 dibawah kondisi temperatur dinding yang konstan (constant wall

temperature) sebagai berikut :

Nu = 3,657 (2.21)


commit to user

32

dan faktor gesekan Darcy (Darcy friction factor), f , untuk aliran ini diprediksikan

dengan persamaan :

f = 64/Re (2.22)

Dalam aliran laminar, faktor gesekan adalah hanya fungsi bilangan Reynolds

(Re), dimana tidak tergantung pada kekasaran.

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 (2.23)

Untuk aliran turbulen berkembang penuh dalam pipa bulat halus, bilangan Nusselt

dapat diprediksikan dengan korelasi Dittus-Boelter :

Nu = 0,023.Re0,8.Prn (2.24)

Persamaan Dittus-Boelter berlaku untuk nilai-nilai; 0,7 ≤ Pr ≤ 160, Re ≥ 10.000,

dan L/D ≥ 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%. Kesalahan ini dapat dikurangi hingga kurang dari 10% dengan

menggunakan korelasi yang lebih kompleks tetapi akurat seperti menggunakan

persamaan Petukhov kedua (second Petukhov equation), sebagai berikut :

Nu = f/8��Re . Pr

1,07 + 12,7(f/8)0,5��Pr2/3-1�� (2.25)

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 :

Nu = f/8��Re - 1000�.Pr

1+ 12,7f/8�0,5�Pr2/3- 1� (2.26)

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 2.23). Persamaan Gnielinski


commit to user

33

lebih disukai dalam perhitungan. Pada persamaan (2.25) dan (2.26) 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, ε/D (relative roughness, ε/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, sebagai berikut :

1

�f = - 2,0 . log �ε Dh⁄

3,7+

2,51

Re.�f (2.27)

Kesulitan dalam penggunaannya adalah bahwa rumus ini berbentuk implisit dalam

ketergantungannya terhadap f. Artinya, untuk suatu kondisi yang diberikan (Re

dan ε/D), tidaklah mungkin mencari penyelesaian untuk f tanpa melakukan suatu

metode 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:

f0 = 0,25 �log �ε Dh ⁄

3,7+ 5,74

Re0,9 !�

(2.28)

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 :

f = 0,3164.Re-0,25 4.103 < Re < 3.104 (2.29)

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

Berges (1993) mengembangkan sebuah korelasi untuk kasus temperatur dinding

konstan untuk aliran berkembang penuh berdasarkan data sebelumnya dan data


commit to user

34

penelitian mereka sendiri. Korelasi untuk perpindahan panas di daerah laminar

sebagai berikut :

Nu = 4,162 . "6,413 x 10-9

(sw Pr3,385�#0,2

$ ��%&0,14

(2.30)

dimana :

Nu = bilangan Nusselt

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

dalam pipa.

Sw = Re �y⁄

y = twist ratio

Pr = bilangan Prandtl

µ = viskositas dinamik (kg/m.s)

µw = viskositas dinamik pada temperatur dinding (kg/m.s)

Berdasar data yang sama, sebuah korelasi untuk faktor gesekan telah

dikembangkan :

( f . Red )SW = 15,767 $π + 2 - 2t/di

π - 4t/di&2

$1+10-6

Sw2,55&1 6⁄

(2.31)

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 (2.32)

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)

adalah digunakan sebagai fluida-fluida uji, tiga twist ratio berbeda ( y = 3,0, 4,5,


commit to user

35

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

Berdasarkan eksperimen yang sama, Manglik dan Bergles (1993) juga

mengembangkan korelasi untuk twisted tape insert dalam daerah turbulen.

Cakupan eksperimen sama seperti keadaan di daerah laminar. Korelasi

berdasarkan metode asymtotic, dan valid untuk temperatur dinding konstan dan

fluks kalor konstan. Korelasi perpindahan panas sebagai berikut :

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

H ] Ø2 (2.33)

dengan Ø2 = $ π

π - 4t/di&0,8 $π + 2 - 2t/d

i

π - 4t/di

&.

0,2

dimana :

t = ketebalan twisted tape insert (m)

D = diameter dalam pipa dalam (m)

H = panjang pitch twisted tape insert (m)

Korelasi untuk memperkirakan faktor gesekan dalam daerah turbulen :

f = 0,079

Re0,25 $ π

π - 4t/di&1,75 $π + 2- 2t/di

π - 4t/di&1,25

(1+ 2,752

y1,29 ) (2.34)

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 (inner tube) dapat dinyatakan sebagai :

Qh = �� .Cp,h .(Th,in – Th,out) = hi. Ai. (Tb,i - -./,0) (2.35)


commit to user

36

dimana :


�� = 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,in = temperatur fluida panas masuk pipa dalam (oC)

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

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

(W/m2.oC)

Ai = luas permukaan dalam pipa dalam (m2)

Ai = 8.a. L

2a = panjang sisi dalam pipa dalam (m)

L = panjang pipa dalam (m)

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

-./,0 = temperatur rata-rata dinding dalam pipa dalam (oC)

Laju perpindahan panas dari fluida dingin di annulus :

Qc = �� .Cp,c .(Tc,out – Tc,in) = ho. Ao. (-./,1 – Tb,o) (2.36)

dimana :

Qc = laju perpindahan panas di annulus (W)

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

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

Tc,in = temperatur fluida dingin masuk annulus (oC)

Tc,out = 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 = 8.b. L

2b = panjang sisi luar pipa dalam (m)

L = panjang pipa dalam (m)

-./,1 = temperatur rata-rata dinding luar pipa dalam (oC)

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


commit to user

37

Gambar 2.20 Skema pengujian penukar kalor saluran persegi dengan twisted tape insert.


commit to user

38

Nilai -./,1 dan Tb,o dicari dari persamaan berikut :

T3w,o = ∑ Tw,o

n (2.37)

Tb,o = (Tc,out + Tc,in)/2 (2.38)

dimana ∑ -/,1 adalah jumlah temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam, dan

n adalah jumlah titik pengukuran temperatur dinding luar pipa dalam.

Perbedaan antara laju aliran panas dari persamaan (2.35) dan (2.36)

menunjukkan ketidakseimbangan panas konveksi (heat balance error).

heat balance error = 6Qh- Q

c6 (2.39)

dimana dapat diabaikan jika penukar kalor diisolasi dengan baik. Persentase

kehilangan panas konveksi dari penukar kalor dinyatakan sebagai berikut :

% heat balance error = 7Qh-Q

c

Qc

7 . 100% (2.40)

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

persamaan (2.36) :

ho = m� c.Cp .(Tc,out– Tc,in)

Ao.(T.w,o – Tb,o) (2.41)

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

persamaan :

Nuo = ho.Dh,o

ko (2.42)

dimana :

Nuo = bilangan Nusselt rata-rata di sisi annulus

ho = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di sisi annulus

(W/m2.oC)

Dh,o = diameter hidrolik annulus (m)

Dh,o = 2c – 2b

ko = konduktivitas termal rata-rata fluida dingin di annulus (W/m.oC).

Persamaan (2.35) dapat juga dinyatakan dengan parameter koefisien

perpindahan panas overall untuk sisi dalam pipa dalam :

Qh = Ui.Ai. ∆TLMTD (2.43)


commit to user

39

dimana :


Ui = koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dalam

pipa dalam (W/m2.oC)

A i = luas permukaan dalam pipa dalam (m2)

Ai = 8. a. L

∆TLMTD = 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 :

∆TLMTD = �Th,in - Tc,out�-�Th,out - Tc,in�

ln $�Th,in - Tc,out�/�Th,out - Tc,in�& (2.44)

Koefisien perpindahan panas overall, Ui , sistem pada penukar kalor

konsentrik ini dinyatakan dengan :

1

Ui.Ai =

1

hi.Ai+

ln� �⁄ �8kL

+1

ho.Ao

Ui = 1

Ai� 1

hi.Ai +

ln(b a)⁄8kL

+ 1

ho.Ao

Ui = 1

8aL� 1

hi.8aL +

ln(b a)⁄8kL

+ 1

ho.8 bL

Ui = 1

� 1

hi +

a.ln(b a)⁄k

+ a

b.ho (2.45)

Dari persamaan (2.35), (2.43) dan (2.44), maka nilai Ui dapat dihitung :

Ui = m� h.Cp .(Th,in – Th,out)

Ai.TLMTD (2.46)

Ui = m� h.Cp .(Th,in – Th,out)

8.a.L.�Th,in– Tc,out�-�Th,out – Tc,in�

ln$�Th,in – Tc,out�/�Th,out – Tc,in�& (2.47)

Dengan diperoleh nilai ho dari persamaan (2.41) dan Ui dari persamaan (2.47),


commit to user

40

maka koefisien perpindahan panas rata-rata di sisi pipa dalam, hi dapat dihitung

dengan menggunakan persamaan (2.45).

Ui = 1

� 1

hi + a.ln(b a)⁄

ki + a

b.ho

hi = 1

� 1

Ui –

a.lnb a⁄ �ki

– a

b.ho (2.48)

dimana ki adalah konduktivitas termal material pipa dalam.

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

persamaan berikut :

Nui = hi. Dh,i

ki (2.49)

dimana, ki adalah konduktivitas termal rata-rata fluida di pipa dalam, dihitung dari

sifat fluida pada temperatur bulk rata-rata.

Bilangan Reynolds (Re) aliran fluida di pipa dalam, dihitung dengan persamaan :

Re = V.Dh ,i

ν (2.50)

Re = ρ.V.Dh ,i

µ (2.51)

dimana :

Re = bilangan Reynolds

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

Dh,i = diameter hidrolik pipa dalam (m)

Dh,i = 2a

ν = viskositas kinematis fluida di pipa dalam (m2/s)

ρ = densitas fluida di pipa dalam (kg/m3)

µ = viskositas dinamik fluida di pipa dalam (kg/m.s)

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 = �� . :�,� (2.52)


commit to user

41

Cc = m� c.Cp,c (2.53)

Laju kapasitas panas dari sebuah aliran fluida menyatakan laju perpindahan panas

yang diperlukan untuk mengubah temperatur aliran fluida sebesar 1oC 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 (2.35) dan (2.36) berturut-turut dapat dinyatakan juga dengan :

Qh = Ch .(Th,in – Th,out) (2.54)

Qc = Cc .(Tc,out – Tc,in) (2.55)

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 ∆TLMTD , laju aliran massa,

dan koefisien perpindahan panas overall tersedia, maka luas permukaan

perpindahan panas dari penukar kalor dapat ditentukan dari persamaan Q = U.As.

∆TLMTD. 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 ε-NTU (Effectiveness-NTU) dimana akan

menyederhanakan analisis penukar kalor.

Metode ini berdasarkan sebuah parameter tanpa dimensi yang disebut

efektivenes penukar kalor, ε, didefinisikan sebagai :

ε = Q

Qmak

=laju perpindahan panas aktual

laju perpindahan panas maksimum yang mungkin (2.56)

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,out – Tc,in) = Ch.(Th,in – Th,out) (2.57)


commit to user

42

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 :

∆Tmak = Th,in – Tc,in (2.58)

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 :

Qmak = Cmin.(Th,in – Tc,in) (2.59)

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

Cc > Ch , maka Ch = Cmin (2.60)

Cc < Ch , maka Cc = Cmin (2.61)

Menentukan Qmak 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 = ε.Qmak = ε.Cmin.(Th,in – Tc,in) (2.62)

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 ε dinyatakan sebagai berikut :

ε =

1– exp�– U.As

Cmin�1– Cmin

Cmak

1– CminCmak

exp�– U.As

Cmin�1– Cmin

Cmak (2.63)

Hubungan efektivenes penukar kalor biasanya melibatkan kelompok tanpa

dimensi UAs/Cmin. Besaran ini disebut number of tranfer units (NTU) dan

dinyatakan sebagai berikut :


commit to user

43

NTU = U.As

Cmin=

U.As

�m.� Cp�min

(2.64)

Dimana U adalah koefisien perpindahan panas overall, dan As adalah luas

permukaan perpindahan panas dari penukar kalor. NTU sebanding dengan As.

Sehingga untuk nilai-nilai U dan Cmin tertentu, nilai NTU adalah ukuran dari luas

permukaan perpindahan panas, As. Sehingga, semakin besar NTU, semakin besar

penukar kalor.

Dalam analisis penukar kalor, juga didefinisikan besaran tanpa dimensi

lain yang disebut rasio kapasitas (capacity ratio), c , sebagai berikut :

c = Cmin

Cmak (2.65)

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 ε dapat ditulis ulang dengan

menggabungkan persamaan (2.63), (2.64) dan (2.65) sebagai berikut :

ε = 1-exp;-NTU�1 - c�<1- c.exp;-NTU�1- c�< (2.66)

Jika besaran c = Cmin/Cmak dan NTU = U.As/Cmin telah dievaluasi, efektivenes ε

dapat ditentukan dari grafik atau menggunakan korelasi untuk jenis penukar kalor

tertentu. Kemudian laju perpindahan panas Q dan temperatur keluaran Th,out dan

Tc,out dapat ditentukan, sehingga tidak memerlukan proses iterasi.

Gambar 2.21. Efektivenes penukar kalor pipa ganda aliran berlawanan arah


commit to user

44

Alternatif lain, dapat juga ditentukan dari metode ε-NTU dengan pertama kali

mengevaluasi efektivenes ε dari persamaan (2.56), dan kemudian NTU dapat ditentukan

dari hubungan untuk jenis penukar kalor tertentu. Untuk penukar kalor pipa konsentrik

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

NTU = 1

c-1 ln $ ε-1

ε.c-1& (2.67)

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 :

P = f. Lt.ρ.V 22.di

(2.68)

dimana besaran tanpa dimensi f adalah faktor gesekan Darcy (Darcy friction

factor). Penurunan tekanan (∆P) yang terjadi pada aliran di pipa dalam ditentukan

dari perbedaan ketinggian fluida dalam manometer pipa U, dimana ∆P dinyatakan

dengan persamaan :

∆P = ρm.g. ∆h (2.69)

dimana :

∆P = penurunan tekanan (Pa)

ρm = densitas fluida manometer (kg/m3)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

∆h = beda ketinggian fluida manometer (m)

Gambar 2.22 Skema pengukuran penurunan tekanan pada penukar kalor pipa konsentrik


commit to user

45

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

berikut :

f = ∆P

�Lt

di>ρ

V 22

? (2.70)

dimana :

f = faktor gesekan

∆P = penurunan tekanan (Pa)

Lt = panjang jarak titik pengukuran beda tekanan di pipa dalam (m)

di = diameter dalam pipa dalam (m)

ρ = densitas fluida di pipa dalam (kg/m3)

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

Jika penurunan tekanan (∆P) telah diketahui, maka daya pemompaan (pumping

power), @��AB� , dapat ditentukan dari :

W�pump=V.� ∆P (2.71)

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

Parameter paling penting untuk desain penukar kalor adalah efisiensi

peningkatan perpindahan panas (η). Efisiensi peningkatan perpindahan panas (η)

dianalisa dibawah kondisi daya pemompaan (pumping power) yang konstan,

antara pipa tanpa twisted tape insert (plain tube) dengan pipa dengan twisted tape

insert (inserted tube). Untuk daya pemompaan yang konstan, berlaku :

�V� .∆P�p= �V� .∆P�

s (2.72)

dimana :

�� = laju aliran volumetrik fluida di pipa dalam (m3/s)

∆P = 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 :

� f. Re3�p= � f. Re3�

s (2.73)


commit to user

46

Efisiensi peningkatan perpindahan panas (η) 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.

η = �hs

hp

pp

(2.74)

dimana :

η = efisiensi peningkatan perpindahan panas

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

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Tempat Penelitian

Penelitian dilakukan di Laboratorium Termodinamika dan Perpindahan

Panas 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 saluran persegi bercelah sempit

• Konstruksi : penukar kalor pipa konsentrik satu laluan (one pass concentric

tube heat exchanger)

• Bahan pipa (tube) :

- Pipa dalam (inner tube) dan pipa luar (outer tube) : Aluminium

• Dimensi

- inner tube : sisi luar 18,50 x 18,50 mm

sisi dalam 17,20 x 17,20 mm

- outer tube : sisi luar 23,05 x 23,05 mm

sisi dalam 21,75 x 21,75 mm

- panjang inner tube : 2.702 mm

- panjang outer tube : 1.938 mm

- ukuran celah annulus : 2,42 mm dengan diameter hidrolik: 4,55 mm.

• Jarak antar pressure tap : 2.018 mm.

• Arah aliran : counter flow (aliran berlawanan arah)

- inner tube : air panas dengan arah aliran horisontal

- outer tube/annulus : air dingin aliran horisontal berlawanan arah dengan

aliran air panas.


commit to user

48

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

17,20

18,05

21,75

23,05


commit to user

49

Gambar 3.2. Penukar kalor pipa konsentrik satu laluan.

Gambar 3.3. Penukar kalor tanpa twisted tape insert.

Gambar 3.4. Penukar kalor dengan classic twisted tape insert.


commit to user

50

Gambar 3.5. Penukar kalor dengan perforated twisted tape insert.

b) Sisipan pita terpilin (Twisted tape insert)

Classic twisted tape insert terbuat dari bahan aluminium strip dengan tebal

0,76 mm dan lebar 12,61 mm yang dipuntir sedemikian rupa sehingga berbentuk

sebuah pilinan yang mempunyai panjang pitch 50,35 mm sehingga twist ratio-nya

sebesar 4,0. Sedangkan perforated twisted tape insert terbuat dari bahan dan

ukuran yang sama dengan classic twisted tape insert, dengan panjang pitch 50,35

mm dan twist ratio 4,0 di mana dilubangi dengan diameter lubang divariasi

sebesar 4,0 mm dan 6,5 mm.

Gambar 3.6.(a) Classic twisted tape insert, (b) Perforated twisted tape insert dengan lubang 4 mm, (c) Perforated twisted tape insert dengan lubang 6,5 mm.


commit to user

51

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

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, seperti ditunjukan pada gambar 3.7 di bawah:

90°

60,00

17,2

0

23,0

5

21,7

5

9,33

9,33

6,00

30,0010,00

30,0

0

(a)

(b)

Gambar 3.7. (a) Gambar detail flange, (b) Flange setelah dilakukan proses pembubutan.


commit to user

Gambar

Gambar

2

8

Gambar 3.8. Instalasi alat penelitian tampak depan.

Gambar 3.9. Instalasi alat penelitian tampak belakang

5

6

7

4

10

1

9

52

belakang.

3


commit to user

53

Keterangan gambar 3.8 dan 3.9 :

1. Penukar kalor

2. Bak air panas

3. Bak air dingin (bawah)

4. Rotameter

5. Manometer

6. Temperature controller

7. MCB pompa air dingin dan air panas

8. Penjebak air

9. Pemanas air

10. Bak air dingin (atas).


commit to user

54

Gambar 3.10. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak depan.


commit to user

55

Gambar 3.11. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak belakang.


commit to user

Gambar 3.12

d). Termokopel

Untuk mengukur

[Chromel (Ni-Cr alloy)/

hingga 1.200°C. Termokopel ini dipasang pada

temperatur air panas

tube berjumlah 10 buah

tube), dan pada sisi

termokopel dilem menggunakan lem

(hardener) warna merah dan resin (warna putih).

(a)Gambar 3.13. (a) Lem

.12. Gambar 3D instalasi alat penelitian tampak samping

mengukur temperatur, digunakan termokopel tipe

Cr alloy)/Alumel (Ni-Al alloy)] tersedia untuk rentang

. Termokopel ini dipasang pada sisi inner tube (untuk mengukur

temperatur air panas masuk dan keluar dari inner tube), pada dinding

berjumlah 10 buah (untuk mengukur temperatur rata-rata dinding

sisi keluar dan masuk air dingin di annulus

termokopel dilem menggunakan lem araldite yang terdiri dari pengeras

) warna merah dan resin (warna putih).

(a) (b)

(a) Lem araldite ; (b) Konektor termokopel dan termokopel

56

samping.

termokopel tipe-K. Tipe-K

rentang suhu −200 °C

(untuk mengukur

dinding luar inner

dinding luar inner

annulus. Pemasangan

yang terdiri dari pengeras

termokopel tipe-K.


commit to user

57

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 3.14 dan gambar

3.15 berikut ini :

Gambar 3.14. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur air masuk

dan keluar di inner tube dan outer tube.

Gambar 3.15. Skema pemasangan termokopel untuk mengukur temperatur dinding luar pipa dalam.

Gambar 3.16. Pemasangan termokopel pada penukar kalor sejumlah 14 titik

pemasangan.

e). Thermocouple reader

Alat ini digunakan untuk menunjukkan temperatur yang diukur oleh

termokopel.


commit to user

58

Gambar 3.17 Thermocouple reader.

f). 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

(a) (b)

Gambar 3.18. Pompa sentrifugal.(a) pompa air panas (b) pompa air dingin


commit to user

g). Tandon Air

Tandon digunakan

sebelum masuk penukar

(a)

Gambar

h). Flowmeter

Flowmeter digunakan

masuk ke pipa dalam dari

saluran by pass dengan pipa sebelum masuk

Spesifikasi flowmeter

− Acrylic cover

− Glass : Borosilite

− Measuring span

− Suitable for on line Instalation

− Centre to Centre Dist

− Range between

− Various Materials of Construct

− Connections

− Accuracy

− Powder coated finish

− Linear Scale

digunakan untuk menampung air panas dan air dingin

penukar kalor.

(b)

Gambar 3.19. (a) Tangki air dingin (b) tangki air panas

digunakan untuk mengukur debit aliran air

pipa dalam dari dalam penukar kalor. Flowmeter diletakkan di antara

dengan pipa sebelum masuk pipa dalam penukar kalor.

flowmeter :

Acrylic cover

Borosilite

Measuring span : 1:10

Suitable for on line Instalation

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

Accuracy : ± 2% of full scale.

oated finish

Linear Scale

59

dan air dingin sementara

(a) Tangki air dingin (b) tangki air panas

mengukur debit aliran air panas sebelum

diletakkan di antara

kalor.

1850 NLPH of Water

MS / SS304 / SS316 / Brass.

Back / Bottom – Top


commit to user

60

Gambar 3.20 Flowmeter

i). Penjebak Air

Penjebak air digunakan agar air dari inner tube tidak masuk ke

manometer.

Gambar 3.21. Penjebak air


commit to user

j). Manometer

Manometer pipa U ini terbuat dari selang plastik yang berfungsi untuk

mengukur perbedaan tekanan

yang digunakan adalah

k). Rangka dan pipa–

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

PVC berdiameter ¾ inchi dan digu

kedalam alat penukar kalor.

l). 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.

pipa U ini terbuat dari selang plastik yang berfungsi untuk

mengukur perbedaan tekanan aliran air pada sisi inner tube. Fluida manometer

yang digunakan adalah air.

Gambar 3.22. Manometer.

–pipa saluran air



meletakkan penukar kalor. Sedangkan pipa–pipa saluran air ini berasal dari bahan

berdiameter ¾ inchi dan digunakan untuk mempermudah aliran air masuk

kedalam alat penukar kalor.


Sedangkan cara penggunaannya dengan cara diputar untuk mengatur

debit yang akan diinginkan.

Gambar 3.23. Stop kran.

61

pipa U ini terbuat dari selang plastik yang berfungsi untuk

. Fluida manometer



pipa saluran air ini berasal dari bahan

nakan untuk mempermudah aliran air masuk


Sedangkan cara penggunaannya dengan cara diputar untuk mengatur


commit to user

m). Ball valve

Ball valve ini digunak

yang keluar dari annulus

n). Temperature controller

Temperature

yang akan masuk ke

dengan temperature controller

arus listrik yang diatur oleh

o.) Pemanas air elektrik

Pemanas ini

Pemanas yang digunakan berjumlah

adalah 5.000 Watt.

ini digunakan ketika akan mengukur laju aliran massa air dingin

annulus sebelum dibuang.

Gambar 3.24. Ball valve.

controller dan contactor atau relay

Temperature controller digunakan untuk menjaga temperatur air panas

yang akan masuk ke inner tube agar konstan. Contactor atau relay

emperature controller dan digunakan untuk memutus dan menyambung

arus listrik yang diatur oleh temperature controller.

Gambar 3.25. Temperature controller

elektrik (electric water heater)

ini berfungsi untuk memanaskan air dalam tangki air panas

Pemanas yang digunakan berjumlah 10 buah dengan total daya yang dipakai

62

akan mengukur laju aliran massa air dingin

digunakan untuk menjaga temperatur air panas

relay dihubungkan

dan digunakan untuk memutus dan menyambung

tangki air panas.

buah dengan total daya yang dipakai


commit to user

p). Stopwatch

Stopwatch digunakan untuk mengukur selang waktu yang diperlukan

untuk menampung air yang keluar dari

dengan menggunakan

q). Timbangan digital (

Digunakan untuk menimbang massa air

ember selama selang waktu tertentu untuk mengetahui laju aliran massa air

annulus.

Gambar 3.26. Pemanas air elektrik.

digunakan untuk mengukur selang waktu yang diperlukan

untuk menampung air yang keluar dari annulus sempit dalam jumlah tertentu

dengan menggunakan ember.

Gambar 3.27. Stopwatch.

igital (digital scale)

Digunakan untuk menimbang massa air yang tertampung sementara dalam

selama selang waktu tertentu untuk mengetahui laju aliran massa air

Gambar 3.28. Timbangan digital.

63

digunakan untuk mengukur selang waktu yang diperlukan

dalam jumlah tertentu

yang tertampung sementara dalam

selama selang waktu tertentu untuk mengetahui laju aliran massa air di


commit to user

64

3.4. Prosedur Penelitian

Peralatan penelitian terdiri dari 3 sistem, yakni sistem pengukuran, sistem

lintasan pipa dalam (inner tube), dan sistem lintasan aliran annulus. Lintasan 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 dingin di

annulus menggunakan metode gravitasi, di mana aliran air dingin berasal dari

tandon air dingin yang dipasang di atas. 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.

3.4.2 Tahap Pengujian

Prosedur yang dilakukan dalam pengambilan data penelitian berdasarkan

variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam (inner tube) adalah sebagai

berikut :

3.4.2.1 Pada penukar kalor tanpa twisted tape insert.

1. Menyalakan pemanas air elektrik yang berada di tangki air panas dan

menyetel thermocontroller pada temperatur 60oC


commit to user

65

2. Menyalakan pompa air panas

3. Mengatur debit aliran air panas di inner tube, debit aliran air panas di inner

tube 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 inner tube telah mencapai 60oC

maka dilakukan pengambilan data berupa temperatur air panas masuk dan

keluar inner tube, temperatur air dingin masuk dan keluar annulus,

temperatur-temperatur dinding luar inner tube, dan beda ketinggian air di

manometer hingga diperoleh kondisi tunak (steady state). Sementara itu,

temperatur air yang masuk ke inner tube dijaga konstan 60oC

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

inner tube dan saluran annulus hingga diperoleh kondisi netral, ditandai

dengan temperatur masuk dan keluar inner tube dan annulus berupa

temperatur air kondisi temperatur lingkungan

9. Memastikan ketinggian permukaan air pada manometer adalah sama untuk

pengambilan data variasi debit aliran air panas di inner tube berikutnya

10.Mengulangi langkah 1 sampai 9 untuk variasi debit aliran air panas di

inner tube berikutnya hingga diperoleh ±25 variasi debit aliran air panas

di inner tube

11.Setelah percobaan selesai, mematikan pompa dan seluruh unit kelistrikan.

3.4.2.2 Pada penukar kalor dengan twisted tape insert.

1. Menyisipkan classic twisted tape insert ke dalam inner tube

2. Menyalakan pemanas air elektrik yang berada di tangki air panas dan

menyetel thermocontroller pada temperatur 60oC

3. Menyalakan pompa air bagian inner tube


commit to user

66

4. Mengatur debit aliran air panas di inner tube sama seperti pengujian

penukar kalor tanpa twisted tape insert. Debit aliran air panas di inner tube

terbaca pada flowmeter

5. Menyalakan pompa air dingin untuk mengalirkan air dingin ke tandon atas

6. Membuka penuh katup yang mengatur aliran air dingin 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 inner tube telah mencapai 60oC,

maka dilakukan pengambilan data berupa temperatur air panas masuk dan

keluar inner tube, temperatur air dingin masuk dan keluar annulus,

temperatur-temperatur dinding luar inner tube, dan beda ketinggian air di

manometer hingga diperoleh kondisi tunak (steady state). Sementara itu,

temperatur air yang masuk ke inner tube dijaga konstan 60oC

8. Mematikan pompa air panas sementara itu pompa air dingin tetap menyala

untuk menetralkan penukar kalor ke kondisi semula

9. Menetralkan penukar kalor dengan cara mengalirkan air dingin pada sisi

inner tube dan saluran annulus hingga diperoleh kondisi netral, ditandai

dengan temperature masuk dan keluar inner tube dan annulus berupa

temperatur air kondisi temperature lingkungan

10.Memastikan ketinggian permukaan air pada manometer adalah sama untuk

pengambilan data variasi debit aliran air panas di inner tube berikutnya

11.Mengulangi langkah 2 sampai 10 untuk variasi debit aliran air panas di

inner tube berikutnya hingga diperoleh ± 25 variasi debit aliran air panas

di inner tube. 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. Setelah percobaan selesai, mematikan pompa dan seluruh unit kelistrikan.


commit to user

67

3.5. Metode Analisis Data

Dari data yang telah diperoleh, yaitu berupa temperatur air masuk dan

keluar pipa dalam dan annulus, temperatur-temperatur dinding luar pipa dalam,

beda ketinggian air di manometer dan debit aliran air di annulus (konstan) dan

debit aliran air di pipa dalam, selanjutnya dapat dilakukan analisis data yaitu

dengan:

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

b. Menghitung laju aliran massa air di pipa dalam dan di annulus (�� )

c. Menghitung laju perpindahan panas (Q�) dan (Q�)

d. Menghitung persentase kehilangan panas dari penukar kalor (Q��

e. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus

(h�)

f. Menghitung angka Nusselt rata-rata di sisi annulus (Nu�)

g. Menghitung koefisien perpindahan panas overall (U�)

h. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam

(h�)

i. Menghitung angka Nusselt rata-rata di pipa dalam (Nu�)

j. Menghitung bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam (Re)

k. Menghitung efektivitas penukar kalor (ε)

l. Menghitung Number of Tranfer Units (NTU)

m. Menghitung penurunan tekanan (∆P)

n. Menghitung faktor gesekan ( f )

o. Menghitung unjuk kerja termal (η).

Dari perhitungan tersebut dapat dibuat grafik–grafik hubungan Nu,i - Re,

Nu/Nup - Re, ∆P - Re, f vs Re, f/fp – Re, ε – NTU dan η - Re. Dari hasil

penelitian ini nanti juga dibandingkan dengan korelasi empirik yang telah ada.


commit to user

68

3.6. Diagram Alir Penelitian

Mulai

Alatpenukarkalorpipakonsentriksaluran annular

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 inner tube �� c. Menghitung laju perpindahan panas (Q�) dan (Q�) d. Menghitung persentase kehilangan panas dari penukar kalor (Q�� e. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata sisi annulus(h�) f. Menghitung bilangan nusselt rata-rata di sisi annulus(Nu�) g. Menghitung koefisien perpindahan panas overall (U�) h. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam (h�) i. Menghitung angka Nusselt rata-rata di pipa dalam (Nu�) j. Menghitung bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam (Re) k. Menghitung efektivitas penukar kalor (ε) l. Menghitung number of tranfer units (NTU) m.Menghitung penurunan tekanan (∆P) n. Menghitung fator gesekan ( f ) m. Menghitung unjuk kerja termal (η)

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

Kesimpulan

Selesai

Mulai

Alat penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi satu laluan


commit to user

BAB IV DATA DAN ANALISIS

Pada bab ini akan dianalisis mengenai pengaruh variasi bilangan Reynolds

aliran air di pipa dalam (inner tube) dan pengaruh penambahan classic twisted

tape insert dan perforated twisted tape insert dengan diameter lubang 4 mm dan

6,5 mm di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi terhadap

karakteristik perpindahan panas 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 pada debit 2 - 8,5 LPM. Pengujian dilakukan dengan menjaga

temperatur air panas masukan pada pipa dalam adalah konstan 60oC, sedangkan

air dingin masuk ke annulus dengan temperatur ± 28oC. Data yang diperoleh

dalam pengujian ini, yaitu temperatur air masuk dan keluar pipa dalam,

temperatur air masuk dan keluar annulus, 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

Pengujian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan

Termodinamika Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas

Maret Surakarta.

Dari hasil pengamatan laju aliran massa air di annulus (�� ) dan penurunan

tekanan pada sisi pipa dalam (∆P), temperatur air panas masuk (Thi) dan keluar

(Tho) pipa dalam, dan temperatur air dingin masuk (Tci) dan keluar (Tco) annulus,

serta temperatur dinding luar pipa dalam (Tw) saat pengujian pada kondisi tunak,

diperoleh data seperti pada Tabel 4.1, 4.2, 4.3 dan 4.4 sebagai berikut :

69


commit to user

70

Tabel 4.1.Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam pada variasi tanpa twisted tape insert (plain tube). �� Th,i Th,o Tc,i Tc,o T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 ∆h

(LPM) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) m 2,0 60,5 47,5 27,3 33,7 45,7 44,1 40,1 39,2 38,9 38,6 37,5 38,6 38,4 35,6 0,0043 2,5 60,3 49,6 28,9 35,6 49,1 48,3 44,3 43,8 42,6 42,4 40,2 41,0 41,0 37,6 0,0055

3,0 60,4 50,8 28,4 35,3 50,5 50,0 45,9 46,1 44,2 44,6 41,7 43,3 42,5 39,1 0,0075 3,5 60,3 51,4 28,2 35,7 51,1 51,5 47,2 48,3 45,6 45,9 43,1 44,6 43,4 40,2 0,0095

4,0 60,4 52,3 27,8 35,6 52,8 52,4 48,9 49,4 47,6 48,2 44,6 47,0 44,2 41,1 0,0100

4,5 60,2 52,6 28,1 36,3 53,0 52,5 48,8 49,9 47,5 48,4 44,9 47,5 44,7 41,8 0,0135 5,0 60,2 53,1 28,1 36,8 53,9 53,1 50,3 50,7 48,6 49,3 46,5 48,5 46,4 43,5 0,0158

5,5 60,0 53,8 28,8 37,1 54,8 54,1 51,3 51,4 51,0 50,2 49,4 49,7 48,1 44,6 0,0178 6,0 60,2 54,0 28,6 37,6 54,9 54,3 51,7 51,5 50,3 50,3 49,0 49,8 48,3 45,0 0,0193

6,5 60,0 54,4 28,8 37,7 55,3 55,1 52,2 52,4 51,5 51,3 50,2 51,2 49,3 46,0 0,0240 7,0 60,1 54,8 28,8 37,9 55,6 55,4 52,8 52,9 51,9 51,6 50,7 51,6 49,8 46,7 0,0255

7,5 60,3 55,2 28,8 38,0 55,7 55,5 53,1 53,2 52,2 52,1 51,1 52,2 50,3 47,3 0,0288

8,0 60,5 55,6 28,7 38,1 56,2 55,8 53,3 53,5 53,2 52,3 51,9 52,8 50,9 47,7 0,0323 8,5 60,5 55,7 28,8 38,6 56,1 55,4 53,3 53,1 53,1 52,4 51,6 51,8 50,7 47,9 0,0345

9,0 60,3 55,8 28,5 38,6 56,7 56,3 54,4 54,1 54,0 52,9 52,9 53,5 51,6 47,7 0,0400 9,5 60,2 55,8 28,3 38,7 57,1 56,5 54,4 54,2 54,1 53,5 53,2 53,9 51,9 49,2 0,0460

10,0 60,5 56,1 27,7 38,8 57,3 56,8 55,1 54,6 54,8 53,9 53,8 54,3 52,4 49,7 0,0530


commit to user

71

Tabel 4.2. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam dengan perforated twisted tape insert I (diameter lubang 6,5 mm)

�� Thi Tho Tci Tco T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 ∆h

(LPM) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) m 2,0 60,2 45,0 28,2 35,2 46,9 46,3 41,8 41,6 41,0 39,6 36,9 37,7 37,3 34,4 0,012

2,5 60,1 47,2 28,6 36,0 48,9 48,5 44,7 44,3 44,5 41,2 38,9 40,9 39,6 36,7 0,013 3,0 60,2 48,3 28,6 36,8 50,6 49,8 46,1 46,3 45,4 43,0 41,2 43,1 41,6 38,6 0,015

3,5 60,3 49,7 28,6 37,1 50,7 50,1 46,4 46,6 45,8 43,6 41,6 43,9 42,0 39,2 0,020

4,0 60,4 50,8 28,7 37,5 51,8 51,2 47,7 48,0 47,2 45,2 43,3 45,3 43,4 40,7 0,022 4,5 60,3 51,5 28,7 37,8 52,4 51,6 48,6 48,6 47,9 46,0 44,2 46,2 44,2 41,5 0,023

5,0 60,2 51,9 28,7 38,0 52,9 52,2 49,6 49,4 48,7 47,3 45,7 46,5 44,7 42,2 0,026 5,5 60,0 52,3 28,7 38,3 53,4 52,6 50,0 50,0 49,2 47,7 46,0 47,7 45,6 43,2 0,028

6,0 60,2 53,1 28,8 38,5 53,7 53,3 50,9 50,7 50,0 48,7 47,2 48,7 46,4 44,4 0,032

6,5 60,3 53,5 28,8 38,7 54,4 53,9 51,5 51,1 50,6 49,5 48,0 49,5 47,4 45,3 0,034 7,0 60,5 54,1 28,8 38,8 55,0 54,3 52,1 51,9 51,2 50,5 48,9 50,3 48,0 46,5 0,035

7,5 60,3 54,2 28,6 39,0 55,6 54,9 53,0 52,5 51,9 51,0 49,9 50,6 48,8 47,0 0,040 8,0 60,1 54,5 28,7 39,0 55,9 55,5 53,6 53,1 52,6 51,9 50,8 51,6 49,4 47,8 0,044

8,5 60,2 54,8 28,7 39,2 56,2 55,7 54,0 53,6 53,0 52,3 51,3 52,3 50,0 48,7 0,045


commit to user

72

Tabel 4.3. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam dengan perforated twisted tape insert II (diameter lubang 4 mm)

�� Thi Tho Tci Tco T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 ∆h (LPM) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) m

2,0 60,4 46,1 27,8 34,0 50,5 47,5 45,0 42,7 42,8 39,8 40,5 41,2 37,7 35,5 0,018 2,5 60,3 47,6 27,9 35,6 51,4 48,7 46,8 44,2 44,6 41,6 42,3 43,0 39,2 37,1 0,020

3,0 60,4 49,0 28,8 36,0 52,8 50,4 48,2 46,1 46,1 43,0 43,7 44,6 40,9 38,5 0,023 3,5 60,4 50,6 28,7 36,2 54,5 52,2 50,8 49,1 49,0 46,2 47,3 47,3 44,1 40,3 0,025

4,0 60,4 51,2 28,7 36,5 54,5 52,4 52,2 49,0 48,8 46,0 46,3 47,3 43,7 39,9 0,030

4,5 60,5 51,8 28,1 36,7 54,7 52,9 51,1 49,5 49,2 46,9 47,0 47,7 44,3 40,9 0,034 5,0 60,3 52,4 28,4 37,0 54,9 53,5 51,9 50,5 49,9 48,2 48,0 49,3 45,3 42,1 0,039

5,5 60,2 52,7 28,3 37,4 55,3 53,8 52,5 50,9 50,7 49,2 48,7 49,3 46,0 42,8 0,035 6,0 60,0 53,1 28,7 38,0 55,6 54,4 54,0 51,9 51,1 50,1 49,6 50,1 47,0 44,2 0,042

6,5 60,2 53,5 28,7 38,7 56,2 55,2 54,9 52,6 51,9 51,1 50,6 51,1 48,1 45,3 0,047

7,0 60,1 53,7 28,7 39,5 56,7 55,5 56,0 53,3 53,3 52,4 51,5 52,3 49,2 46,6 0,052 7,5 60,3 53,9 28,8 40,2 56,9 55,8 55,0 53,9 53,3 52,4 51,5 52,3 49,2 46,6 0,056

8,0 60,3 54,0 28,8 40,8 56,6 55,8 55,1 53,8 52,9 52,4 51,8 52,4 49,6 47,3 0,060 8,5 60,3 54,3 28,8 41,2 57,1 56,3 56,1 54,3 53,6 52,8 52,4 52,8 50,3 47,9 0,064


commit to user

73

Tabel 4.4. Data hasil pengujian variasi laju aliran volumetrik air panas di pipa dalam dengan variasi classic twisted tape insert

�� Thi Tho Tci Tco T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 ∆h

(LPM) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) m 2,0 60,4 43,50 27,9 35,3 47,6 47,6 42,9 41,5 40,3 38,6 37,4 35,7 35,6 32,3 0,021 2,5 60,3 45,80 28,2 36,2 54,5 50,0 44,8 43,5 45,7 42,2 43,5 43,3 41,2 37,0 0,025 3,0 60,2 46,70 28,5 37,8 53,3 51,7 46,5 46,1 47,5 44,4 45,0 45,2 43,0 39,3 0,027 3,5 60,5 48,20 28,3 38,0 54,2 52,3 47,5 47,1 48,3 45,3 45,6 45,4 43,8 40,3 0,034 4,0 60,5 49,30 28,6 38,8 54,6 53,2 48,4 48,4 49,2 46,4 46,4 46,6 44,9 41,5 0,035 4,5 60,5 49,60 28,6 39,8 54,8 53,3 49,2 49,1 50,1 47,5 47,3 47,4 45,7 42,3 0,039 5,0 60,4 50,50 28,8 40,6 55,4 54,1 50,2 50,2 50,9 48,7 48,5 48,7 46,9 43,8 0,042 5,5 60,2 50,90 28,6 40,9 56,0 54,2 50,5 50,5 51,2 49,4 49,1 49,1 47,4 44,4 0,045 6,0 60,5 51,60 28,6 41,4 56,2 54,5 51,2 51,1 51,7 50,0 49,7 50,0 48,2 45,4 0,049 6,5 60,3 52,00 28,6 41,8 56,5 55,3 51,9 51,9 52,4 50,6 50,4 50,9 49,0 46,5 0,050 7,0 60,3 52,40 28,5 42,1 56,7 55,7 52,6 52,3 52,7 51,5 50,8 51,2 49,5 46,9 0,054 7,5 60,3 52,70 28,6 42,8 56,7 55,7 52,7 52,6 52,8 51,7 51,2 51,7 49,8 47,3 0,060 8,0 60,5 53,10 28,6 43,2 56,7 55,7 53,1 52,9 53,2 51,9 51,7 52,0 50,3 48,0 0,067 8,5 60,5 53,50 28,6 43,6 56,8 55,9 53,6 53,3 53,6 53,5 52,1 52,5 50,8 48,8 0,075


commit to user

74

4.2 Perhitungan Data

Data seksi uji penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi :

� Massa jenis fluida manometer (ρm) : 995,75 kg/m2

� Panjang pipa dalam : 2,702 m

� Panjang antar pressure tap (Lt) : 2,002 m

� Panjang sisi dalam pipa dalam (2a) : 1,72.10-2 m

� Panjang sisi luar pipa dalam (2b) : 1,85.10-2 m

� Panjang sisi dalam pipa luar (2c) : 21,75.10-2 m

� Panjang sisi luar pipa luar (2d) : 23,05.10-2 m

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

� Luas permukaan dalam pipa dalam (Ai) :

Ai = 4.2a. L = 4 . 1,72.10-2 m . 1,998 m = 1,37.10-1 m2

� Luas permukaan luar pipa dalam (Ao)

Ao = 4.2b L = 4 . 1,85.10-2 m . 1,998 m = 1,48.10-1 m2

� Luas penampang dalam pipa dalam (At,i)

At,i = 2a. 2a = 1,72.10-2 m . 1,72.10-2 m = 2,96.10-4 m2

� Diameter hidrolik annulus (Dha)

Dha = 4 At

P =

4.((2c)2-(2b)2)

4 (2c + 2b) = 2c - 2b = (21,75-18,50) .10-2 m

= 3,25.10-3 m


commit to user

75

� Diameter hidrolik pipa dalam (Dhi)

Dhi = 4 At,i

P =

4 .17,20 mm. 17,20 mm

4.17,20 mm

= 1,72.10-2 m

4.2.1 Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju aliran volumetrik 4,5

LPM pada variasi tanpa twisted tape insert (plain tube)

Data hasil pengujian :

- Temperatur air masuk pipa dalam (Th,i ) : 60,2 oC

- Temperatur air keluar pipa dalam (Th,o) : 52,6 oC

- Temperatur air masuk annulus (Tc,i) : 28,1 oC

- Temperatur air keluar annulus (Tc,o) : 36,3 oC

- Beda ketinggian air pada manometer (�h) : 13,5.10-3 m

- Laju aliran massa air masuk annulus (�� ) : 7.10-2 kg/s

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

• Temperatur bulk air di pipa dalam :

Tb,i = Thi+ Tho

2 =

(60,2 + 52,6)°C

2 = 56,4 oC = 329,4 K

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

ρh = 985,42 kg/m3

Cp,h = 4.183,2 J/kg oC

ki = 0,648 W/m oC

µi = 5,05.10-4 kg/m s

Pr = 3,26

• Temperatur bulk air di annulus :

Tb,o = Tci+ Tco

2 =

(28,1 + 36,3)°C

2 = 32,2 oC = 305,2 K

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

ρc = 994,511 kg/m3

Cp,c = 4.178 J/kg oC

ko = 0,622 W/m oC


commit to user

76

µ = 7,5.10-4 kg/m s

b. Laju aliran massa air di pipa dalam, �� :

�� = ρh . �� = 985,42 kg/m3 . � 4,5 LPM

60 s.1000 m3 = 7,39.10-2 kg/s

c. Laju perpindahan panas :

Qh = �� . Cp,h .(Th,i – Th,o)

= 7,39.10-2 kg/s . 4.183,2 J/kg oC . (60,2 – 52,6) oC

= 2.349,45 W

Qc = �� . Cp ,c. (Tc,out – Tc,in)

= 7. 10-2 kg/s . 4.178 J/kg oC . (36,3 – 28,1) oC

= 2.398,17 W

d. Persentase kehilangan panas dari penukar kalor, Qloss :

heat balance error = �Qh- Qc� = �2.349,45 W – 2.398,17 W� = 48,72 W

% heat balance error = �Qloss

Qh�.100%

= 48,72

2.349,45 .100% = 2,07 %

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

Twall = 53,0 + 52,5 + 48,8 + 49,9 + 47,5 + 48,4 + 44,9 + 47,5 + 44,7 + 41,8

10

= 47,9 oC

ho = Qc

Ao . ( T�w,o- Tb,o) =

2.398,17 W

1,48.10-1 m2. (47,9 – 32,2)°C

= 1.032,1 W/m2 oC

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

Nuo = ho.Dha

ko =

1032,1 W/m2 oC . 3,25.10-3

0,622 W/m. oC = 5,39

g. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan

dalam pipa dalam, Ui :

Qh = �� .Cp,h .(Th,i – Th,o) = Ui.Ai.∆TLMTD


commit to user

77

Ui = m� h C

p,h . �Th,i- Th,o�

Ai . ∆TLMTD =

Qh

Ai . ∆TLMTD

Ui = Qh

Ai . � �Th,i- Tc,o-�Th,o- Tc,iln ��Th,i- Tc,o/�Th,o- Tc,i��

Ui = 2.349,45 W

1,37.10-1 m2 . � �60,2- 36,3 �°C – �52,6-28,1�°C

ln ��60,2- 36,3 �°C/�52,6-28,1�°C�

= 708,68 W/m2 oC

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

hi = 1� 1

Ui - a.ln(b a)⁄

km - a

b.ho�

hi = 1

1708,68 W/m2 oC

–

17,2 . 10-3m. 2 ln � 18,5 .10-3 m

17,2 . 10-3 m�

237 W/m2 oC -

0,0172/2 m0,0185/2 m.1033,1 W/m2 oC

hi = 1.941,54 W/m2 oC

i. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan

luar pipa dalam, Uo :

1

Uo.Ao =

1

hi.Ai+

ln� !⁄ "8kL

+1

ho.Ao

Uo = 1

ba hi

+ b . ln�2b

2akm

+ 1

ho

Uo = 1

1,85.10-2

1,72.10-2 1.941,54 +

1,85.10-2 2 . ln �1,85.10-2

1,72.10-2 �

237 +

11.032,1

Uo = 655,43 W/m2 oC


commit to user

78

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

Nui = hi . dhi

ki =

1.941,54 W/m2 oC . 1,72.10-2 m

0,648 W/m. oC = 51,52

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

Kecepatan rata-rata aliran air di pipa dalam, #:

# = $�

At,i =

4,5 LPM . 1 menit

60s

1 m3

1000L

2,96. 10-4 m2

= 0,253 m/s

Re = ρh % dhi

µ

= 985,42 kg/m3 0,253 m/s. 1,72.10-2m

5,05. 10-4 kg/m.s

= 8.491,38 l. Validasi Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam untuk plain tube (Nu,i) :

• Menggunakan persamaan Gnielinski (1976):

Faktor gesekan menurut Petukhov :

ƒ = (0,79.ln Re – 1,64)-2

= (0,79. ln 8.491,38 - 1,64)-2

= 3,3.10-2

Nui,Gnelienski = �ƒ

8 �Re-1000".Pr

1+12,7�ƒ81/2

(Pr2/3-1)

=

�3,3.10-2

8� �8491,38 - 1000". 3,26

1+12,7�3,3.10-2

8�1/2

(3,262/3-1)

= 50,84

% error = Nui Plain tube- Nu Gnelienski

Nu Gnelienski .100%


commit to user

79

% error = �51,52 - 50,8450,84 � .100%

= 1,33 %

• Menggunakan persamaan Petukhov

Nui,Petukhov = �ƒ

8 Re .Pr

1,07 +12,7�ƒ81/2

(Pr2/3-1)

=

�3,3.10-2

8� 8491,38 . 3,26

1,07 + 12,7 �3,3.10-2

8�1/2

(3,262/3-1)

= 55,76

% error = Nui Plain tube- Nu Petukhov

NuPetukhov .100%

= 51,52 - 55,76

55,76 .100%

= 7,60%

m. Penurunan tekanan di pipa dalam, (∆P):

∆P = ρm.g. ∆h

= 995,75 (kg/m3) .9,81 (m/s2).13,5.10-3 m.� 1 N

Kg.m/s2 � 1 Pa

1N/m2

= 131,86 Pa

n. Faktor gesekan, ƒ:

ƒ = ∆P

Ltdhi

ρh '�(.

2

= 131,86 Pa

2,002 m

1,72.10-2

985,418 kg/m3 �0,253 m/s"2

2

= 3,6.10-2


commit to user

80

o. Validasi faktor gesekan menggunakan persamaan Petukhov, Blassius dan

Colebrook

• Menggunakan persamaan Petukhov:

Diketahui faktor gesekan menurut Petukhov = 3,3.10-2

%error = �ƒPlain tube- ƒPetukhov

ƒPetukhov� .100%

= �3,6.10-2 - 3,3.10-2

3,3.10-2�.100%

= 9,09 %

• Persamaan Blasius:

ƒ = 0,3164. Re-0,25 = 0,3164. 8491,38-0,25 = 3,29.10-2

%error = �ƒPlain tube- ƒBlasius

ƒBlasius �.100%

= )3,6.10-2 - 3,29.10-2

3,29.10-2) .100%

= 9,42 %

• Persamaan Colebrook:

Faktor gesekan dengan persamaan Colebrook:

*+ = 0,25 ,log �ε D ⁄3,7

+5,74

Re0,9 --2

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

fColebrook = 3,26 . 10-2

%error = �ƒPlain tube- ƒColebrook

ƒColebrook�.100%

= �3,6.10-2 - 3,26.10-2

3,26.10-2� .100%

= 10,43 %

p. Efektivenes penukar kalor

Ch = �� . Cp,h = 7,39 10-2 kg/s . 4.183,2 J/kgoC = 309,14 J/s oC


commit to user

81

Cc = �� . Cp,c = 7. 10-2 kg/s . 4.178 J/kgoC = 292,46 J/s oC

Ch< Cc , Cmin = Cc = 292,46 J/s oC ; Cmaks= Ch= 309,14 J/s oC

c = Cmin

Cmaks =

292,46

309,14 = 0,95

ε = Qh

Qmaks =

Qh

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

2.349,45 W

292,46 J/s°C (60,2 - 28,1)°C = 0,25

NTU = Uo. Ao

Cmin =

655,43 (W/m2C) . 1,48.10-1 m2

292,46 J/sC = 0,33

NTU = 1

c-1 ln �ε - 1

ε.c-1 =

1 0,95-1 ln � 0,25-1

.0,25.0,946-1 = 0,36

4.2.2 Contoh perhitungan untuk data pengujian dengan laju aliran volume 4,5

LPM dengan variasi perforated twisted tape insert I.






- Beda ketinggian air pada manometer (�h) : 23.10-3 m

- Laju aliran massa air masuk annulus (�� ) : 7. 10-2 kg/s



Tb,i = Thi+ Tho

2 =

60,3 + 51,5

2 = 55,9 oC = 328,9 K


ρh = 985,38 kg/m3

Cp,h = 4.183,22 J/kg.oC

ki = 0,648 W/m. oC

µ = 5,04. 10-4 kg/m.s

Pr = 3,25


commit to user

82


Tb,o = Tci+ Tco

2 =

28,7 + 37,8

2 = 33,3oC = 306,3 K


ρc = 994,23 kg/m3

Cp,c = 4.178 J/kg. oC

ko = 0,623 W/m. oC

µ = 7,39.10-4 kg/m.s


�� = ρh �� = 985,38 kg/m3 . � 4,5 LPM

60 s.1000 m3 = 7,39.10-2 kg/s


Qh = �� .Cp,h .(Th,in – Th,out)

= 7,39.10-2 kg/s . 4.183,22 J/kg. oC . (60,3 – 51,5) oC

= 2.720,43 W

Qc = �� .Cp ,c.(Tc,out – Tc,in)

= 0,07 kg/s . 4.178 J/kg. oC . (37,8 – 28,7) oC

= 2.661,39 W


heat balance error = �Qh- Q

c� = �2720,43 W – 2.661,39 W� = 59,04 W


Qh�.100% = 59,04

2720,43 .100% = 2,17 %


T�wall = 52,4 + 51,6 + 48,6 + 48,6 + 47,9 + 46,0 + 44,2 + 46,2 + 44,2 + 41,5

10

= 47,1 oC

ho = Qc

Ao . (Ťw,o- Tb,o) =

2.661,39 W

1,48.10-1 .m2. (47,1 – 33,3)°C = 1.303,1W/m2 oC


Nuo = ho.Dha

ko


commit to user

83

Nuo = 1.303,1W/m2 oC . 3,25.10-3

0,623 W/m. oC = 6,79

g. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam, berdasarkan luas permukaan

dalam pipa dalam ,Ui:

Qh = �� . Cp,h .(Th,in – Th,out) = Ui.Ai.∆TLMTD

Ui = m� h.Cp,h . �Th,i- Th,o�

Ai . ∆TLMTD =

Qh

Ai . ∆TLMTD

Ui = Qh


Ui = 2720,43 W

1,37.10-1 m2 . � �60,3 – 37,8 �-�51,5—28,7�ln ��60,3 – 37,8 �/�51,5—28,7��

= 876,71 W/m2 oC


hi = 1� 1

Ui - a.ln(b a)⁄

km - a

b.ho�

hi = 1

1876,71 W/m2 oC

–

17,2 .10-3m2 ln � 18,5 .10-3 m

17,2 . 10-3 m�

237 W/m2 oC –

1,72 10-2/2 m

1,85.10-2/2 m.1.303,1W/m2 oC

hi = 2.355,78 W/m2 oC



1

Uo.Ao =

1

hi.Ai+

ln� !⁄ "8kL

+1

ho.Ao

Uo = 1

2b2a hi

+ b . ln�2b

2akm

+ 1

ho


commit to user

84

Uo = 1

1,85.10-2 m

1,72.10-2 m 2.355,78 W/m2 oC +

1,85.10-2

2 m. ln �1,85.10-2 1,72.10-2

�237 W/m2 oC

+ 1

1.303,1W/m2 oC

Uo = 815,12 W/m2 oC


Nui = hi . dhi

ki =

2.355,78 W/m2.oC . 1,72 10-2 m

0,648 W/m. oC = 62,53

k. Validasi bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam penukar kalor saluran persegi

dengan korelasi Manglik –Berges. Ø2 = , π

π - 4t/di-0,8 ,π + 2 - 2t/di

π - 4t/di- .

0,2

= / π

π- 4.7,6. 10-4

1,261 . 10-2

00,80

/π + 2- 2.7,6.10-4

1,261 .10-2

π - 4.7,6.10-4

1,261 . 10-2

00,20

= 1,19

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

H ] Ø2

= 0,023. 8507,960,8. 3,250,4 [1+0,769. 2. 1,72.10-2

5,035.10-2 ]. 1,19

= 93,14

% error = 1Nui Perforated 1- Nui Manglik-Berges

Nui Manglik-Berges1 .100%

= 62,92 – 93,14

93,14 100%

= 32,45%


commit to user

85

l. Bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam, Re : Kecepatan rata-rata aliran air di pipa dalam, # :

# = $�

Ati =

4,5 LPM . 1 menit

60 s

1 m3

1000 L

2,96.10-4 m2 = 0,253 m/s

Re = ρh %2 dhi

µ =

985,38 kg/m3 0,253 m/s. 0,0172

5,04.10-4 kg/m.s = 8.507,96


∆P = ρm.g. ∆h

= 995,75 kg/m3.9,81 m/s2.0,023 m � 1 N

kg.m/s2 � 1 Pa

1N/m2

= 224,67 Pa


ƒ = ∆P

Ltdhi

ρh '�(.

2

= 224,67 Pa

2,002m0,0172 m

985,38 kg/m3 �0,253 m/s"2

2

2

= 0,06

o. Efektivenes penukar kalor

Ch = �� . Cp,h =7,39.10-2 kg/s . 4.182,22 J/kgoC = 309,06 J/soC

Cc = �� . Cp,c =7. 10-2 kg/s . 4.178 J/kgoC = 292,46 J/soC


c = Cmin/Cmaks= 0,946

ɛ = Qh

Qmaks =

Qh

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

2.719,78 W

292,46 J/s°C (60,3 - 28,7)°C = 0,29

NTU = Uo Ao

Cmin =

815,12 W/m2 oC . 1,48.10-1 m2

292,46 J/sC = 0,41

NTU = 1

c-1 ln � ε-1

ε c-1 =

1

0,946-1 ln � 0,29 -1

0,29 .0,946 -1 = 0,40


commit to user

86


LPM dengan perforated twisted tape insert II.



- Temperatur air keluar pipa dalam (Th,out) : 51,8 oC

- Temperatur air masuk annulus (Tc,in) : 28,1 oC

- Temperatur air keluar annulus (Tc,out) : 36,7 oC


- Laju aliran massa air masuk annulus (�� ) : 0,07 kg/s



Tb,i = Thi+ Tho

2 =

60,5 + 51,8

2 = 56,2 oC = 329,2 K


ρh = 984,75 kg/m3

Cp,h = 4.183,66 J/kg.oC

ki = 0,649 W/m. oC

µ = 4,96.10-4 kg/m.s

Pr = 3,196


Tb,o = Tci+ Tco

2 =

28,1 + 36,7

2 = 32,4 oC = 305,4 K


ρc = 994,87 kg/m3

Cp,c = 4.178 J/kg. oC

ko = 0,621 W/m. oC

µ = 7,63.10-4 kg/m.s


�� = ρh. �4 = 984,75 kg/m3 . � 4,5 LPM

60 s.1000m3 = 7,38.10-2 kg/s


commit to user

87


Qh = �� C p,h .(Th,in – Th,out)

= 7,38.10-2 kg/s .4.183,66 J/kg. oC . (60,5 – 51,8) oC

= 2.686,16 W


= 7. 10-2 kg/s . 4.178 J/kg. oC . (36,7 – 28,1) oC

= 2.515,16 W



c� = �2686,16 W – 2515,16 W� = 171,00 W


Qh�.100%

= 171,00

2686,16 .100% = 6,36 %


T�wall = 54,7 + 52,9 + 51,1 + 49,5 + 49,2 + 46,9 + 47,0 + 47,7 + 44,3 + 40,9

10

= 48,4 oC

ho = Qc

Ao . (T�w,o- Tb,o) =

2515,16 W

1,48.10-1 m2. (48,4 – 32,4)oC

= 1.062,14 W/m2 oC


Nuo = ho.Dha

ko =

1.062,14 W/m2 oC . 3,25.10-3

0,621 W/m. oC = 5,56

g. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam, berdasarkan luas permukaan

dalam pipa dalam , Ui:


Ui = 6� 7.Cp,h . �Th,i- Th,o�

Ai . ∆TLMTD =

Qh

Ai . ∆TLMTD


commit to user

88

Ui = Qh


Ui = 2686,16 W

1,37.10-1 m2 . � �60,5- 36,7 �-�51,8-28,1�ln ��60,5- 36,7 �/�51,8-28,1��

= 825,56 W/m2 oC


hi = 1� 1

Ui - a.ln(b a)⁄

km - a

b.ho�

hi =1

1825,56 W/m2 oC

–

17,2.10-3m.2 ln � 18,5.10-3m

17,2 .10-3m�

237 W/m2 oC –

1,72.10-2/2 m

1,85.10-2/2 m 1.062,14 W/m2 oC

hi = 3.000,18 W/m2 oC



1

Uo.Ao =

1

hi.Ai+

ln� !⁄ "8kL

+1

ho.Ao

Uo = 1

2b2a hi

+ b . ln�2b

2akm

+ 1

ho

Uo = 1

1,85.10-2 m

1,72.10-2 m 3.000,18W/m2 oC +

1,85.10-2 2 m. ln �1,85.10-2

1,72.10-2 �

237 W/m2 oC +

1 1.062,14 W/m2 oC

Uo = 767,55 W/m2 oC


Nui = hi .dhi

ki =

3000,18 W/m2.oC. 0,0172

0,649 W/m. oC = 79,51


commit to user

89

k. Validasi bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam penukar kalor saluran persegi

dengan korelasi Manglik–Berges Ø2 = , π

π - 4t/di-0,8 ,π + 2 - 2t/di

π - 4t/di- .

0,2

= / π

π- 4.7,6. 10-4

1,261 . 10-2

00,80

/π + 2- 2.7,6.10-4

1,261 .10-2

π - 4.7,6.10-4

1,261 . 10-2

00,20

= 1,19

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

H ] Ø2

= 0,023. 8639,590,8. 3,190,4 [1+0,769. 2. 0,0172

0,0503]. 1,19

= 93,65

% error = 1Nui Perforated II- Nui Manglik-Berges


= 79,39 – 93,65

93,65 100%

= 15,22 %

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

Kecepatan rata-rata aliran air di pipa dalam, #

# = V�

At,i =

4,5 LPM . 1 menit

60s1 m3

1000L

2,96.10-4 m2 = 0,253 m/s

Re = ρh %2 dhi

µ =

984,75 kg/m3 0,253 m/s. 1,72.10-2

4,96.10-4 kg/m.s = 8.639,59


∆P = ρm.g. ∆h


commit to user

90

∆P = 995,75 kg/m3. 9,81 m/s2. 0,034 m � 1 N

Kg.m/s2 � 1 Pa

1N/m2= 332,12 Pa


ƒ = ∆P

Ltdhi

ρh '�(.

2

= 332,12 Pa

2,002 m1,72 . 10-2

m

984,75 kg/m3 �0,253 m/s"2

2

= 0,09


Ch = �� . Cp,h =7,38 10-2 kg/s . 4.183,66 J/kgoC = 308,75 J/s oC

Cc = �� . Cp,c = 7. 10-2 kg/s . 4.178 J/kgoC = 292,46 J/s oC



ε = Qh

Qmaks =

Qh

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

2.686,16 W

292,46 J/s°C (60,5 - 28,1)°C = 0,28

NTU = Uo AoCmin

= 767,55 (W/m2C) . 1,48.10-1 m2

292,46 J/sC = 0,38

NTU = 1

c-1 ln � ε-1

ε.c-1 =

1

0,947-1 ln � 0,28 -1

0,475.0,470-1 = 0,36


LPM dengan classic twisted tape insert.







- Laju aliran massa air masuk annulus (�� ) : 0,07 kg/s


commit to user

91



Tb,i = Thi+ Tho

2 =

60,5 + 49,6

2 = 55,1 oC = 328,1 K


ρh = 985,39 kg/m3

Cp,h = 4.183,22 J/kg.oC

ki = 0,648 W/m. oC

µ = 5,04 10-4 kg/m.s

Pr = 3,255


Tb,o = Tci+ Tco

2 =

28,6 + 39,8

2 = 34,2 oC = 307,2 K


ρc = 994,15 kg/m3

Cp,c = 4.178 J/kg. oC

ko = 0,623 W/m. oC

µ = 7,36. 10-4 kg/m.s


�� = ρh. �� = 985,39 kg/m3 . � 4,5 LPM

60 s.1000 m3 = 7,39.10-2 kg/s


Qh = �� Cp,h .(Th,in – Th,out)

= 7,39.10-2 kg/s . 4.183,22 J/kg. oC . (60,5 - 49,6) oC

= 3.369,62 W


= 7. 10-2 kg/s . 4.178 J/kg. oC . (39,8 – 28,6) oC

= 3.275,55 W



c� = �3.369,62 W – 3.275,55 W� = 94,07 W


commit to user

92


Qh�.100% = 94,07

3.369,62 .100% = 2,79 %


Twall = 54,8 + 53,3 + 49,2 + 49,1 + 50,1 + 47,5 + 47,3 + 47,4 + 45,7 + 42,3

10

= 48,7 oC

ho = Qc

Ao . (Ťw,o- Tb,o) =

3.275,55 W

1,48.10-1 m2. (48,7 – 34,2) = 1526,35 W/m2 oC


Nuo = ho.Dha

ko =

1526,35 W/m2 oC . 3,25.10-3

0,623 W/m. oC = 7,96

g. Koefisien perpindahan panas overall pipa dalam berdasarkan luas permukaan

dalam pipa dalam , Ui:


Ui = m� h . Cp,h . �Th,i- Th,o�

Ai . ∆TLMTD =

Qh

Ai . ∆TLMTD

Ui = Qh


Ui = 3369,62 W

1,37.10-1m2.� �60,5- 39,8 �-�49,6-28,6�ln ��60,5- 39,8 �/�49,6-28,6�� = 1.179,74 W/m2 oC


hi = 1� 1

Ui - a.ln(b a)⁄

km - a

b.ho�

hi = 1

11179,74W/m2 oC

–

17,2 . 10-3m2 ln � 18,5.10-3m

17,2 .10-3m�

237 W/m2 oC –

1,72.10-2/2 m

1,85.10-2/2 m 1526,35 W/m2 oC


commit to user

93

hi = 4.239,83 W/m2 oC



1

Uo.Ao =

1

hi.Ai+

ln� !⁄ "8kL

+1

ho.Ao

Uo = 1

2b2a hi

+ b . ln�2b

2akm

+ 1

ho

Uo = 1

1,85.10-2 m

1,72.10-2 m 4239,43 W/m2 oC +

1,85.10-2 2 m.ln �1,85.10-2

1,72.10-2 �

237 W/m2 oC +

1

1526,35 W/m2 oC

Uo = 1096,84 W/m2 oC


Nui = hi . dhi

ki =

4239,83 W/m2.oC . 1,72.10-2

0,648 W/m. oC = 112,53

k. Validasi bilangan Nusselt rata-rata pipa dalam penukar kalor saluran persegi

dengan persamaan Manglik-Berges.

Ø2 = , π

π - 4t/di-0,8 ,π + 2 - 2t/di

π - 4t/di- .

0,2

= / π

π- 4.7,6. 10-4

1,261 . 10-2

00,80

/π + 2- 2.7,6.10-4

1,261 .10-2

π - 4.7,6.10-4

1,261 . 10-2

00,20

= 1,19

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

H ] Ø2

= 0,023. 8507,980,8. 3,250,4. [1+ 0,769. 2. 1,72 . 10-2m

5,03. 10-2 m ]. 1,19

= 93,20


commit to user

94

% error = 1Nui Classic- Nui Manglik-Berges


= 112,53 – 93,2093,20 100%

= 20,73 %

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

Kecepatan rata-rata aliran air di pipa dalam, #:

#:= ;�

At,i =

4,5 LPM . 1 menit

60 s 1 m3

1000L

2,96.10-4 m2 = 0,253 m/s

Re = ρh %2 dhi

µ =

985,39 kg/m3 0,253 m/s.1,72 . 10-2m

5,04. 10-4 kg/m.s = 8507,98


∆P = ρm.g. ∆h

= 995,75 kg/m3. 9,81 m/s2. 39.10-3 m � 1 N

kg.m/s2 � 1 Pa

1N/m2

= 380,96 Pa


ƒ = ∆P

Ltdhi

ρh '�(.

2

= 380,96 Pa

2,002 m0,0172 m

985,39 kg/m3 �0,253 m/s"2

2

= 0,10


Ch = �� . cp,h =7,39 10-2 kg/s . 4.183,22 J/kgoC = 309,14 J/s oC

Cc = �� . cp,c = 7. 10-2 kg/s . 4.178 J/kgoC = 292,46 J/s oC

Ch< Cc , Cmin = Cc = 292,46 J/s oC ; Cmaks= Ch = 309,14 J/s oC



commit to user

95

ε = Qh

Qmaks =

Qh

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

3.369,62 W

292,46 J/s°C (60,5-28,6)°C = 0,361

NTU = Uo Ao

Cmin =

1096,84 (W/m2C) . 1,48.10-1 m2

292,46 J/sC = 0,56

NTU = 1

c-1 ln � ε-1

ε.c-1 =

1

0,946-1 ln � 0,361-1

0,361.0,946-1 = 0,56

4.2.5. Daya pemompaan (Pumping power)

Pumping power dapat ditentukan dengan persamaan = �� . ∆P

Contoh perhitungan pumping power variasi classic twisted tape insert 4,5 LPM:

Pumping power = � 4,5 LPM

60 s.1000 m3. 380,96 Pa

= 7,5. 10-5 m3/s . 380,96 Pa

= 2,86.10-2 Pa.m3/s = 2,86.10-2 W

Tabel 4.5. Data pengujian pumping power penukar kalor saluran persegi dengan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert (plain tube)

LPM Pumping Power (W)

classic perforated 1 perforated 2 plain tube

2,0 0,00683 0,00390 0,00586 0,00195

2,5 0,01016 0,00529 0,00813 0,00325

3,0 0,01317 0,00732 0,01122 0,00488

3,5 0,01935 0,01138 0,01423 0,00683

4,0 0,02277 0,01431 0,01952 0,00813

4,5 0,02854 0,01683 0,02488 0,01025

5,0 0,03415 0,02114 0,03171 0,01301

5,5 0,04025 0,02505 0,03131 0,01610

6,0 0,04782 0,03123 0,04099 0,01854

6,5 0,05286 0,03594 0,04969 0,02114

7,0 0,06148 0,03985 0,05920 0,02846

7,5 0,07319 0,04879 0,06831 0,03537

8,0 0,08717 0,05725 0,07807 0,04164

8,5 0,10368 0,06221 0,08848 0,04839

9,0 - - - 0,05123

9,5 - - - 0,04944

10,0 - - - 0,05530


commit to user

96

Perbandingan angka Nusselt, faktor gesekan, unjuk kerja termal,

efektivenes dan NTU dari penukar kalor dengan penambahan twisted tape insert

dan tanpa twisted tape insert ditentukan pada daya pemompaan yang sama : �V� . ∆P�p = �V� . ∆P�

s

Nilai daya pemompaan dari masing-masing variasi percobaan dapat dilihat pada

tabel 4.5. Unjuk kerja termal dari penukar kalor dapat ditentukan dengan:

η = �hi, s

hi, p�p

4.2.6. Menentukan hi , η, Re, Nui, f, ε, NTU pada daya pemompaan yang sama

a. Menentukan nilai koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa

dalam, hi pada daya pemompaan yang sama

Hubungan hi dengan daya pemompaan (pumping power) untuk penukar

kalor dengan penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat

dapat dilihat pada gambar 4.2

Gambar 4.2. Grafik hubungan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata

di pipa dalam dengan pumping power

hi= 13708. P0,4286

R² = 0,9851

hi = 19453. P0,4958

R² = 0,9716

hi = 21200. P0,5136

R² = 0,9744

hi = 20538 P0,476

R² = 0,952

0

2000

4000

6000

8000

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12

hi(W

/m² °C

)

Pumping Power, P (W)

Plain tube

Perforated I

Perforated II

Classic

Power (Plain tube)

Power (Perforated I)

Power (Perforated II)

Power (Classic)


commit to user

97

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 pumping power = 2,86.10-2 W

• hi, plain tube = 13708 . (2,86.10-2)0,4286 = 2987,94 W/m2 °C

• hi, Perforated I = 19453. (2,86.10-2)0,4958 = 3339,28 W/m2 °C

• hi, Perforated II = 21200. (2,86.10-2)0,5136 = 3416,06 W/m2 °C

• hi, Classic = 20538. (2,86.10-2)0,476 = 3778,55 W/m2 °C

b. Menentukan unjuk kerja termal penukar kalor (η)

Contoh perhitungan η pada pumping power = 2,86.10-2 W

� Perforated twisted tape 1 :

η = �hi, perforated 1

hi, plain tube � = � 3339,28 W/m2 °C

2987,94 W/m2 °C = 1,12

� Perforated twisted tape 2 :

η = �hi, perforated 2

hi, plain tube � = � 3416,06 W/m2 °C

2987,94 W/m2 °C = 1,14

� Classic twisted tape :

η = �hi,classic twisted tape

hi, plain tube � = �3778,55 W/m2 °C

2987,94 W/m2 °C = 1,26

c. Menentukan bilangan Reynolds di pipa dalam pada pumping power yang sama:

Hubungan Re dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan

penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dapat dilihat

pada gambar 4.3.


commit to user

98

Gambar 4.3. Grafik hubungan bilangan Reynolds di pipa dalam dengan pumping power

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 pumping power = 2,86.10-2 W

• Re, plain tube = 74135. (2,86.10-2)0,4732 = 13.790,36

• Re, Perforated I = 73582. (2,86.10-2)0,5332 = 11.058,75

• Re, Perforated II = 64098. (2,86.10-2)0,5428 = 9.310,22

• Re, Classic = 64800. (2,86.10-2)0,5728 = 8.460,21

d. Menentukan bilangan Nusselt rata-rata (Nui) pada pumping power yang sama:

Hubungan Nui dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan

penambahan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert dapat dilihat pada

gambar 4.4.

Re= 74135. P0,4732

R² = 0,9877Re = 73582. P0,5332

R² = 0,9969

Re = 64098. P0,5428

R² = 0,994

Re = 64800. P0,5728

R² = 0,9961

0

5000

10000

15000

20000

25000

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12

Re

Pumping Power, P(W)

Plain tubePerforated IPerforated IIClassicPower (Plain tube)Power (Perforated I)Power (Perforated II)Power (Classic)


commit to user

99

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

dengan pumping power

Bilangan Nusselt rata-rata (Nui) 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 Nui pada pumping power = 2,86.10-2 W

• Nui, plain tube = 358,87. (2,86.10-2)0,4258 = 79,00

• Nui, Perforated I = 511,05. (2,86.10-2)0,4932 = 88,54

• Nui, Perforated II = 557,48. (2,86.10-2)0,5114 = 90,53

• Nui, Classic = 539,77. (2,86.10-2)0,4735 = 100,30

e. Menentukan nilai (Nui)s/(Nui)p, pada pumping power yang sama:

� Contoh perhitungan (Nui)s/(Nui)p, pada perforated twisted tape insert I:

Nui, Perforated I

Nui, Plain tube = 88,54

79,00 = 1,12

Nu= 358,87. P0,4258

R² = 0,9849

Nu= 511,05 P0,4932

R² = 0,9714Nu = 557,48 P0,5114

R² = 0,9744

Nu = 539,77P0,4735

R² = 0,9518

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12

Nui




commit to user

100

� Contoh perhitungan (Nui)s/(Nui)p pada perforated twisted tape insert II:

Nui, Perforated II


79,00 = 1,15

� Contoh perhitungan (Nui)s/(Nui)p pada classic twisted tape insert:

Nui, Classic


79,00 = 1,27

f. Menentukan nilai faktor gesekan ( f ), pada pumping power yang sama:

Hubungan f dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan


gambar 4.5. Nilai f pada daya pemompaan yang sama dapat dicari dengan



Gambar 4.5. Grafik hubungan faktor gesekan di pipa dalam dengan pumping power

Contoh perhitungan faktor gesekan ( f ) pada pumping power = 2,86.10-2 W

• f, plain tube = 0,013 .(2,86.10-2)-0,20 = 0,026

• f, Perforated I = 0,007. (2,86.10-2)-0,52 = 0,044

• f, Perforated II = 0,011. (2,86.10-2)-0,56 = 0,080

• f, Classic = 0,011. (2,86.10-2)-0,63 = 0,103

ƒ = 0,013.P-0,20

R² = 0,934

ƒ= 0,007.P-0,52

R² = 0,975

ƒ= 0,011.P-0,56

R² = 0,960

ƒ = 0,011.P-0,63

R² = 0,974

0,0

0,1

0,2

0,3

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12

ƒ




commit to user

101

g. Menentukan nilai ( f )s/( f )p, pada pumping power yang sama:

Untuk pumping power = 2,86.10-2 W

� Contoh perhitungan ( f )s/( f )p pada perforated twisted tape insert I:

f , Perforated I

f, Plain tube = 0,044

0,026 = 1,69

� Contoh perhitungan ( f )s/( f )p pada perforated twisted tape insert II:

f , Perforated II f, Plain tube =

0,080

0,026 = 3,08

� Contoh perhitungan ( f )s/( f )p pada classic twisted tape insert:

f

, Classic

f, Plain tube

= 0,103

0,026 = 3,96

h. Menentukan efektivenes penukar kalor (ε) pada pumping power yang sama:

Hubungan ε dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan


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



Gambar 4.6. Grafik hubungan efektivenes penukar kalor dengan pumping power

ε = 0.0793 P-0.247

R² = 0.9576

ε = 0.0765 P-0.325

R² = 0.9863

ε = 0.0707 P-0.356

R² = 0.9773

ε = 0.1102 P-0.311

R² = 0.9909

ε = 0.4332P0.1202

R² = 0.9312

ε = 0.4589 P0.1036

R² = 0.923

ε = 0.6718 P0.2372

R² = 0.9675

ε = 0.6398 P0.1613

R² = 0.9893

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12

εPlain tubePerforated 1Perforated IIClassicPower (Plain tube)Power (Perforated 1)Power (Perforated II)Power (Classic)



commit to user

102

Contoh perhitungan efektivenes penukar kalor (ε) pada pumping power 2,86.10-2

W

• ε, plain tube = 0,4332.( 2,86.10-2)0,1202 = 0,28

• ε, Perforated I = 0,4589. (2,86.10-2)0,1036 = 0,32

• ε, Perforated II = 0,6178. (2,86.10-2)0,2372 = 0,27

• ε, Classic = 0,6398. (2,86.10-2)0,1613 = 0,36

i. Menentukan NTU penukar kalor pada pumping power yang sama:

Hubungan NTU dengan daya pemompaan untuk penukar kalor dengan


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



Gambar 4.7. Grafik hubungan NTU penukar kalor dengan pumping power

Contoh perhitungan NTU pada pumping power 2,86.10-2 W

• NTU, plain tube = 0,550.( 2,86.10-2)0,112 = 0,37

• NTU, Perforated I = 0,564. (2,86.10-2)0,072 = 0,44

• NTU, Perforated II = 1,048. (2,86.10-2)0,299 = 0,36

• NTU, Classic = 1,007.( 2,86.10-2)0,171 = 0,55

NTU = 0,086 P-0,28

R² = 0,961

NTU = 0,080 P-0,39

R² = 0,981

NTU = 0,072 P-0,42

R² = 0,974

NTU = 0,132 P-0,36

R² = 0,985

NTU = 0,550 P0,112

R² = 0,872

NTU = 0,564 P0,072

R² = 0,843

NTU = 1,048 P0,278

R² = 0,954

NTU = 1,007 P0,171

R² = 0,988

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14

NT

U

Pumping Power, P(W)

Plain Tube

Perforated I

Perforated II

Classic

Power (Plain Tube)

Power (Perforated I)

Power (Perforated II)

Power (Classic)


commit to user

103

Tabel 4.6. Data pengujian penukar kalor saluran persegi dengan twisted tape insert dan tanpa twisted tape insert pada pumping power yang sama

Pumping Power

.10-3 (W)

hi (W/m2 °C) ηηηη Re

Classic Perforated II Perforated I Plain Classic Perforated I Perforated II Classic Perforated II Perforated I Plain

6,83 1913,23 1637,28 1641,80 1617,45 1,18 1,02 1,01 3740,20 4296,65 5158,77 7024,32

10,16 2308,57 2008,10 1999,44 1917,87 1,21 1,04 1,05 4695,04 5329,61 6376,15 8473,96

13,17 2612,02 2294,14 2273,73 2143,29 1,22 1,06 1,07 5445,64 6133,77 7321,11 9577,14

19,35 3137,24 2795,26 2751,49 2527,46 1,25 1,09 1,11 6785,92 7555,70 8987,13 11483,89

22,77 3389,73 3038,59 2982,38 2709,79 1,26 1,10 1,12 7446,99 8251,44 9800,33 12399,47

28,54 3778,55 3412,57 3339,28 2987,84 1,26 1,12 1,14 8460,21 9310,22 11058,75 13790,36

34,15 4111,85 3742,08 3646,43 3224,10 1,29 1,13 1,16 9390,86 10279,49 12164,59 15014,76

40,25 4446,56 4071,56 3955,91 3459,33 1,30 1,14 1,18 10316,22 11236,89 13277,92 16225,51

47,82 4826,57 4447,99 4308,43 3724,25 1,31 1,16 1,19 11383,88 12335,95 14554,05 17599,11

52,86 5062,61 4683,00 4527,97 3887,75 1,32 1,16 1,20 12055,72 13024,75 15352,83 18451,84

55,30 5172,59 4792,79 4630,41 3963,67 1,32 1,17 1,21 12370,91 13347,20 15726,53 18849,03


commit to user

104

Lanjutan tabel 4.6. Pumping

Power .10-3 (W)

Nui Nu/Nup f

plain perforated II perforated I classic perforated II perforated I classic plain perforated II perforated I classic

6,83 42,94 43,53 43,69 50,91 1,01 1,01 1,18 0,035 0,180 0,094 0,254 10,16 50,86 53,34 53,16 61,46 1,05 1,04 1,21 0,033 0,144 0,076 0,198 13,17 56,79 60,90 60,41 69,49 1,07 1,06 1,23 0,031 0,124 0,067 0,168 19,35 66,90 74,15 73,03 83,37 1,11 1,09 1,25 0,029 0,100 0,054 0,132 22,77 71,70 80,57 79,12 90,04 1,13 1,11 1,27 0,028 0,091 0,050 0,119 28,54 79,00 90,53 88,54 100,30 1,15 1,12 1,27 0,026 0,080 0,044 0,103 34,15 85,21 99,14 96,64 109,09 1,17 1,14 1,29 0,026 0,073 0,041 0,092 40,25 91,38 107,83 104,80 117,92 1,19 1,15 1,31 0,025 0,066 0,037 0,083 47,82 98,33 117,75 114,08 127,93 1,21 1,17 1,32 0,024 0,060 0,034 0,075 52,86 102,62 123,94 119,87 134,15 1,22 1,18 1,33 0,023 0,057 0,032 0,070 55,30 104,61 126,84 122,56 137,05 1,23 1,18 1,33 0,023 0,056 0,032 0,068


commit to user

105

Lanjutan tabel 4.6. Pumping

Power .10-3 (W)

f / fp ε NTU

perforated II

perforated I classic Plain perforated I perforated II classic Plain perforated I perforated II classic

6,83 5,09 2,66 7,22 0,27 0,39 0,42 0,52 0,35 0,56 0,58 0,79

10,16 4,41 2,34 6,09 0,25 0,34 0,36 0,46 0,33 0,48 0,49 0,69

13,17 4,02 2,15 5,44 0,26 0,31 0,33 0,42 0,34 0,43 0,44 0,63

19,35 3,50 1,90 4,61 0,27 0,28 0,29 0,38 0,35 0,42 0,38 0,55

22,77 3,30 1,81 4,30 0,27 0,31 0,27 0,36 0,36 0,43 0,35 0,52

28,54 3,08 1,69 3,96 0,28 0,32 0,27 0,36 0,37 0,44 0,36 0,55

34,15 2,85 1,59 3,61 0,29 0,32 0,30 0,37 0,38 0,44 0,39 0,57

40,25 2,69 1,51 3,37 0,29 0,33 0,31 0,38 0,38 0,45 0,41 0,58

47,82 2,53 1,42 3,13 0,30 0,33 0,33 0,39 0,39 0,45 0,43 0,60

52,86 2,44 1,38 3,00 0,30 0,34 0,33 0,40 0,40 0,46 0,45 0,61

55,30 2,40 1,36 2,94 0,31 0,34 0,34 0,40 0,40 0,46 0,46 0,61


commit to user

106

4.3. Analisis Data

4.3.1 Uji Validitas Pipa Dalam Tanpa Twisted Tape Insert (Plain Tube).

Sebelum melakukan pengujian karakteristik perpindahan panas dan faktor

gesekan pada penukar kalor pipa konsentrik saluran persegi 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 Gnelienski dan persamaan Petukhov, 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 4.8. dan 4.9. Pada gambar 4.8, membandingkan

nilai Nu untuk plain tube dengan persamaan Dittus-Boelter, Gnelienski dan

Petukhov. Sedangkan pada gambar 4.9, membandingkan nilai faktor gesekan dari

plain tube dengan persamaan Blasius, Petukhov dan Colebrook.

Gambar 4.8. Grafik hubungan Nu dengan Re untuk plain tube.

0

20

40

60

80

100

120

0 5000 10000 15000 20000 25000

Nu,

i

Re

Plain Tube

Gnelienski

Petukhov

Dittus Boelter


commit to user

107

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 Gnelienski mempunyai

batasan 0,5 < Pr < 2.000 dan 3 x 103 < Re < 5.106. Dari gambar 4.8,

penyimpangan rata-rata nilai aktual Nu dari plain tube dengan korelasi Dittus-

Boelter sebesar 20,54%, Gnelienski sebesar 3,56%, sedangkan dengan korelasi

Petukhov sebesar 6,25%. Penyimpangan rata-rata nilai Nu dibandingkan dengan

korelasi Gnelienski 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 error

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.

Sedangkan untuk faktor gesekan, persamaan Blasius berlaku untuk pipa-

pipa halus di daerah turbulen ( Re > 4.000). Dari gambar 4.9, nilai faktor gesekan

dari plain tube menyimpang rata-rata sebesar 9,44% dari persamaan Blasius,

8,54% dari persamaan Petukhov dan 5,28% dari persamaan Colebrook. Nilai

penyimpangan faktor gesekan pada bilangan Reynolds < 10.000 cukup besar

(14,79%), 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 (4,16%), sehingga data faktor gesekan di pipa dalam dari penukar

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


commit to user

108

Gambar 4.9. Grafik hubungan faktor gesekan (f) dengan Re untuk plain tube.

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 persegi 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 I (diameter lubang 6,5 mm) dan perforated twisted tape insert

II (diameter lubang 4 mm). Pengaruh variasi bilangan Reynolds aliran air di pipa

dalam dan pengaruh penambahan twisted tape insert dengan classic twisted tape

insert dan perforated twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa

konsentrik saluran persegi dapat dilihat pada gambar 4.10. Karakteristik

perpindahan panas dari penukar kalor pipa konsentrik ini dapat dilihat dari

hubungan antara bilangan Nusselt (Nu) dengan bilangan Reynolds (Re).

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0 5000 10000 15000 20000 25000

f

Re

Plain Tube

Blasius

Petukhov

Colebrook

Transisi

Zone

Turbulen

Zone


commit to user

109

Gambar 4.10. Grafik hubungan antara Nui dengan Re

Manglik dan Bergles mengembangkan korelasi untuk classic twisted tape

insert di pipa bundar dalam daerah turbulen dan valid untuk temperatur dinding

konstan dan fluks kalor konstan. Dari hasil pengujian, perbedaan nilai rata-rata

Nui di pipa dalam dengan geometri persegi dengan persamaan Manglik-Bergles

adalah sebesar 13,01% untuk classic twisted tape insert, 22,47% untuk perforated

twisted tape insert I dan 7,27% untuk perforated twisted tape insert II. Perbedaan

nilai Nu dengan korelasi Manglik-Berges cukup signifikan terutama untuk

perforated twisted tape insert I, dimana diameter lubang paling besar. Hal ini

karena korelasi Manglik-Berges berlaku untuk twisted tape insert tanpa lubang

(classic twisted tape insert) di pipa bundar. Perbedaan ini semakin berkurang

dengan nilai Nu untuk perforated twisted tape insert II karena diameter lubang

semakin kecil. Nilai penyimpangan perforated twisted tape insert I cukup besar,

yang mengakibatkan berkurangnya aliran berputar yang mengalir sepanjang pipa

dalam yang akan menyebabkan penurunan kenaikan temperatur dinding pipa

dalam, sehingga nilai bilangan Nusselt-nya berkurang. Sedangkan nilai

penyimpangan classic twisted tape insert dan perforated twisted tape insert II

terhadap persamaan Manglik-Berges cukup kecil, sehingga data nilai Nu di pipa

dalam dari penukar kalor pipa konsentrik dengan twisted tape insert adalah valid.

Fenomena ini serupa dengan penelitian Marugesan dkk (2010) yang

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

Nu,

i

Re

Plain TubePerforated IPerforated IIClassicManglik ClassicManglik Perforated IManglik Perforated II


commit to user

110

membandingkan data penelitiannya dengan korelasi empirik Manglik-Berges, dan

diperoleh penyimpangan sebesar ±10%.

Dari gambar 4.10 dapat dilihat bahwa dengan semakin besar bilangan

Reynolds (Re), maka bilangan Nusselt rata-rata (Nu) akan semakin naik.

Kenaikan bilangan Nusselt berarti juga terjadi kenaikan perpindahan panas yang

terjadi di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik. Hal ini terjadi untuk ke

semua kasus, yaitu untuk plain tube, pipa dalam dengan classic twisted tape

insert, perforated twisted tape insert I dan perforated twisted tape insert II.

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. Hal ini berfungsi untuk (1) menambah waktu tinggal aliran

dalam penukar kalor, (2) mengurangi lapis batas termal, (3) menambah campuran

antara aliran inti dengan aliran dekat dinding. Pada bilangan Reynolds yang sama,

pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik dengan classic twisted tape insert,

bilangan Nusselt meningkat hingga 40,83% dibandingkan dengan pipa dalam

tanpa insert (plain tube). Pengaruh dari perforated twisted tape insert

menyebabkan aliran pada bagian tengah twisted tape insert tidak berputar, dimana

hal ini mengurangi perpindahan panas pada aliran downstream. Dari hasil

pengujian pipa dalam dengan perforated twisted tape insert I, bilangan Nusselt

yang dihasilkan 28,88% lebih rendah daripada pipa dalam dengan classic twisted

tape insert, akan tetapi lebih tinggi rata-rata 16,80% dari plain tube. Pengujian

dengan perforated twisted tape insert II, bilangan Nusselt yang dihasilkan 14,24%

lebih rendah daripada pipa dalam dengan classic twisted tape insert, akan tetapi

lebih tinggi rata-rata 31,00% dari plain tube. Fenomena ini serupa dengan

penelitian Rahimi dkk (2009) yang meneliti pengaruh berbagai modifikasi twisted

tape insert, dimana diperoleh hasil bahwa dengan penambahan classic twisted

tape insert menaikkan perpindahan panas hingga 64,70% sedangkan dengan


commit to user

111

penambahan perforated twisted tape insert menaikkan perpindahan panas hingga

39,07%.

Peningkatan laju perpindahan panas ini karena adanya fenomena lapisan

batas. 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 inti dari aliran. Karena hal tersebut lapisan batas 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. Turbulator ini menggangu aliran

sehingga lapisan batas termal tidak terbentuk.

Akan tetapi dengan penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari

penukar kalor pipa konsentrik, maka 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 4.11.

Gambar 4.11. Grafik hubungan antara Nui dengan Re pada daya pemompaan yang sama.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 5000 10000 15000 20000

Nu,

i

Re

Plain Tube

Perforated I

Perforated II

Classic


commit to user

112

Dari gambar 4.11., dapat dilihat bahwa pada daya pemompaan yang sama,

menyebabkan bilangan Reynolds akan berbeda untuk plain tube dengan pipa

dalam yang diberi twisted tape insert. Pada daya pemompaan yang sama, bilangan

Nusselt untuk pipa dalam dengan classic twisted tape insert naik rata-rata 27,21%

dibandingkan plain tube, dengan perforated twisted tape insert I bilangan Nusselt

naik rata-rata 12,41% dibandingkan plain tube, dan dengan perforated twisted

tape insert II bilangan Nusselt naik rata-rata 15,07% dibandingkan plain tube.

Pada daya pemompaan yang sama �V� .∆P�p = �V� .∆P�s penambahan classic

twisted tape insert di pipa dalam merupakan sebuah keuntungan dibandingkan

dengan penambahan perforated twisted tape insert, karena dapat meningkatkan

perpindahan panas lebih besar. Penambahan perforated twisted tape insert di pipa

dalam memberikan penurunan tekanan (∆P) yang lebih kecil di pipa dalam

dibandingkan dengan classic twisted tape insert, namun tidak menghasilkan

kenaikan perpindahan panas yang besar. Semakin besar lubang pada perforated

twisted tape akan menyebabkan penurunan tekanan yang lebih kecil, tetapi

menghasilkan kenaikan perpindahan panas yang semakin kecil juga. Hal ini

menjadi sebab mengapa classic twisted tape insert lebih baik dari perforated

twisted tape insert pada daya pemompaan yang sama.

4.3.3. Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Unjuk Kerja Termal

Unjuk kerja termal (η) didefinisikan sebagai perbandingan antara koefisien

perpindahan panas konveksi rata-rata dari pipa dalam dengan twisted tape insert

dengan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dari pipa dalam tanpa

twisted tape insert pada daya pemompaan yang sama. Pada penelitian ini

dianalisis nilai η dari pipa dalam dengan penambahan classic twisted insert dan

perforated twisted tape insert. Karakteristik unjuk kerja termal (η) untuk pipa

dalam dengan penambahan twisted tape insert dapat dilihat pada gambar 4.12.


commit to user

113

Gambar 4.12. Grafik hubungan η dengan Re pada daya pemompaan yang sama.

Dari gambar 4.12. dapat dilihat bahwa penambahan classic twisted tape

insert pada pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik menyebabkan unjuk

kerja termal yang lebih baik. Nilai η rata-rata pipa dalam dengan penambahan

classic twisted tape insert adalah 1,26. Sedangkan penambahan perforated twisted

tape insert I dan II di pipa dalam dapat meningkatkan η rata-rata sebesar 1,13 dan

1,11. Hal ini berarti bahwa pada daya pemompaan yang sama dengan plain tube,

nilai koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata dari pipa dalam dengan

penambahan twisted tape insert lebih besar dari nilai koefisien perpindahan panas

konveksi rata-rata dari plain tube.

Penambahan perforated twisted tape insert akan meningkatkan unjuk kerja

termal dari penukar kalor, semakin besar diameter lubang pada perforated twisted

tape insert akan menyebabkan semakin kecil peningkatan laju perpindahan panas

dan semakin kecil pula faktor gesekan yang terjadi. Unjuk kerja termal penukar

kalor menunjukkan perbandingan kenaikan perpindahan panas dengan

penambahan perforated twisted tape insert terhadap laju perpindahan panas plain

tube, dibandingkan kenaikan faktor gesekan dengan penambahan perforated

twisted tape insert terhadap faktor gesekan plain tube. Hasil penelitian

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

0 5000 10000 15000 20000 25000

η

Re

Perforated IPerforated IIClassicpp = Pumping power

pp 1 pp 2

pp 3pp 4

pp 1 = 6,83. 10 -³ Wpp 2 = 13,17. 10 -³ Wpp 3 = 22,77. 10 -³ Wpp 4 = 34,15. 10 -³ W


commit to user

114

menunjukkan bahwa unjuk kerja termal penukar kalor dengan penambahan

perforated twisted tape insert I (diameter lubang 6,5 mm) di pipa dalam sedikit

lebih besar dari penambahan perforated twisted tape insert I (diameter lubang 4,0

mm).

Penambahan classic twisted tape insert di pipa dalam menghasilkan unjuk

kerja termal penukar kalor terbesar. Hal ini disebabkan perbandingan antara laju

perpindahan panas dengan faktor gesekan pada penukar kalor yang diperoleh

dengan classic twisted tape insert menunjukan nilai yang lebih baik daripada yang

diperoleh dengan penambahan perforated twisted tape insert. Fenomena ini

serupa dengan penelitian Rahimi dkk (2009) yang meneliti berbagai twisted tape

insert yang dimodifikasi (jagged twisted tape insert, classic twisted tape insert,

notch twisted tape insert dan perforated twisted tape insert), pada perforated

twisted tape insert mempunyai unjuk kerja terendah. Hal ini menunjukkan bahwa

classic twisted tape insert lebih baik sebagai turbulator untuk pipa dalam dari

penukar kalor pipa konsentrik dalam peningkatan perpindahan panas 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 twisted tape insert dengan pipa dalam tanpa twisted tape insert

(plain tube). 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 4.13. Dari gambar 4.13, dapat dilihat bahwa pipa dalam

dari penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan classic twisted tape insert,

perforated twisted tape insert II, dan perforated twisted tape insert I mempunyai

nilai rasio bilangan Nusselt rata-rata berturut-turut 1,26, 1,13 dan 1,11. Ini

menunjukkan bahwa pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert

menghasilkan peningkatan perpindahan panas yang paling tinggi dibandingkan

dengan pipa dalam dengan perforated twisted tape insert pada daya pemompaan

yang sama.


commit to user

115

Gambar 4.13. Hubungan Nu/Nu,p dengan Re pada daya pemompaan yang sama

4.3.5. Pengaruh Penambahan Twisted Tape Insert Terhadap Efektivenes Penukar

Kalor (ε).

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

classic twisted tape insert dan perforated twisted tape insert I dan II di pipa dalam

dapat dilihat pada gambar 4.14.

Gambar 4.14. Grafik hubungan ε penukar kalor dengan NTU.

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

0 5000 10000 15000 20000 25000

│(N

u, i)

s ⁄

(Nu

, i)p│

pp

Re

Perforated IPerforated IIClassicpp = Pumping power

pp 1 pp 2

pp 3pp 4

pp 1 = 6,83. 10 -³ Wpp 2 = 13,17. 10 -³ Wpp 3 = 22,77. 10 -³ Wpp 4 = 34,15. 10 -³ W

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

ε

NTU

Plain Tube

Perforated 1

Perforated 2

Classic


commit to user

116

Gambar 4.14. merupakan grafik hubungan pengaruh twisted tape insert

terhadap efektivenes penukar kalor. Terlihat bahwa semakin besar NTU maka

akan semakin besar pula efektivenes penukar kalor tersebut. Sedangkan twisted

tape insert mempunyai efektivenes rata-rata yang lebih tinggi dibandingkan plain

tube, secara berturut turut adalah 0,404; 0,330; 0,334, dan 0,297 untuk classic

twisted tape insert, perforated twisted tape insert II , perforated twisted tape insert

I dan plain tube

Dari gambar 4.14. dapat dilihat bahwa semakin besar NTU maka semakin

besar pula efektivenes penukar kalor tersebut, dimana berlaku untuk plain tube

maupun pipa dalam dengan twisted tape insert. Dengan penambahan twisted tape

insert di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik dapat meningkatkan

efektivenes penukar kalor dibandingkan dengan pipa dalam tanpa twisted tape

insert (plain tube). Efektivenes rata-rata tertinggi diperoleh untuk pipa dalam

dengan penambahan classic twisted tape insert. Kenaikan NTU penukar kalor

dengan penambahan classic twisted tape insert sebesar 1,36 kali dibandingkan

dengan penukar kalor tanpa twisted tape insert, kenaikan NTU penukar kalor

dengan penambahan perforated twisted tape insert I sebesar 1,12 kali

dibandingkan dengan penukar kalor tanpa twisted tape insert dan kenaikan NTU

penukar kalor dengan penambahan perforated twisted tape insert II sebesar 1,11

kali dibandingkan dengan penukar kalor tanpa twisted tape insert. Penukar kalor

dengan classic twisted tape insert mempunyai nilai NTU lebih besar dari penukar

kalor dengan perforated twisted tape insert maupun plain tube, hal ini terjadi

karena classic twisted tape lebih banyak memberikan waktu tinggal yang lama di

penukar kalor sehingga akan menghasilkan koefisien perpindahan panas overall

yang pada akhirnya akan menghasilkan NTU lebih besar, begitu juga dengan

perforated twisted tape insert, dimana perforated twisted tape insert akan

memberikan waktu tinggal fluida lebih lama dari plain tube. Sehingga nilai NTU

penukar kalor dengan perforated twisted tape insert lebih besar dari plain tube.


commit to user

117

4.3.6. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Twisted Tape Insert Terhadap

Penurunan Tekanan (∆P).

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 yang lebih besar jika dibandingkan dengan

pipa dalam tanpa penambahan twisted tape insert (plain tube). Grafik pengaruh

bilangan Reynolds dan penambahan twisted tape insert terhadap nilai penurunan

tekanan dari penukar kalor pipa konsentrik dapat dilihat pada gambar 4.16.

Dari gambar 4.16 dapat dilihat bahwa dengan semakin besar bilangan

Reynolds, maka semakin besar pula penurunan tekanan yang terjadi pada penukar

kalor. Fenomena ini terjadi pada penukar kalor dengan twisted tape insert maupun

pada penukar kalor tanpa twisted tape insert. Penukar kalor pipa konsentrik

dengan penambahan twisted tape insert (classic dan perforated twisted tape

insert) di pipa dalam mempunyai nilai penurunan tekanan yang lebih tinggi

dibandingkan dengan penukar kalor pipa konsentrik tanpa penambahan twisted

tape insert di pipa dalamnya. 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. Penambahan classic twisted tape insert di pipa

dalam menghasilkan penurunan tekanan paling besar dibandingkan dengan

penambahan perforated twisted tape insert I dan II serta plain tube. Hal ini terjadi

karena kecepatan radial pada classic twisted tape insert akan lebih besar dari

perforated twisted tape insert, lubang pada perforated twisted tape insert akan

memberikan jalan lurus (aksial) sehingga kecepatan radialnya akan berkurang.

Besarnya kecepatan yang terjadi pada pipa dalam penukar kalor adalah

penjumlahan vektor antara kecepatan radial dan aksial. Dengan semakin besar

lubang pada perforated twisted tape insert, maka semakin kecil penambahan

kecepatan yang berakibat semakin kecilnya penurunan tekanan. Nilai penurunan

tekanan dengan penambahan classic twisted tape insert adalah 1,43 kali lebih

tinggi daripada plain tube, sedangkan dengan penambahan perforated twisted tape


commit to user

118

insert I dan II nilai penurunan tekanan adalah berturut-turut 1,11 dan 1,32 kali

lebih tinggi daripada plain tube.

Gambar 4.16. Grafik hubungan ∆P dengan Re pada daya pemompaan yang sama

4.3.7. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Twisted Tape Insert Terhadap Faktor

Gesekan (ƒ).

Pengaruh bilangan Reynolds aliran air di pipa dalam dan penambahan

classic twisted tape insert dan perforated twisted tape insert dapat dilihat pada

gambar 4.17. Dari gambar 4.17. dapat dilihat bahwa dengan kenaikan bilangan

Reynolds, nilai faktor gesekan pada pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik

semakin berkurang. Hal ini terjadi untuk plain tube maupun pipa dalam dengan

penambahan classic twisted tape insert dan perforated 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.

Dari gambar 4.17. dapat dilihat bahwa nilai faktor gesekan dari pipa

dalam dengan penambahan twisted tape insert mempunyai nilai yang lebih besar

dibandingkan pipa dalam tanpa twisted tape insert (plain tube). Dengan

0

100

200

300

400

500

600

0 5000 10000 15000 20000

∆P

Re

Plain Tube

Perforated I

Perforated II

Classic


commit to user

119

penambahan classic twisted tape insert, menjadikan faktor gesekan rata-rata pipa

dalam dari penukar kalor pipa konsentrik 3,19 kali lebih tinggi daripada faktor

gesekan plain tube. Sedangkan dengan penambahan perforated twisted tape insert

I dan II, faktor gesekan rata-rata dari pipa dalam dari penukar kalor pipa

konsentrik berturut-turut 1,89 dan 2,71 kali lebih tinggi daripada faktor gesekan

plain tube.

Gambar 4.17. Grafik hubungan f dengan Re.

Pengaruh penambahan twisted tape insert juga dianalisis pada daya

pemompaan yang sama, seperti terlihat pada gambar 4.18. 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 pada 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

4,51 kali lebih tinggi dari pada faktor gesekan plain tube. Sedangkan dengan

penambahan perforated twisted tape insert I dan II, faktor gesekan rata-rata dari

pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik 1,85 dan 3,41 kali lebih tinggi dari

pada faktor gesekan plain tube. Hal ini sesuai dengan hasil penurunan tekanan

(∆P) akibat penambahan classic twisted tape insert dan perforated twisted tape

0,0

0,1

0,2

0,3

0 5000 10000 15000 20000

f

Re

Plain Tube

Perforated I

Perforated II

Classic


commit to user

120

insert pada daya pemompaan yang sama (gambar 4.16), dimana nilai faktor

gesekan (f) berbanding lurus dengan nilai penurunan tekanan (∆P).

Gambar 4.18. Grafik hubungan f dengan Re pada daya pemompaan yang sama

4.3.8. Pengaruh Bilangan Reynolds dan Twisted Tape Insert Dengan 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 4.19.

Gambar 4.19 Grafik hubungan f/fp dengan Re pada daya pemompaan yang sama

0,0

0,1

0,2

0,3

0 5000 10000 15000 20000

f

Re

Plain Tube

Perforated I

Perforated II

Classic

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5000 10000 15000 20000

f / f

p

Re

Perforated I

Perforated II

Classic


commit to user

121

Dari gambar 4.19, terlihat bahwa dengan kenaikan bilangan Reynolds,

maka nilai rasio faktor gesekan semakin berkurang. Hal ini sesuai dengan

hubungan faktor gesekan dengan bilangan Reynolds, dimana semakin besar

bilangan Reynolds, maka nilai faktor gesekan semakin turun. Dari gambar 4.19,

dapat dilihat bahwa pipa dalam dengan penambahan twisted tape insert akan

menghasilkan rasio faktor gesekan yang nilainya lebih besar dari 1. Hal ini

menunjukkan bahwa dengan penambahan twisted tape insert akan meningkatkan

nilai faktor gesekan dari pipa dalam. Penambahan classic twisted tape insert pada

pipa dalam, menghasilkan rasio faktor gesekan yang lebih tinggi dibandingkan

dengan penambahan perforated twisted tape insert. Nilai rasio faktor gesekan

rata-rata dari pipa dalam dengan penambahan classic twisted tape insert adalah

6,65, sedangkan dengan penambahan perforated twisted tape insert I dan II adalah

2,63 dan 4,73 kali lebih tinggi daripada tanpa twisted tape insert.


commit to user 122

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan analisis data dan pembahasan mengenai pengujian

karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor pipa

konsentrik saluran persegi (rectangular) dengan penambahan classic twisted tape

insert dan perforated twisted tape insert di pipa dalam penukar kalor saluran

persegi, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:

1. Semakin besar bilangan Reynolds maka semakin besar pula laju

perpindahan panas yang terjadi pada penukar kalor pipa konsentrik dengan

sisipan di pipa dalam dengan classic twisted tape insert dan perforated

twisted tape insert

2. Pada bilangan Reynolds yang sama, penambahan classic twisted tape

insert di pipa dalam menaikkan bilangan Nusselt rata-rata sebesar 40,83 %

daripada plain tube, penambahan perforated twisted tape insert I akan

menaikkan bilangan Reynolds rata-rata sebesar 16,80%, dan penambahan

perforated twisted tape insert II menaikkan bilangan Nusselt rata-rata

sebesar 31% daripada plain tube.

3. Pada daya pemompaan yang sama, penambahan classic twisted tape insert

di pipa dalam menaikkan bilangan Nusselt rata-rata sebesar 27,21%

daripada plain tube, perforated twisted tape insert I akan menaikkan

bilangan Nusselt rata-rata sebesar 12,41%, dan penambahan perforated

twisted tape insert II menaikkan bilangan Nusselt sebesar 15,07% daripada

plain tube.

4. Pada daya pemompaan yang sama, unjuk kerja termal (η) menggunakan

classic twisted tape insert lebih tinggi daripada menggunakan perforated

twisted tape insert. Unjuk kerja termal rata-rata dengan penambahan

classic twisted tape insert adalah 1,26, untuk perforated twisted tape

insert I nilai η rata-rata adalah 1,13, dan untuk perforated twisted tape

insert II nilai η rata-rata adalah 1,11


commit to user

123

5. Penambahan twisted tape insert di pipa dalam mengakibatkan kenaikan

penurunan tekanan. Pada daya pemompaan yang sama, nilai penurunan

tekanan dengan penambahan classic twisted tape insert adalah 1,43 kali

lebih tinggi daripada plain tube, dengan penambahan perforated twisted

tape insert I dan II, nilai penurunan tekanan adalah berturut-turut 1,11 dan

1,32 kali lebih tinggi dari pada plain tube.

6. Semakin besar bilangan Reynolds maka semakin kecil faktor gesekan di

pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik. Pada bilangan Reynolds

yang sama, penambahan classic twisted tape insert, perforated twisted

tape insert I, dan perforated twisted tape insert II berturut-turut

meningkatkan faktor gesekan rata-rata pipa dalam dari penukar kalor pipa

konsentrik 3,19;1,89 dan 2,71 kali lebih tinggi dari pada faktor gesekan

plain tube. Pada daya pemompaan yang sama, penambahan classic twisted

tape insert, perforated twisted tape insert I, dan perforated twisted tape

insert II berturut-turut meningkatkan faktor gesekan rata-rata pipa dalam

dari penukar kalor pipa konsentrik 4,51;1,85 dan 3,41 kali lebih tinggi

daripada faktor gesekan plain tube.

7. Dengan penambahan twisted tape insert di pipa dalam dari penukar kalor

pipa konsentrik dapat meningkatkan efektivenes penukar kalor

dibandingkan dengan pipa dalam tanpa twisted tape insert (plain tube).

Penukar kalor pipa konsentrik dengan penambahan classic twisted tape

insert di pipa dalam, mempunyai efektivenes rata-rata sebesar 40,4%,

dengan penambahan perforated twisted tape insert I mempunyai

efektivenes rata-rata sebesar 33,4%, dan penambahan perforated twisted

tape insert II mempunyai efektivenes rata-rata sebesar 33%. Penukar kalor

pipa konsentrik tanpa penambahan twisted tape insert di pipa dalam

mempunyai efektivenes rata-rata sebesar 29,7%.

5.2 Saran

Berdasarkan pengalaman yang diperoleh pada saat penelitian pengujian

karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar kalor pipa


commit to user

124

konsentrik saluran persegi dengan classic twisted tape insert dan perforated

twisted tape insert, menyarankan untuk diadakan pengembangan penelitian

dengan modifikasi twisted tape insert misalnya; broken twisted tape insert,

regularly spaced twisted tape insert, notched twisted tape insert, jagged twisted

tape insert dan sebagainya.

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK · PDF fileSKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat...

Documents

Transcript of JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK · PDF fileSKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat...