PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN …... · Investigation on Heat Transfer and Friction...

PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI INLINE CYLINDRICAL

PIN FIN ARRAY DALAM RECTANGULAR CHANNEL

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh:

MAHMUDIN HUDA NIM: I0404048

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA 2009

PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN PENURUNAN TEKANAN DARI INLINE CYLINDRICAL PIN FIN

ARRAY DALAM RECTANGULAR CHANNEL

Disusun oleh:

Mahmudin Huda NIM. I0404048

Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II Tri Istanto, S.T., M.T. Wibawa Endra J., S.T., M.T. NIP. 19730820 200012 1 001 NIP. 19700911 200003 1 001 Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari Selasa tanggal 28 Juli 2009. 1. Ir. Santoso, M.Eng.Sc. ............................................. NIP. 19450824 198012 1 001 2. Syamsul Hadi, S.T., M.T. ............................................. NIP. 19710615 199802 1 002 3. Eko Prasetya Budiana, S.T., M.T. ............................................. NIP. 19710926 199903 1 002

Mengetahui: Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir Dody Ariawan, S.T., M.T. Syamsul Hadi, S.T., M.T. NIP. 19730804 199903 1 003 NIP. 19710615 199802 1 002

PERSEMBAHAN

Kepada mereka yang telah berjasa, kepada mereka pula aku persembahkan

hasil jerih payahku selama menempuh jenjang S1 ini yaitu sebuah skripsi yang

akan menjadi karya terbesarku selama ini sehingga aku lulus dari Universitas

Sebelas Maret ini dengan gelar Sarjana Teknik. Mereka adalah:

1. Dengan nama-Nya yang telah menciptakan alam semesta dan seisinya.

Segala puji bagi Allah, tidak ada daya dan upaya kecuali dengan-Nya.

Allahlah pemilik segala keagungan, kemuliaan, kekuatan dan keperkasaan.

2. Bapak Sumadi, Ibu Siti Maryam, karena beliaulah penulis terlahir di dunia

dengan kelebihan dan kekurangannya.

3. Adikku Khoirun Nisa dan kakakku Nur Qomarudin (kalian adalah harta

yang tak ternilai).

4. Mr. 3G and Prof. Bawa, yang telah mensupport material (makan-makan),

spiritual, dan membimbing tanpa rasa letih dan selalu ceria.

5. Semua orang yang dekat dan kenal dengan penulis (mereka yang pernah

bersama memberi pengalaman yang berarti, memberikan nasehat serta

dukungan dalam kehidupan penulis).

MOTTO

“Demi masa. Sesungguhnya manusia itu benar-benar dalam kerugian, Kecuali orang-orang yang beriman dan mengerjakan amal saleh dan nasehat menasehati

supaya mentaati kebenaran dan nasehat menasehati supaya menetapi kesabaran.” (Q.S. Al-‘Ashr: 1-3)

“Maka sesungguhnya bersama kesulitan pasti ada kemudahan, maka bersama kesulitan pasti ada kemudahan”

(Q.S. Al-Insyirah: 5-6)

“Kamu adalah umat terbaik yang dilahirkan untuk manusia, menyuruh yang ma’ruf dan mencegah dari yang munkar dan beriman kepada Allah.”

(Ali Imran: 110)

“Mukmin yang kuat lebih baik dan lebih dicintai Allah daripada mukmin yang lemah; pada keduanya ada kebajikan.”

(HR. Muslim)

“Cogito, ergo sum. (I think, therefore I am).” (Renè Descartes)

“If i die tomorrow I'd be allright

Because i believe That after we're gone The spirit carries on”

(Dream Theater)

“Kalau bisa dikerjakan sekarang, kenapa harus besok?” “Aku hidup di masa sekarang untuk menuju masa depan, bukan masa lalu.”

“Jika dengan mengenang kegagalan bisa membuat hari esok lebih baik, kenanglah. Namun jika tidak, buanglah.”

“Selalu berpikir ke depan dan optimis.” “Doa, usaha, dan tawakal.”

(From the deepest of my heart)

vi

Investigation on Heat Transfer and Friction Factor Characteristics of Inline Cylindrical Pin Fin Array

in Rectangular Channel

Mahmudin Huda Mechanical Engineering Departement

Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia

E-mail: [email protected]

Abstract

Surface heat transfer extension using fins often used in heat exchanger equipment to enhance heat transfer. This research was conducted to investigate the characteristics of heat transfer and pressure drop as well as thermal performance of inline cylindrical pin fin assembly in rectangular channel. It was used cylindrical pin fins with 12.7 mm of diameter and 75 mm of height. The parameters of this research were Reynolds number (3,000 – 37,500), depending on the averaged inlet air velocity and hydraulic diameter, the interfin pitch distance in the spanwise direction (Sx/D) which was kept constant at 2.95 and the interfin pitch distance in the streamwise direction (Sy/D = 1.97 – 3.94). The experimental result shown that increasing Reynolds number (Re) and decreasing the interfin pitch distance in the streamwise direction (Sy/D) increased the average convection heat transfer coefficient (h) and Nusselt number (Nu). The pressure drop (∆P) and friction factor (f) decreased while the interfin pitch distance in the streamwise direction (Sy/D) increased. Increasing Reynolds number would decrease thermal performance (η). At Sy/D = 1.97 for Re > 24,900, and Sy/D > 1.97 for Re > 12,400, the values of η were less than 1, i.e. the used of pin fin assembly would cause an energy loss rather than gain. The net energy gain (η was greater than 1) was only at Sy/D = 1.97 for Re < 24,900, and at Sy/D > 1.97 for Re < 12,400. A net energy gain up to 28 % was achieved at Sy/D = 1.97 for Re = 3,076. Key words: pin fin, rectangular channel, Reynolds number, friction factor, thermal

performance.

vii

Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan dari Inline Cylindrical Pin Fin Array

dalam Rectangular Channel

Mahmudin Huda Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia

E-mail: [email protected]

Abstrak

Perluasan permukaan perpindahan panas menggunakan sirip-sirip sering digunakan dalam peralatan penukar panas untuk meningkatkan perpindahan panas. Penelitian ini dilakukan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly yang disusun secara segaris dalam saluran segiempat. Digunakan sirip-sirip pin silinder dengan diameter 12,7 mm dan tinggi 75 mm. Parameter-parameter dalam penelitian ini adalah bilangan Reynolds (3.000 – 37.500) berdasarkan kecepatan udara masuk rata-rata dan diameter hidrolik, jarak antar titik pusat sirip dalam arah melintang aliran udara (Sx/D) yang dibuat konstan sebesar 2,95 dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (Sy/D = 1,97 – 3,94). Hasil pengujian menunjukkan bahwa peningkatan bilangan Reynolds (Re) dan semakin kecilnya jarak antar titik pusat sirip arah aliran udara (Sy/D) akan meningkatkan koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) dan bilangan Nusselt (Nu). Nilai penurunan tekanan (∆P) dan faktor gesekan (f) semakin menurun dengan meningkatnya nilai Sy/D. Meningkatnya bilangan Reynolds akan menurunkan unjuk kerja termal (η).Untuk Sy/D = 1,97 pada Re > 24.900, dan Sy/D > 1,97 pada Re > 12.400, nilai-nilai η lebih kecil dari 1, yang berarti bahwa pemakaian pin fin assembly akan menyebabkan kehilangan energi daripada perolehan energi. Perolehan energi netto (nilai η lebih besar dari 1) hanya untuk Sy/D = 1,97 pada Re < 24.900, dan Sy/D > 1,97 pada Re < 12.400. Perolehan energi netto dapat dicapai hingga 28 % untuk nilai Sy/D = 1,97 pada Re = 3.076. Kata kunci: sirip pin, saluran segiempat, bilangan Reynolds, faktor gesekan,

unjuk kerja termal.

viii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas segala

limpahan rahmat dan Karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan

menyelesaikan skripsi ”Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Penurunan

Tekanan dari Inline Cylindrical Pin Fin Array dalam Rectangular Channel” ini

dengan baik.

Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.

Dalam penyelesaian skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa

bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung maupun 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 Dody Ariawan, S.T., M.T, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin

UNS Surakarta.

2. Bapak Tri Istanto, S.T., M.T. selaku Pembimbing I atas bimbingannya

hingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

3. Bapak Wibawa Endra J, S.T., M.T. selaku Pembimbing II yang telah

turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.

4. Bapak Teguh Triyono, S.T., M.T. selaku Pembimbing Akademis yang

telah berperan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di

Universitas Sebelas Maret ini.

5. Bapak Syamsul Hadi, S.T,. M.T. selaku koordinator Tugas Akhir.

6. Bapak Budi Kristiawan, S.T., M.T. dan Ibu Eliza yang telah banyak

membantu meminjami alat-alat pendukung penelitian.

7. Seluruh dosen serta staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut

mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1.

8. Ayah, Ibu, kakak, dan adikku, atas doa restu, motivasi, dan dukungan

material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir.

9. Rekan Skripsi: Apras, Adit, Doddy, Aji’, Teddy, Wisnu, mas Fendy, dan

mas Giyono yang telah bersama-sama mengerjakan penelitian ini, terima

kasih atas bantuan kalian semua.

ix

10. Rekan Asisten Lab. Konversi Energi: Ridho, Syafiq-jembe, Rian, paijo

Bisyri, Ervan, Jihad-jae gepok, Tendy; dan juga rekan asisten lab 2005:

Zaki, Yusno, duet Indri-Topan, Ahmad yang telah menemani,

merepotkan dan direpotkan dalam pembuatan alat penelitian ini. Terima

kasih yang tak terkira atas bantuan kalian semua.

11. Rekan-rekan Teknik Mesin semua, khususnya angkatan 2004 terima

kasih atas kerja samanya selama ini.

12. Facebook dan Jamaah Facebookiyah yang selalu menemaniku dan

menyemangatiku selama mengambil data dan menyelesaikan laporan ini.

13. 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 yang membangun sangat penulis harapkan untuk

kesempurnaan skripsi ini.

Semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu pengetahuan dan kita semua.

Amin.

Surakarta, Juli 2009

Penulis

x

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................ iii

PERSEMBAHAN............................................................................................... iv

MOTTO ............................................................................................................. v

ABSTRAK .......................................................................................................... vi

KATA PENGANTAR ........................................................................................ viii

DAFTAR ISI....................................................................................................... x

DAFTAR TABEL............................................................................................... xii

DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xiii

DAFTAR NOTASI ............................................................................................. xv

DAFTAR LAMPIRAN....................................................................................... xvii

BAB I PENDAHULUAN .............................................................................. 1

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

1.2 Perumusan Masalah .................................................................... 2

1.3 Batasan Masalah ......................................................................... 2

1.4 Tujuan dan Manfaat .................................................................... 3

1.5 Sistematika Penulisan ................................................................. 4

BAB II DASAR TEORI .................................................................................. 5

2.1 Tinjauan Pustaka ......................................................................... 5

2.2 Dasar Teori.................................................................................. 6

2.2.1 Sirip ................................................................................... 6

2.2.2 Sirip Pin............................................................................. 11

2.2.3 Macam-Macam Bentuk Sirip pin ...................................... 12

2.2.3.1 Silinder ................................................................ 12

2.2.3.2 Kubus .................................................................. 12

2.2.3.3 Oblong................................................................. 13

2.2.3.4 Ellips ................................................................... 13

2.2.4 Aplikasi Sirip pin .............................................................. 14

2.2.5 Perpindahan Panas ............................................................ 15

2.2.6 Parameter Tanpa Dimensi ................................................. 16

2.2.7 Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan

pada Pin-Fin Assembly...................................................... 17

xi

2.2.7.1 Perhitungan Perpindahan Panas (Heat Transfer) 17

2.2.7.2 Perhitungan Faktor Gesekan (Friction Factor)... 22

2.2.7.3 Perhitungan Unjuk Kerja Termal pada Pin-Fin

Assembly.............................................................. 22

BAB III METODOLOGI PENELITIAN.......................................................... 24

3.1 Tempat penelitian........................................................................ 24

3.2 Alat penelitian ............................................................................. 24

3.3 Spesimen ..................................................................................... 28

3.4 Pelaksanaan Penelitian ................................................................ 30

3.4.1 Tahap Persiapan ................................................................ 30

3.4.2 Tahap Pengujian................................................................ 30

3.5 Teknik Analisis Data................................................................... 31

3.6 Diagram Alir Penelitian .............................................................. 32

BAB IV DATA DAN ANALISIS..................................................................... 33

4.1 Data Hasil Pengujian................................................................... 33

4.2 Perhitungan Data......................................................................... 39

4.3 Analisis Data ............................................................................... 47

4.3.1 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat

Sirip dalam Arah Streamwise terhadap Karakteristik

Perpindahan Panas ............................................................ 47


Sirip dalam Arah Streamwise terhadap Karakteristik

Penurunan Tekanan........................................................... 49


Sirip dalam Arah Streamwise terhadap Unjuk Kerja

Termal ............................................................................... 51

BAB V PENUTUP........................................................................................... 53

5.1 Kesimpulan ................................................................................. 53

5.2 Saran............................................................................................ 53

DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 54

LAMPIRAN........................................................................................................ 56

xii

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Spesifikasi spesimen penelitian ........................................................ 29

Tabel 4.1 Data hasil pengujian spesimen 1 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 1,97) ............ 34




Tabel 4.5 Data hasil pengujian spesimen 5 (pelat tanpa sirip).......................... 38

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Beberapa contoh jenis extended surface: (a) sirip longitudinal

dengan profil segiempat (b) pipa silindris dengan sirip

berprofil segiempat (c) sirip longitudinal dengan profil

trapesium (d) sirip longitudinal dengan profil parabola (e)

pipa silindris dengan sirip radial berprofil segiempat (f) pipa

silindris dengan sirip radial berprofil trapesium (g)

cylindrical spine (h) truncated conical spine (i) truncated

parabolic spine............................................................................ 7

Gambar 2.2 Beberapa contoh jenis permukaan penukar panas kompak: (a)

pipa silinder (b) pipa silinder dengan sirip-sirip radial (c) flat

tube dengan sirip-sirip kontinyu (d) sirip plat (plate fin) (e)

offset plate fin (f) crossed rod matrix.......................................... 8

Gambar 2.3 Perbedaan-perbedaan gradien temperatur dalam sirip ................ 9

Gambar 2.4 Sebuah susunan sirip pin............................................................. 11

Gambar 2.5 Susunan sirip pin (a) inline (b) staggered ................................... 12

Gambar 2.6 Perbandingan sirip pin silinder lurus dengan sirip pin silinder

berfillet ........................................................................................ 12

Gambar 2.7 Perbandingan antara konfigurasi susunan staggered sirip pin

kubus dan sirip pin diamond ....................................................... 13

Gambar 2.8 Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin oblong . 13

Gambar 2.9 Ukuran relatif dari circular fin, SEF dan N fin. .......................... 13

Gambar 2.10 Potongan melintang sudu turbin dengan pendinginan dalam

(internal cooling) ........................................................................ 14

Gambar 2.11 Susunan sirip pin dalam suatu saluran udara segiempat

dengan clearance nol .................................................................. 19

Gambar 3.1 Skema alat penelitian .................................................................. 24

Gambar 3.2 Satu set alat uji inline cylindrical pin fin assembly..................... 24

Gambar 3.3 Pelurus aliran udara (flow straightener)...................................... 25

Gambar 3.4 Fan hisap..................................................................................... 25

Gambar 3.5 Rheostat....................................................................................... 25

Gambar 3.6 Anemometer................................................................................ 26

xiv

Gambar 3.7 Pemanas listrik (electric heater) ................................................. 26

Gambar 3.8 Regulator pengatur tegangan listrik yang masuk heater............. 26

Gambar 3.9 Multitester digital ........................................................................ 27

Gambar 3.10 Amperemeter............................................................................... 27

Gambar 3.11 Manometer U dan posisi titik pengukuran tekanan..................... 27

Gambar 3.12 Termokopel tipe T....................................................................... 28

Gambar 3.13 Thermocouple reader .................................................................. 28

Gambar 3.14 Dimensi dan tata nama spesimen ................................................ 28

Gambar 3.15 Model spesimen .......................................................................... 29

Gambar 3.16 Spesimen 1 .................................................................................. 29

Gambar 3.18 Spesimen 2 .................................................................................. 29

Gambar 3.18 Spesimen 3 .................................................................................. 30

Gambar 3.19 Spesimen 4 ................................................................................. 30

Gambar 4.1 Posisi titik pengukuran (a) temperatur udara masuk saluran

(b) temperatur base plate dan (c) temperatur udara keluar

saluran. ........................................................................................ 33

Gambar 4.2 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien perpindahan

panas konveksi rata-rata pada Sx/D = 2,95.................................. 47

Gambar 4.3 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap bilangan Nusselt pada

Sx/D = 2,95 .................................................................................. 48

Gambar 4.4 Pengaruh nilai Sy/D terhadap bilangan Nusselt pada Sx/D =

2,95.............................................................................................. 49

Gambar 4.5 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap penurunan tekanan

pada Sx/D = 2,95.......................................................................... 50

Gambar 4.6 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor gesekan pada

Sx/D = 2,95 .................................................................................. 50

Gambar 4.7 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap unjuk kerja termal pada

Sx/D = 2,95 .................................................................................. 51

xv

DAFTAR NOTASI

A = luas penampang saluran udara (m2)

Afront = luas frontal dari sirip-sirip (m2)

As = luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara dari susunan sirip

pin (m2)

Cp = panas jenis udara (J/kg.K)

D, d = diameter sirip pin (m)

Dh = diameter hidrolik dari saluran udara (m)

f = faktor gesekan

fs = faktor gesekan untuk spesimen tanpa sirip

fa = faktor gesekan untuk spesimen dengan sirip

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

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

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

H = tinggi saluran udara atau sirip pin (m)

k = konduktivitas termal udara (W/m.K)

L = panjang plat dasar untuk susunan sirip pin (m)

Lt = panjang seksi uji (m)

m& = laju aliran massa udara (kg/s)

Nu = duct Nusselt number

NuD = pin Nusselt number

Nf = jumlah total sirip pin dalam susunan sirip pin

∆P = perbedaan tekanan statik (N/m2)

sP∆ = penurunan tekanan tanpa halangan (N/m2)

aP∆ = penurunan tekanan dengan halangan (N/m2)

Q = laju perpindahan panas (Watt)

Qelect = laju aliran panas dari listrik (W)

Qconv = laju perpindahan panas konveksi (W)

Qloss = laju aliran panas yang hilang dari sistem (heat loss) (W)

Qrad = laju perpindahan panas radiasi (W)

Qcond = laju perpindahan panas konduksi (W)

ReD = pin Reynolds number

xvi

Re = duct Reynolds number

Res = bilangan Reynolds untuk spesimen tanpa sirip

Rea = bilangan Reynolds untuk spesimen dengan sirip

Sy = jarak antar titik pusat sirip sepanjang arah aliran (streamwise direction)

(mm)

Sx = jarak antar titik pusat sirip yang diukur tegak lurus terhadap arah aliran

(spanwise direction) (mm)

inT = temperatur inlet dari aliran udara (K)

outT = temperatur outlet dari aliran udara (K)

bT = temperatur base plate (K)

T = temperatur (K)

Tp = temperatur intermediate (K)

Ts = temperatur lingkungan (K)

Tf = temperatur udara rata-rata (K)

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

Vmax = kecepatan udara maksimum yang melalui sirip pin (m/s)

aV& = laju aliran volumetrik di atas plat dengan halangan (blocks) (m3/s)

sV& = laju aliran volumetrik di atas plat tanpa halangan (blocks) (m3/s)

Wb = lebar plat dasar untuk susunan sirip pin (m)

x = ketebalan bahan (m)

γ = sudut orientasi pada susunan sirip pin oblong (o)

ε = emisivitas

η = unjuk kerja termal (%)

µ = viskositas dinamik udara (kg/m.s)

ν = viskositas kinematik udara (m2/s)

ρ = massa jenis udara (kg/m3)

σ = konstanta Stefan-Boltzmann = 5,669 x 10-8 (W/m2.K4)

xvii

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran A. Data hasil pengujian

Lampiran B. Properti berbagai jenis material

Lampiran C. Hasil perhitungan data pengujian

1

BAB I

1 PENDAHULUAN I

1.1 Latar Belakang

Perluasan permukaan perpindahan panas menggunakan sirip-sirip (fins)

sering digunakan dalam peralatan penukar panas yang bertujuan untuk

meningkatkan perpindahan panas antara permukaan utama dan fluida di

sekitarnya. Sirip-sirip tersebut menonjol keluar dari sebuah permukaan dasar

segiempat atau silindris. Berbagai tipe sirip alat penukar panas, mulai dari bentuk

yang sederhana, seperti sirip segiempat (rectangular), silindris, annular, tirus

(tapered) atau pin, sampai kombinasi dari berbagai geometri yang berbeda telah

digunakan. Tipe sirip yang digunakan tergantung dari proses permesinan dan

ruang yang tersedia dalam peralatan pembangkit panas yang terlibat dalam proses

pendinginan.

Salah satu tipe sirip alat penukar panas yang biasa digunakan adalah sirip

pin. Sirip pin adalah elemen berbentuk silinder atau bentuk lainnya yang dipasang

secara tegak lurus terhadap dinding alat penukar panas, dengan fluida pendingin

mengalir dalam arah aliran melintang (crossflow) terhadap elemen tersebut. Sirip-

sirip pin yang menonjol dari sebuah permukaan yang dipanaskan dapat

meningkatkan luasan permukaan disipasi panas, sehingga meningkatkan unjuk

kerja disipasi panas yang berdampak pada meningkatnya ketahanan (reliability)

dan umur peralatan. Terdapat berbagai parameter yang menggolongkan sirip pin,

seperti bentuk, tinggi, diameter, perbandingan tinggi-diameter (H/D) dan

sebagainya. Sirip-sirip pin dapat disusun secara segaris (inline) maupun selang-

seling (staggered) terhadap arah aliran.

Karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan dalam sistem sirip

pin telah menjadi bahan penelitian secara luas karena perannya yang penting

dalam berbagai aplikasi keteknikan. Sirip pin dengan perbandingan tinggi-

diameter (H/D) antara 0,5 – 4 dikategorikan sebagai sirip pin pendek (short pin

fin), sedangkan sirip pin panjang (long pin fin) memiliki perbandingan tinggi

diameter > 4. Perbandingan tinggi-diameter yang besar merupakan bagian yang

menarik dalam aplikasi alat penukar panas dalam hal pencapaian koefisien

perpindahan panas yang sangat tinggi. Sirip pin banyak digunakan dalam berbagai

2

aplikasi industri, khususnya dalam alat penukar panas kompak (compact heat

exchanger), trailing edge sudu turbin gas, dan beberapa sistem elektronik modern.

Laju perpindahan panas dari suatu rakitan sirip pin (pin fin assembly) ke

lingkungan tergantung pada distribusi temperatur pada sirip pin dan plat dasar

(base plate), geometri sirip pin, shroud clearance (jarak antara ujung sirip pin

dengan permukaan atas saluran udara), sifat-sifat fluida dan sirip pin, laju aliran

udara, jarak antar titik pusat sirip (interfin pitch), susunan sirip pin, dan orientasi

dari penukar panas (terutama untuk laju aliran udara yang rendah). Untuk plat

dasar dengan temperatur tertentu, laju perpindahan panas dapat ditingkatkan

dengan menaikkan koefisien perpindahan panas rata-rata, menaikkan luas

permukaan perpindahan panas atau kedua-duanya. Kenaikan perpindahan panas

dapat dicapai dengan cara konveksi paksa (forced convection) atau mengubah

konfigurasi geometri dari alat penukar panas. Dalam praktiknya, cara-cara ini

dibatasi oleh penurunan tekanan maksimum yang diijinkan melalui susunan sirip

pin tersebut karena kenaikan perpindahan panas akan disertai penurunan tekanan.

Energi yang hilang karena penurunan tekanan dapat melebihi energi yang

didapatkan dari usaha peningkatan perpindahan panas tersebut.

Penelitian ini bertujuan untuk menguji karakteristik perpindahan panas dan

penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly yang

disusun secara segaris (inline) dalam saluran segiempat (rectangular channel).

1.2 Perumusan Masalah

Bagaimanakah pengaruh bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip

dalam arah aliran udara (streamwise direction) terhadap karakteristik perpindahan

panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin

assembly yang disusun secara segaris (inline) dalam saluran segiempat

(rectangular channel).

1.3 Batasan Masalah

Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut:

1. Material sirip pin dan base plate yang digunakan adalah duralumin.

2. Dimensi base plate yang digunakan adalah; panjang 200 mm, lebar 150

mm dan tebal 6,5 mm.

3

3. Dimensi pin fin yang digunakan adalah; tinggi 75 mm dan diameter 12,7

mm, atau H/D = 5,9.

4. Jarak antara ujung sirip pin dengan permukaan atas saluran udara

(shroud clearance) adalah nol.

5. Penelitian menggunakan alat saluran udara segiempat yang terdiri dari:

Saluran udara segiempat berdimensi penampang 150 mm x 75 mm.

Fan hisap.

Pemanas (heater).

Pelurus aliran udara (flow straightener).

Manometer U.

6. Permukaan dalam saluran udara dilapisi dengan bahan melamin yang

halus, sehingga faktor gesekan diabaikan.

7. Permukaan luar saluran udara dimana seksi uji diletakkan diisolasi

dengan glasswool dan styrofoam sehingga perpindahan panas ke

lingkungan diabaikan.

8. Parameter yang dibuat konstan yaitu temperatur permukaan base plate

sebesar 60 oC, temperatur udara masuk, jarak antar titik pusat sirip

dalam arah melintang (spanwise direction) sebesar 37,5 mm.

9. Parameter yang divariasi adalah kecepatan aliran udara masuk yaitu

sebesar 0,5 m/s, 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s

serta jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise

direction) yaitu sebesar 25 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm.

10. Pengujian karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta

unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly dilakukan pada

kondisi tunak (steady state).

11. Penelitian dilakukan dalam keadaan diam (static experiment) dan pada

temperatur kamar.

1.4 Tujuan dan Manfaat

Penelitian ini bertujuan untuk:

1. Mengetahui pengaruh bilangan Reynolds terhadap karakteristik

perpindahan panas dan penurunan tekanan dari cylindrical pin fin

assembly dengan susunan sirip inline dalam rectangular channel.

4

2. Mengetahui pengaruh jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara

(streamwise direction) terhadap karakteristik perpindahan panas dan

penurunan tekanan dari cylindrical pin fin assembly dengan susunan

sirip inline dalam rectangular channel.

3. Mengetahui pengaruh variasi bilangan Reynolds dan jarak antar titik

pusat sirip dalam arah aliran udara terhadap unjuk kerja termal dari

cylindrical pin fin assembly dengan susunan sirip inline dalam

rectangular channel.

Hasil penelitian yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat

sebagai berikut:

1. Mampu memberikan pengetahuan baru yang berguna dalam ilmu

perpindahan panas, khususnya mengenai karakteristik perpindahan

panas dan unjuk kerja termal dari cylindrical pin fin assembly dengan

susunan sirip inline dalam rectangular channel.

2. Dapat diterapkan dalam sistem pendinginan sudu-sudu turbin gas dan

sistem elektronik modern.

1.5 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:

BAB I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah, perumusan

masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian.

BAB II : Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan pengujian

susunan sirip pin, dasar teori tentang sirip pin dan teori perhitungan

perpindahan panas, penurunan tekanan dan unjuk kerja termal dari

susunan sirip pin dalam saluran segiempat.

BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan tempat dan pelaksanaan

penelitian, peralatan yang digunakan, langkah-langkah penelitian dan

pengambilan data.

BAB IV : Data dan analisis, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan data

hasil pengujian serta analisis hasil dari perhitungan.

BAB V : Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.

5

BAB II

2 DASAR TEORI I

2.1 Tinjauan Pustaka

Solid block dapat meningkatkan perpindahan panas dari sebuah plat secara

signifikan karena meningkatnya luasan permukaan perpindahan panas, tetapi

menimbulkan energi yang terbuang karena adanya penurunan tekanan (pressure

drop) yang lebih besar dalam aliran dan lebih sedikitnya aliran udara yang kontak

dengan plat. Selain itu, meningkatnya bilangan Reynolds menyebabkan

menurunnya unjuk kerja termal (Sara,1999).

Tahat, M. et al. (2000) melakukan penelitian tentang perpindahan panas

kondisi tunak pada alat penukar panas tipe plat bersirip pin yang tersusun secara

inline dan staggered untuk menentukan desain optimum alat penukar panas

tersebut. Dalam penelitian tersebut menggunakan spesimen berupa plat datar

berdimensi 250 mm x 300 mm yang diberi sirip pin berbentuk silinder pejal

dengan diameter 8 mm dan panjang 90 mm dengan jarak antar titik pusat sirip,

Sx/D = 9,86 – 63,44 dan Sy/D = 1,09 – 83,92. Spesimen diletakkan pada saluran

udara segiempat (rectangular channel) yang berdimensi 405 mm x 100 mm x

3.000 mm dengan variasi kecepatan aliran udara 6 m/s, 7 m/s dan 7,8 m/s. Dari

penelitian tersebut diperoleh bahwa laju panas yang hilang meningkat seiring

dengan meningkatnya bilangan Reynolds, namun menurun seiring dengan

meningkatnya jarak antar titik pusat sirip pin untuk arah streamwise dan spanwise.

Bilen, K. et al. (2001) melakukan penelitian tentang karakteristik

perpindahan panas, faktor gesekan (friction factor) dan unjuk kerja termal pada

suatu permukaan bersirip di dalam saluran udara segiempat. Pada penelitian

tersebut menggunakan spesimen berupa plat datar berdimensi 180 mm x 300 mm

x 2 mm yang diberi sirip pin berbentuk silinder pejal dengan diameter 17 mm dan

panjang 100 mm yang disusun secara inline dan staggered dengan jarak antar titik

pusat sirip, Sx/D = 2,2 dan Sy/D = 1,96 – 4,41. Spesimen diletakkan dalam saluran

udara segiempat (rectangular channel) yang berdimensi 180 mm x 100 mm x

2.000 mm. Pengujian dilakukan dengan variasi bilangan Reynolds sebesar 3.700 –

30.000. Dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa dengan meningkatnya

bilangan Reynolds akan meningkatkan bilangan Nusselt, yang berarti

6

meningkatkan perpindahan panas. Tetapi dengan meningkatnya bilangan

Reynolds, peningkatan perpindahan panas (heat transfer enhancement) dan unjuk

kerja termal semakin menurun, dimana perpindahan panas maksimum terjadi pada

variasi Sy/D = 2,94. Penambahan sirip pin pada suatu permukaan meningkatkan

perpindahan panas dari permukaan tersebut sebagai hasil dari kenaikan luasan

permukaan perpindahan panas, tetapi disertai dengan adanya penurunan tekanan

yang lebih besar dalam saluran.

Sahin, B. dan Demir, A. (2008) melakukan penelitian tentang peningkatan

perpindahan panas dan penurunan tekanan pada plat bersirip pin di dalam suatu

saluran udara segiempat. Penelitian dilakukan dengan menggunakan spesimen

berupa plat datar berdimensi 250 mm x 250 mm x 6 mm yang diberi sirip pin

berbentuk silinder pejal dengan diameter 15 mm dan panjang 100 mm yang

disusun secara inline dan staggered dengan jarak antar titik pusat sirip, Sx/D = 2,2

dan Sy/D = 1,208 – 3,417. Spesimen diletakkan pada saluran udara segiempat

yang berdimensi 250 mm x 100 mm x 3.140 mm dengan clearance ratio sebesar

0, 0,33 dan 1. Pengujian dilakukan dengan variasi bilangan Reynolds sebesar

13.500 – 42.000. Dari penelitian tersebut diperoleh bahwa penggunaan sirip pin

berpenampang lingkaran dapat meningkatkan perpindahan panas. Efisiensi

meningkat seiring dengan menurunnya bilangan Reynolds. Faktor gesekan dan

bilangan Nusselt meningkat seiring dengan meningkatnya jarak antar titik pusat

sirip pin dan clearance ratio. Parameter terpenting yang mempengaruhi

perpindahan panas adalah bilangan Reynolds, tinggi sirip pin dan jarak antar titik

pusat sirip pin, dimana perpindahan panas dapat ditingkatkan dengan mengontrol

parameter-parameter tersebut.

2.2 Dasar Teori

2.2.1 Sirip

Permukaan perpindahan panas yang diperluas (extended surface heat

transfer) adalah studi tentang komponen-komponen perpindahan panas berunjuk

kerja tinggi yang berkenaan dengan berat, volume, dan biaya yang semakin kecil,

dan perilakunya dalam berbagai kondisi lingkungan termal. Komponen-komponen

tertentu telah diterapkan dalam berbagai macam aplikasi seperti dalam proses-

proses kimia, refrigerasi, dan kriogenika, dalam peralatan listrik dan elektronika,

7

dalam tungku konvensional dan turbin gas, dalam proses pembuangan panas pada

boiler, dan dalam modul bahan bakar nuklir.

Dalam desain dan konstruksi dari berbagai macam peralatan perpindahan

panas, bentuk-bentuk sederhana seperti silinder, batang dan plat biasa diterapkan

pada aliran panas antara sumber panas dan penyerap panas (heat source and heat

sink). Permukaan-permukaan penyerap panas maupun pembuang panas masing-

masing dikenal sebagai permukaan utama (prime surface). Apabila permukaan

utama diperluas dengan permukaan tambahan seperti dalam gambar 2.1, maka

gabungan antara kedua permukaan tersebut dinamakan permukaan yang diperluas

(extended surface). Elemen yang digunakan untuk memperluas permukaan utama

dikenal sebagai sirip (fin). Jika elemen sirip tersebut berbentuk kerucut atau

silinder, sirip tersebut dinamakan spines atau pegs.

(a) (b) (c) (d)

(e) (f) (g) (h) (i)

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

Kebutuhan untuk perlengkapan turbin gas, pengkondisian udara, dan

kriogenika telah mendapatkan perhatian khusus dalam hal keringkasan permukaan

alat penukar panas, terutama pada permukaan yang mengalami gradien tekanan

yang kecil dalam fluida yang bersirkulasi melaluinya. Beberapa diantaranya

ditunjukkan dalam gambar 2.2. Keringkasan (compactness) mengacu pada

perbandingan luas permukaan perpindahan panas per satuan volume alat penukar

panas.

8

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

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

Definisi awal dari Kays dan London (1950) menetapkan bahwa elemen alat

penukar panas kompak adalah alat penukar panas yang mempunyai kelebihan 245

m2 per meter kubik alat penukar panas. Elemen alat penukar panas kompak telah

tersedia lebih dari 4.100 m2 per meter kubik dibandingkan dengan 65 – 130 m2 per

meter kubik untuk alat penukar panas konvensional dengan pipa 5/8 – 1 in.

Kebanyakan elemen alat penukar panas kompak terdiri dari plat-plat permukaan

utama atau pipa-pipa yang dipisahkan oleh plat, batang atau spines, yang juga

bertindak sebagai sirip. Seperti pada gambar 2.2(d), setiap sirip dapat

diperlakukan sebagai sirip tunggal dengan tinggi sirip sama dengan setengah dari

jarak plat pemisah dan dengan plat pemisah bertindak sebagai permukaan utama.

Sehingga, alat penukar panas kompak dipandang sebagai bentuk lain dari

permukaan yang diperluas (extended surface).

Apabila sirip dan permukaan utamanya ditempatkan pada lingkungan termal

yang seragam, efektivitas permukaan sirip lebih kecil daripada permukaan utama.

Hal ini dapat dilihat pada plat dengan sirip memanjang (longitudinal) pada

penampang melintang segiempat pada gambar 2.3.

9

Gambar 2.3 Perbedaan-perbedaan gradien temperatur dalam sirip

Permukaan plat bagian dalam membuang panas dari sumber panas dengan

koefisien perpindahan panas seragam dan temperatur T1, sedangkan permukaan

plat bagian luar dan sirip membuang panas tersebut ke lingkungan sekelilingnya

yang lebih dingin dengan koefisien perpindahan panas seragam dan temperatur Ts.

Permukaan plat yang lebih dingin berada pada temperatur intermediate Tp, dan

panas dari sumber panas meninggalkan plat karena adanya gradien temperatur, Tp

– Ts. Dengan cara yang sama, permukaan sirip dengan temperatur tertentu T, dan

panas meninggalkan sirip karena adanya gradien temperatur T – Ts. Panas

memasuki sirip melalui dasarnya (base), dan bergerak berpindah secara kontinyu

melalui sirip secara konduksi. Hampir dalam setiap kasus, temperatur dasar sirip

akan sangat mendekati sama dengan Tp. Panas yang diserap oleh sirip melalui

dasarnya dapat mengalir menuju ujung sirip hanya jika ada gradien temperatur

dalam sirip, yakni Tp lebih besar dari T. Untuk kondisi ini, karena temperatur T

bervariasi dari dasar hingga ujung sirip, gradien temperatur T – Ts akan lebih kecil

daripada Tp – Ts, sehingga satu satuan luas permukaan sirip akan kurang efektif

dibandingkan dengan satu satuan luas permukaan plat atau permukaan utama.

Efisiensi sirip didefinisikan sebagai perbandingan antara panas aktual yang

hilang dari sirip terhadap panas ideal yang hilang jika temperatur seluruh

permukaan sirip sama dengan temperatur dasarnya. Sirip dengan ukuran, bentuk,

dan material tertentu memiliki efisiensi sirip yang berbeda-beda, dan efisiensi

sirip akan bervariasi terhadap konduktivitas termal dan cara perpindahan panasnya

berkenaan dengan lingkungannya. Saat ini telah terdapat beberapa referensi yang

dibuat mengenai permukaan yang diperluas yang berisikan beberapa tipe

Ts (Surroundings)

Source (T1)

Hot face of plate

TP

TP

Fin

T

T

10

permukaan utama dan beberapa tipe sirip. Banyak pengetahuan mengenai aliran

panas, profil temperatur, efisiensi dan optimasi parameter-parameter sirip dapat

diperoleh dari analisis tiga geometri dasar sirip yang ditunjukkan dalam gambar

2.1 yaitu sirip longitudinal, sirip radial dan spines.

Sirip dengan berbagai macam geometri dan konduktivitas termal akan

memberikan tanggapan yang berbeda terhadap sumber panas dan penyerap panas

(source and sink) yang seragam dan identik. Sebaliknya, terdapat banyak hal

mengapa temperatur dan koefisien perpindahan panas dari sumber panas dan

penyerap panas bisa bervariasi. Hal penting dalam menganalisis geometri sirip

adalah asumsi-asumsi yang diambil untuk menentukan dan membatasi masalah

dan tentunya menyederhanakan penyelesaiannya. Analisis dari tiga geometri dasar

sirip dapat dilakukan dengan mengacu pada asumsi Murray-Gardner, yaitu:

1. Aliran panas dalam sirip dan temperaturnya tetap konstan terhadap

waktu.

2. Material sirip adalah homogen, konduktivitas termal sama di segala

arah, dan tetap konstan.

3. Koefisien perpindahan panas konveksi di permukaan sirip konstan dan

seragam di keseluruhan permukaan sirip.

4. Temperatur dari medium lingkungan sirip konstan.

5. Ketebalan sirip adalah kecil, dibandingkan dengan tinggi dan

panjangnya, sehingga gradien temperatur melewati ketebalan sirip dan

perpindahan panas dari tepi sirip dapat diabaikan.

6. Temperatur dasar sirip adalah seragam.

7. Tidak ada tahanan kontak dimana dasar sirip digabung dengan

permukaan utama.

8. Tidak ada sumber panas di dalam sirip itu sendiri.

9. Panas yang ditransfer melalui ujung sirip diabaikan dibandingkan

dengan panas yang meninggalkan permukaan lateralnya.

10. Perpindahan panas ke atau dari sirip sebanding terhadap kelebihan

temperatur antara sirip dan medium sekitar.

11

2.2.2 Sirip Pin

Sirip pin adalah elemen berbentuk silinder atau bentuk lainnya yang

dipasang secara tegak lurus terhadap dinding alat penukar panas, dengan fluida

pendingin mengalir dalam arah aliran melintang (crossflow) terhadap elemen

tersebut. Terdapat berbagai parameter yang menggolongkan sirip pin, seperti

bentuk, tinggi, diameter, perbandingan tinggi-diameter (H/D) dan sebagainya.

Sirip pin dengan perbandingan tinggi-diameter (H/D) antara 0,5 – 4 dikategorikan

sebagai sirip pin pendek (short pin fin), sedangkan sirip pin panjang (long pin fin)

memiliki perbandingan tinggi-diameter > 4. Perbandingan tinggi-diameter yang

besar merupakan bagian yang menarik dalam aplikasi alat penukar panas dalam

hal pencapaian koefisien perpindahan panas yang sangat tinggi.

Gambar 2.4 Sebuah susunan sirip pin

Sirip pin dapat disusun dalam dua arah utama. Pada gambar 2.5 sirip-sirip

pin ditunjukkan dalam susunan segaris (inline) dan selang-seling (staggered). Sx

adalah jarak antar titik pusat sirip yang diukur normal/tegak lurus terhadap arah

aliran (spanwise direction), sedangkan Sy adalah jarak antar titik pusat sirip

sepanjang arah aliran (streamwise direction).

12

(a) (b)

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

2.2.3 Macam-Macam Bentuk Sirip Pin

2.2.3.1 Silinder

Silinder lurus merupakan geometri sirip pin yang paling umum. Geometri

sirip pin yang lain adalah silinder lurus dengan ujung difillet (filleted pin fin) dan

silinder tirus (tapered cylindrical pin fin). Hubungan antara geometri sirip pin

silinder lurus dengan geometri sirip pin silinder berfillet ditunjukkan dalam

gambar 2.6.

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

2.2.3.2 Kubus

Sirip pin berbentuk kubus (cubic pin fin) dapat disusun secara segiempat

maupun diamond berdasarkan arah aliran. Diamond merupakan susunan

segiempat yang diputar 45o. Gambar 2.7 menunjukkan sketsa kedua tipe susunan.

Sy Sy

Sx

Sx

13

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

2.2.3.3 Oblong

Sirip pin oblong merupakan perpaduan antara bentuk silinder dan bentuk

kubus. Sirip pin oblong tersusun pada sudut orientasi yang berbeda, γ,

berdasarkan arah aliran. Gambar 2.8 menunjukkan tata nama yang digunakan

dalam sirip pin oblong.

Gambar 2.8 Konfigurasi susunan staggered menggunakan sirip pin oblong

2.2.3.4 Ellips

Sirip pin ellips adalah bentuk silinder yang direntangkan dalam satu arah

garis diameternya. Gambar 2.9 menunjukkan sketsa geometri circular fin dan dua

bentuk sirip pin ellips. Dalam menguji sirip pin ellips, sumbu utama (major axis)

segaris dengan arah aliran.

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

14

Bentuk-bentuk sirip pin ellips dapat dijelaskan sebagai berikut:

a. Standard Elliptical Fin (SEF)

Sirip pin ini mempunyai standar penampang ellips dengan panjang sumbu

minor sama dengan diameter circular fin dan panjang sumbu utama adalah

1,67 kali panjang sumbu minor. Luas permukaan dari SEF dihitung 1,35 kali

luas permukaan circular fin, tetapi luas frontal efektif sama dengan circular fin

karena panjang sumbu minor sama dengan diameter circular fin.

b. N fin

Bentuk sirip ini diturunkan dari seri airfoil simetris 4 digit NACA. Panjang

sumbu minor sama dengan diameter circular fin dan panjang sumbu utama 2,5

kali panjang sumbu minor. Luas permukaan N fin dihitung 1,85 kali lebih

besar daripada luas permukaan circular fin. Luas frontal efektif adalah sama

dengan circular fin.

2.2.4 Aplikasi Sirip Pin

Perpindahan panas dari susunan sirip pin merupakan subjek yang sangat

penting dengan banyak aplikasi keteknikan. Aplikasi tersebut mulai dari alat

penukar panas kompak, boiler untuk turbin uap dan pendinginan internal secara

konveksi dari turbin gas. Seperti pada gambar 2.10, sirip pin biasanya dimasukkan

dalam ruang pendinginan dalam (internal cooling) dekat trailing edge dari sudu

turbin untuk meningkatkan perpindahan panas. Hal ini memungkinkan sudu

beroperasi dalam temperatur tinggi tanpa mengalami kerusakan, sehingga

meningkatkan efisiensi termal dan daya output.

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

15

Oleh karena pertimbangan aerodinamis, seperti pada gambar 2.10, trailing

edge dari sudu menuntut profil yang semakin mengecil. Untuk itu, ruang

pendinginan dalam daerah ini harus dengan bentuk penampang trapesium.

Pendingin dari pangkal sudu (blade base) bergerak memutar ke samping

kemudian dikeluarkan dari slot ujung sudu, atau melalui saluran sirip pin

kemudian keluar dari slot sepanjang trailing edge sudu. Namun, kebanyakan

penelitian yang dilakukan adalah untuk sirip pin yang menggunakan saluran

segiempat (rectangular channel) dengan aliran keluar yang lurus.

2.2.5 Perpindahan Panas

Perpindahan panas adalah ilmu yang mempelajari tentang cara untuk

meramalkan perpindahan (distribusi) energi berupa panas yang terjadi karena

adanya perbedaan temperatur di antara benda atau material. Perpindahan panas

dapat dibagi menjadi tiga macam, yaitu perpindahan panas secara konduksi,

konveksi dan radiasi.

Perpindahan panas secara konduksi adalah distribusi energi berupa panas

yang terjadi pada benda atau medium yang diam (padat) bertemperatur tinggi ke

bagian benda yang bertemperatur rendah atau terdapat gradien temperatur pada

benda tersebut. Untuk menghitung perpindahan panas konduksi dapat

dipergunakan rumus:

xTAkQ ∆

= (2.1)

dimana: Q = laju perpindahan panas (Watt)

k = konduktivitas termal (W/m.oC)

A = luasan perpindahan panas arah normal Q (m2)

∆T = beda temperatur (oC)

x = ketebalan bahan (m)

Perpindahan panas konveksi adalah distribusi energi berupa panas yang

terjadi karena terdapat aliran fluida. Perpindahan panas konveksi dapat dihitung

dengan rumus sebagai berikut:

TAhQ ∆= (2.2)

dimana: h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 oC)

16

Perpindahan panas konveksi ada dua macam, yaitu:

1. Konveksi alami (natural convection)

Adalah perpindahan panas konveksi yang terjadi karena berubahnya

densitas fluida tersebut yang disebabkan adanya pemanasan.

2. Konveksi paksa (forced convection)

Adalah perpindahan panas konveksi konveksi yang berlangsung dengan

bantuan peralatan mekanis, misalnya udara yang dihembuskan di atas plat

oleh kipas.

Perpindahan panas radiasi adalah distribusi energi berupa panas yang terjadi

melalui pancaran gelombang cahaya dari suatu zat ke zat yang lain tanpa zat

perantara. Untuk menghitung besarnya panas yang dipancarkan digunakan rumus:

4TAQ σε= (2.3)

dimana: Q = panas yang dipancarkan (Watt)

ε = emisivitas (0 s.d. 1)

A = luas perpindahan panas (m2)

T = temperatur (K)

σ = konstanta Stefan-Boltzmann = 5,669 x 10-8 W/m2.K4

Khusus untuk benda hitam sempurna menurut hukum Stefan-Boltzmann:

4TAQ σ= (2.4)

2.2.6 Parameter tanpa Dimensi

Persamaan perpindahan panas konveksi berkaitan dengan variabel penting

yang dinamakan parameter tanpa dimensi (dimensionless). Parameter tanpa

dimensi dalam kaitannya dengan perpindahan panas konveksi adalah:

a. Bilangan Reynolds (Reynolds Number)

Bilangan Reynolds 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.

17

Gaya inersia dalam bentuk [ ] xuuρ ∂∂ /)( dapat didekati dengan persamaan:

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

( )[ ] ,yyuµτ yyx ∂∂∂∂=∂∂ dapat didekati dengan persamaan: 2LVµFs = .

Perbandingan kedua gaya tersebut dapat ditulis:

L

s

I ReµVLρ

LVµLVρ

FF

=== 2

2

(2.5)

b. Bilangan Nusselt (Nusselt Number)

Bilangan Nusselt adalah bilangan tanpa dimensi yang menyatakan

perbandingan antara koefisien perpindahan panas konveksi terhadap

konduktivitas termal fluida. Bilangan ini menyediakan sebuah perhitungan

tentang perpindahan panas konveksi yang terjadi pada permukaan. Bilangan

Nusselt dirumuskan:

kdhNu =

(2.6)

2.2.7 Perhitungan Perpindahan Panas dan Faktor Gesekan pada Pin Fin

Assembly

2.2.7.1 Perhitungan Perpindahan Panas (Heat Transfer)

Kesetimbangan energi kondisi tunak (steady state) untuk permukaan uji

yang dipanaskan secara elektrik adalah sebagai berikut:

lossconvelect QQQ += (2.7)

dimana: Qelect = laju aliran panas dari listrik (W)

Qconv = laju perpindahan panas konveksi (W)

Qloss = laju aliran panas yang hilang dari sistem (W)

Input panas listrik dapat dihitung dari tegangan listrik dan arus listrik yang

disuplai ke permukaan. Kehilangan panas (heat loss) dari sistem dapat disebabkan

karena radiasi dari permukaan maupun konduksi melalui dinding-dinding saluran

ke atmosfer. Sehingga persamaan (2.7) dapat ditulis menjadi:

condradconvelect QQQQ ++= (2.8)

dimana: Qrad = laju perpindahan panas radiasi (W)

Qcond = laju perpindahan panas konduksi (W)

18

Pada penelitian yang serupa, Naik et al (1987) dan Hwang dan Liou (1995)

melaporkan bahwa total heat loss radiasi dari permukaan uji yang serupa adalah

sekitar 0,5% dari total input panas listrik, sehingga radiative heat loss diabaikan.

Heat loss karena konduksi dari sisi dinding-dinding dapat diabaikan dibandingkan

dari permukaan bawah dari seksi uji, karena luas total sisi plat yang dipanaskan

jauh lebih kecil dari luas permukaan bawah. Pada penelitian ini, permukaan

bawah dari plat uji tidak dipapar ke aliran, dan disolasi dengan kombinasi lapisan

isolator dan lapisan kayu, sehingga heat loss konduksi dapat diabaikan. Analisis

data akan memuaskan jika persentase total heat loss, conv

convelect

QQQ −

kurang dari

10% (Naphon, P., 2007).

Maka persamaan (2.8) menjadi:

convelect QQ = (2.9)

Panas yang dipindahkan dari permukaan bersirip dengan cara konveksi adalah:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +−=

2.. outin

bsconvTT

TAhQ (2.10)

dimana: Qconv = laju perpindahan panas konveksi (W)

h = koefisien perpindahan panas konveksi rata - rata

(W/m2.K)

As = luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara

dari susunan sirip pin (m2)

bT = temperatur base plate (K)



Dari persamaan (2.10), Qconv dapat juga dinyatakan dengan:

( )inoutpconv TTCmQ −= ..& (2.11)

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

Cp = panas jenis udara (J/kg.K)



19

Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) dapat dihitung menggunakan

kombinasi persamaan (2.10) dan (2.11), sehingga didapatkan bahwa:

( )( )( )[ ]2...

inoutbs

inoutp

TTTATTCm

h+−

−=

& (2.12)

Dari persamaan (2.12), laju aliran massa udara, ,m& dapat dihitung dengan

persamaan:

VAm ..ρ=& (2.13)

dimana: ρ = massa jenis udara (kg/m3)



Gambar 2.11 Susunan sirip pin dalam suatu saluran udara segiempat dengan clearance nol

Untuk clearance nol seperti pada gambar 2.11, maka A dihitung dengan rumus:

bWHA .= (2.14)

As adalah luas seluruh permukaan yang kontak dengan udara dari susunan sirip

pin atau luas permukaan total dari permukaan plat dasar dan sirip, dan dapat

dihitung dengan menggunakan persamaan:

4..

....2

ffbs

NdπNHdπLWA −+= (2.15)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+=

4.... dHNdπLWA fbs (2.16)

20

dimana: Wb = lebar plat dasar untuk susunan sirip pin (m)

L = panjang plat dasar untuk susunan sirip pin (m)

d = diameter sirip pin (m)

Nf = jumlah total sirip pin dalam susunan sirip pin

H = tinggi saluran udara atau sirip pin (m)

Dari persamaan (2.12), nilai-nilai bT , inT dan outT diukur dari penelitian yang

dilakukan menggunakan termokopel. Sedangkan sifat termofisik dari udara Cp

dihitung berdasarkan temperatur udara rata-rata, ( ) 2outinf TTT += menggunakan

persamaan sebagai berikut:

( ) K.kgJ10]2107,78185,9[ 24 −− ++= xTTxC outinp (2.17)

Persamaan (2.17) berlaku untuk udara pada K4002

K250 ≤+

≤ outin TT

dan pada

tekanan atmosfer.

Parameter tanpa dimensi yang digunakan dalam perhitungan perpindahan

panas untuk permukaan bersirip dihitung sebagai berikut:

a. Bilangan Reynolds (Re)

Dua jenis bilangan Reynolds digunakan untuk menggolongkan kondisi aliran.

Pertama adalah bilangan Reynolds berdasarkan kecepatan rata-rata (V) dalam

saluran halus (smooth duct) dan diameter hidrolik dari saluran (Dh) dan

dinyatakan dengan:

νDV

Re h.= (2.18)

µ

DVρRe h..

= (2.19)

dimana: Re = duct Reynolds number



ν = viskositas kinematik udara (m2/s)


µ = viskositas dinamik udara (kg/m.s)

21

Kedua adalah bilangan Reynolds berdasarkan kecepatan maksimum melalui

sirip pin dan ketebalan dari sirip pin, yaitu:

µ

ρ dVRe maks

D..

= (2.20)

Vmaks dihitung dengan menggunakan persamaan:

VAAAV

frontmaks .⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−= (2.21)

dimana: ReD = pin Reynolds number

Vmaks = kecepatan udara maksimum yang melalui sirip pin

(m/s)



Afront = luas frontal dari sirip-sirip (m2)

ReD telah digunakan secara luas dalam banyak studi perpindahan panas pada

sirip pin, dan ReD tergantung pada jumlah pin dalam arah spanwise dan tinggi

dari sirip pin. Re di atas biasa disebut sebagai duct Reynolds number dan ReD

disebut sebagai pin Reynolds number.

b. Bilangan Nusselt (Nu)

Seperti pada definisi bilangan Reynolds, bilangan Nusselt rata-rata juga

dinyatakan dengan duct Nusselt number dan pin Nusselt number, dimana

berturut-turut dinyatakan dengan persamaan:

kDh

Nu h.= (2.22)

kdhNuD

.= (2.23)

dimana: Nu = duct Nusselt number

NuD = pin Nusselt number


k = konduktivitas termal udara (W/m.K)


h = koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata

(W/m2.K)

22

Untuk saluran udara segiempat, diameter hidrolik dihitung dengan persamaan:

( )b

bh WH

WHPAD

+==

2..4.4 (2.24)

Sifat fisik udara, µ dan k dihitung berdasarkan temperatur udara rata-rata,

( ) 2outinf TTT += menggunakan persamaan sebagai berikut:

( ) 62 10]210483,49934,4[ −− ++= xTTx outinµ kg/m.s (2.25)

( ) 32 10]210495,77415,3[ −− ++= xTTxk outin W/m.K (2.26)

Persamaan 2.25 dan 2.26 berlaku untuk udara pada K4002

K250 ≤+

≤ outin TT dan

pada tekanan atmosfer.

2.2.7.2 Perhitungan Faktor Gesekan (Friction Factor)

Penelitian penurunan tekanan (pressure drop) sepanjang seksi uji dalam

saluran bersirip diukur di bawah kondisi aliran panas. Pengukuran ini dikonversi

ke faktor gesekan (friction factor), f. Faktor gesekan ditentukan dari nilai

pengukuran penurunan tekanan, ∆P, sepanjang seksi uji menggunakan persamaan:

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

2

∆2Vρ

DL

Pf

h

t

(2.27)

dimana: f = faktor gesekan

∆P = perbedaan tekanan statik (N/m2)

Lt = panjang seksi uji (m)

Dh = diameter hidrolik (m)



2.2.7.3 Perhitungan Unjuk Kerja Termal pada Pin-Fin Assembly

Peningkatan perpindahan panas dicapai dengan disertai penurunan tekanan.

Dalam banyak aplikasi praktis hal tersebut diperbolehkan, sehingga perlu untuk

menentukan keuntungan ekonomis karena peningkatan perpindahan panas dan

pengaruh sirip pin dan susunannya terhadap unjuk kerja energi menyeluruh dari

sistem perpindahan panas sekarang melalui sebuah analisis unjuk kerja termal.

23

Daya pemompaan (pumping power) adalah daya yang dibutuhkan untuk

mengalirkan fluida pendingin ke susunan sirip pin, dalam hal ini adalah daya

blower. Untuk sebuah daya pemompaan yang konstan, efektivitas peningkatan

perpindahan panas dari permukaan bersirip dibandingkan dengan permukaan

halus dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

aass PVPV ∆.∆. && = (2.28)

dimana sV& dan aV& berturut-turut adalah laju aliran volumetrik di atas plat tanpa

halangan (blocks) dan laju aliran volumetrik di atas plat dengan halangan,

sedangkan sP∆ dan aP∆ berturut-turut adalah penurunan tekanan tanpa halangan

dan penurunan tekanan dengan halangan. Menggunakan persamaan Darcy untuk

penurunan tekanan dan bilangan Reynolds untuk masing-masing geometri, dari

hubungan antara permukaan dengan sirip dan permukaan halus untuk daya

pemompaan yang sama, persamaan (2.31) dapat ditulis ulang menjadi:

3aa

3ss RefRef .. = (2.29)

Unjuk kerja termal peningkatan perpindahan panas untuk suatu daya pemompaan

yang konstan dapat dinyatakan sebagai berikut:

( )psa hh=η (2.30)

dimana: ha = koefisien perpindahan panas konveksi dengan sirip

(W/m2.K)

hs = koefisien perpindahan panas konveksi tanpa sirip

(W/m2.K)

Jika nilai η ≥ 1, teknik yang dipakai untuk menaikkan laju perpindahan panas

adalah menguntungkan dari sudut pandang energi. Jika η ≤ 1, energi yang

digunakan untuk menaikkan laju perpindahan panas lebih besar daripada yang

diperoleh.

24

BAB III

3 METODOLOGI PENELITIAN I

3.1 Tempat Penelitian

Penelitian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan

Termodinamika, Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas

Maret Surakarta.

3.2 Alat Penelitian

Gambar 3.1 Skema alat penelitian

Gambar 3.2 Satu set alat uji inline cylindrical pin fin assembly

Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah:

a. Saluran udara segiempat (rectangular channel)

Saluran udara segiempat terbuat dari kayu yang permukaan bagian dalam

dan luarnya dilapisi melamin. Dimensi penampang bagian dalam dari

saluran udara segiempat adalah 150 mm x 75 mm x 2.000 mm.

25

b. Pelurus aliran udara (flow straightener)

Pelurus aliran udara tersusun dari sedotan plastik berdiameter 5 mm,

panjang 200 mm sehingga dimensi keseluruhan dari pelurus aliran udara

adalah 150 mm x 75 mm x 200 mm.

Gambar 3.3 Pelurus aliran udara (flow straightener)

c. Fan hisap

Fan hisap merupakan modifikasi dari blower, sedemikian rupa sehingga

blower dapat menghisap udara.

Gambar 3.4 Fan hisap

d. Rheostat

Rheostat digunakan untuk mengatur putaran fan hisap agar didapatkan

kecepatan udara yang diinginkan.

Gambar 3.5 Rheostat

26

e. Anemometer

Anemometer digunakan untuk mengukur kecepatan aliran udara yang

masuk ke dalam saluran udara segiempat.

Gambar 3.6 Anemometer

f. Pemanas listrik (electric heater)

Pemanas terbuat dari pita nikelin dengan panjang 4.000 mm, lebar 3 mm

dan tebal 1,3 mm yang dililitkan pada kertas mika tahan panas dengan

dimensi panjang 200 mm, lebar 150 mm dan tebal 1 mm.

Gambar 3.7 Pemanas listrik (electric heater)

g. Regulator

Regulator digunakan untuk mengatur tegangan listrik yang dialirkan ke

heater sehingga temperatur base plate dapat dijaga konstan pada setiap

variasi kecepatan dan variasi jarak antar titik pusat sirip pin arah

streamwise.

Gambar 3.8 Regulator pengatur tegangan listrik yang masuk heater

27

h. Multitester digital

Multitester digital digunakan untuk mengukur besarnya tegangan listrik

yang dibutuhkan pemanas listrik untuk mencapai temperatur base plate

yang diinginkan.

Gambar 3.9 Multitester digital

i. Amperemeter

Amperemeter digunakan untuk mengukur besarnya arus listrik yang

dibutuhkan pemanas listrik untuk mencapai temperatur base plate yang

diinginkan.

Gambar 3.10 Amperemeter

j. Manometer U

Manometer terbuat dari selang plastik berdiameter 5 mm yang kedua

ujungnya ditempatkan pada awal dan akhir dari seksi uji, sehingga dapat

mengukur besarnya beda tekanan yang terjadi antara keduanya. Fluida

yang digunakan dalam manometer ini adalah solar.

Gambar 3.11 Manometer U dan posisi titik pengukuran tekanan

28

k. Termokopel

Menggunakan termokopel tipe T sebanyak 17 buah, dimana 3 buah

termokopel digunakan untuk mengukur temperatur udara inlet, 5 buah

termokopel untuk mengukur temperatur udara outlet dan 9 buah

termokopel untuk mengukur temperatur base plate yang direkatkan

dengan lem Araldite.

Gambar 3.12 Termokopel tipe T

l. Thermocouple reader

Alat ini digunakan untuk menunjukkan temperatur yang terukur oleh

sensor termokopel.

Gambar 3.13 Thermocouple reader

3.3 Spesimen

Spesimen berupa pin fin assembly dengan dimensi base plate panjang 200

mm, lebar 150 mm dan tebal 6,5 mm, sedangkan profil sirip adalah silinder pejal

dengan diameter sirip 12,7 mm dan tinggi sirip 75 mm. Bahan base plate dan sirip

adalah duralumin.

Gambar 3.14 Dimensi dan tata nama spesimen

29

Gambar 3.15 Model spesimen

Spesifikasi spesimen adalah sebagai berikut:

Tabel 3.1 Spesifikasi spesimen penelitian Spesimen Sx Sy H Wb L

1 37,5 mm 25 mm 75 mm 150 mm 200 mm 2 37,5 mm 30 mm 75 mm 150 mm 200 mm 3 37,5 mm 37,5 mm 75 mm 150 mm 200 mm 4 37,5 mm 50 mm 75 mm 150 mm 200 mm 5 Plat tanpa sirip

Gambar 3.16 Spesimen 1 Gambar 3.17 Spesimen 2

Gambar 3.18 Spesimen 3 Gambar 3.19 Spesimen 4

30

3.4 Pelaksanaan Penelitian

Pengujian dilakukan pada keadaan diam (statis). Sistem beroperasi pada

temperatur udara masuk yang konstan sebesar 26 oC dan temperatur base plate

yang konstan sebesar 60 oC. Alat penelitian harus dinetralkan terlebih dahulu

seperti pada kondisi pengujian sebelumnya (kondisi awal) untuk periode

pengujian selanjutnya. Pengambilan data penelitian berupa temperatur dilakukan

hingga semua temperatur udara keluar seksi uji mencapai kondisi steady state.

Data-data temperatur dan beda tekanan pada keadaan steady state inilah yang

akan digunakan untuk analisis data penelitian. Dalam setiap pencatatan data akan

diperoleh 17 data temperatur (3 data temperatur udara masuk seksi uji, 5 data

temperatur udara keluar seksi uji dan 9 data temperatur base plate).

3.4.1 Tahap Persiapan

Memastikan bahwa seluruh alat yang digunakan dalam pengujian, seperti

fan hisap, saluran udara, seksi uji, heater, regulator, rheostat, manometer dan alat

pendukung lainnya telah terpasang dengan benar dan berfungsi dengan baik.

Memastikan termokopel pengukur temperatur udara masuk dan keluar telah

terhubung ke thermocouple reader serta termokopel pengukur temperatur

permukaan base plate spesimen telah terpasang dengan benar.

3.4.2 Tahap Pengujian

1. Memasang spesimen ke dalam saluran udara.

2. Menghubungkan semua termokopel pengukur temperatur base plate

dengan thermocouple reader.

3. Menyalakan heater sebagai pemanasan awal (preheating) sebesar 70 oC.

4. Menghidupkan fan hisap.

5. Mengatur kecepatan udara sebesar 0,5 m/s dengan mengatur putaran fan

menggunakan rheostat.

6. Mengatur temperatur base plate pada temperatur 60 oC.

7. Mencatat seluruh data temperatur dan tekanan setiap 10 menit sampai

didapatkan temperatur steady.

8. Mencatat tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan

hisap.

9. Mencatat beda tekanan yang terjadi yang terukur pada manometer U.

31

10. Mematikan heater setelah selesai mengambil data.

11. Mematikan fan.

12. Mengulangi pengujian untuk variasi kecepatan udara yang lain (1 m/s, 2

m/s, 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s).

13. Mengulangi langkah (3) – (11).

14. Mengulangi pengujian untuk variasi jarak antar titik pusat sirip pin arah

streamwise, Sy yang lain (30 mm, 37,5 mm dan 50 mm).


16. Mengulangi pengujian untuk spesimen tanpa sirip.


18. Mengatur daya pemompaan.


3.5 Proses Analisis Data

Berdasarkan data hasil pengujian, yaitu berupa kecepatan aliran udara,

temperatur rata-rata udara masuk seksi uji, temperatur rata-rata udara keluar seksi

uji, temperatur rata-rata base plate, beda tekanan serta tegangan listrik dan arus

listrik yang disuplai ke heater, maka dapat dilakukan perhitungan dan analisis

mengenai karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk

kerja termal dari inline cylindrical pin fin assembly. Dari hasil perhitungan

tersebut akan dibuat grafik-grafik yang menunjukkan pengaruh jarak antar titik

pusat sirip pin dalam arah aliran (streamwise direction, Sy/D) terhadap koefisien

perpindahan panas rata-rata (h) dengan bilangan Reynolds (Re), bilangan Nusselt

(Nu) dengan bilangan Reynolds, faktor gesekan (f) dengan bilangan Reynolds, dan

efisiensi (η) dengan bilangan Reynolds, serta grafik bilangan Nusselt dengan Sy/D.

Kemudian dari grafik-grafik tersebut akan dilakukan analisis.

32

3.6 Diagram Alir Penelitian

Variasi: • Kecepatan aliran udara; 0,5 m/s, 1 m/s, 2 m/s, 3

m/s, 4 m/s, 5 m/s, 5,5 m/s dan 6 m/s. • Jarak antar titik pusat sirip pin dalam arah aliran

udara (streamwise); 25 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm.

Analisis data: • Laju aliran panas dari listrik (Qelect) • Laju perpindahan panas konveksi (Qconv) • Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata (h) • Bilangan Reynolds (Re) • Bilangan Nusselt (Nu) • Faktor Gesekan (f) • Unjuk kerja termal dari Inline cylindrical pin fin

assembly (η)

Pengumpulan data: • Temperatur udara masuk seksi uji (Tin),

temperatur udara keluar seksi uji (Tout) dan temperatur permukaan plat

• Beda tekanan udara masuk dan udara keluar seksi uji (∆P)

Kesimpulan

Selesai

Hasil analisis data: Karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan

serta unjuk kerja termal

Mulai

Persiapan: Inline cylindrical pin fin assembly

33

BAB IV

4 DATA DAN ANALISIS I

Pada bab ini akan dianalisis mengenai pengaruh bilangan Reynolds dan

jarak antartitik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise direction) terhadap

karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan serta unjuk kerja termal

dari cylindrical pin fin assembly yang disusun secara segaris (inline) dalam

saluran segiempat (rectangular channel).

Pengujian dilakukan dengan variasi kecepatan aliran udara masuk antara 0,5

– 6 m/s, dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah aliran udara (streamwise

direction, Sy/D) yaitu sebesar 25 mm, 30 mm, 37,5 mm dan 50 mm. Data yang

diperoleh dalam pengujian ini, yaitu kecepatan udara masuk, temperatur udara

masuk, temperatur udara keluar, temperatur base plate, penurunan tekanan serta

tegangan dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan hisap. Sistem dijalankan

sampai didapatkan temperatur pada kondisi steady pada tiap variasi pengujian.

Proses pengambilan data adalah setiap 10 menit hingga tercapai kondisi steady.

4.1 Data Hasil Pengujian

Pengujian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan

Termodinamika Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret

Surakarta.

Dari hasil pengamatan temperatur udara masuk seksi uji, temperatur udara

keluar seksi uji, temperatur base plate, penurunan tekanan, kecepatan aliran udara

masuk serta tegangan listrik dan arus listrik yang disuplai ke heater dan fan hisap

saat pengujian pada kondisi steady, diperoleh data seperti pada tabel 4.1 – 4.4 di

bawah ini.

(a) (b) (c)

Gambar 4.1 Posisi titik pengukuran (a) temperatur udara masuk saluran (b) temperatur base plate dan (c) temperatur udara keluar saluran.

34

1. Spesimen 1

Tabel 4.1Data hasil pengujian spesimen 1 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 1,97) Kecepatan aliran udara (m/s)

0,5 1 2 3 4 5 5,5 6

Tegangan heater (V) 41 53 70 77 87 93 96 99

Arus heater (A) 2,2 2,8 3,6 4,1 4,5 4,9 5 5,2

Tegangan fan (V) 56 70 86 98 113 134 155 185

Arus fan (A) 1,1 1,3 1,35 1,65 1,75 1,85 1,95 2,05

Beda tinggi fluida manometer (mm) 0,5 0,75 1,5 2 3,25 4,75 6 7

Tin,1 (oC) 26,2 26,3 26,3 26,4 26,3 26,2 26,3 26,2

Tin,2 (oC) 26,2 26,2 26,3 26,4 26,3 26,2 26,2 26,2

Tin,3 (oC) 26,2 26,2 26,2 26,3 26,2 26,2 26,2 26,1

Tin,rata-rata (oC) 26,2 26,23 26,27 26,37 26,27 26,2 26,23 26,13

Tbase,1 (oC) 60,8 58,9 58,8 56 55,6 53,5 53,3 52,8

Tbase,2 (oC) 61,8 60 59,3 57,4 57,5 58,8 58,2 57,5

Tbase,3 (oC) 58,8 56,9 56,8 56,3 56 55,2 54,6 55,2

Tbase,4 (oC) 60,4 57,1 58,5 59,8 58,7 58,4 58,7 58,2

Tbase,5 (oC) 56,7 57,4 57,7 61,4 61,8 62,2 62,5 62

Tbase,6 (oC) 57,7 61,5 58,7 60,6 59,2 60,6 59,8 59,3

Tbase,7 (oC) 63,3 64,6 63,6 63,4 63,6 63,4 63,8 65,2

Tbase,8 (oC) 62,3 64,7 61,7 63,2 64,4 66,8 67 66,5

Tbase,9 (oC) 60,1 60,3 60,8 62,8 63,2 64,8 64,9 64,4

Tbase, rata-rata (oC) 60,21 60,16 59,54 60,1 60 60,41 60,31 60,3

Tout,1 (oC) 36,8 35 33,7 32,2 32,2 31,5 31 30,8

Tout,2 (oC) 36 34,2 33,8 32 31,3 30,8 30,7 30,6

Tout,3 (oC) 36,3 34,3 33,9 32,3 31,4 31 30,8 30,7

Tout,4 (oC) 37 35,2 35 33,8 33,1 33 33,2 33

Tout,5 (oC) 36,6 34,9 33,5 32,1 32,1 31,4 30,9 30,6

Tout, rata-rata (oC) 36,54 34,8 33,6 32,48 32,02 31,54 31,32 31,14

35

2. Spesimen 2

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

0,5 1 2 3 4 5 5,5 6


Arus heater (A) 2 2,6 3,2 3,6 4 4,2 4,5 4,6

Tegangan fan (V) 55 69 86 98 113 134 153 186

Arus fan (A) 1,1 1,3 1,35 1,65 1,75 1,85 1,9 2,05

Beda tinggi fluida manometer (mm) 0,3 0,6 1,25 1,75 2,5 3,5 4,25 5,25

Tin,1 (oC) 26,3 26,2 26,3 26,3 26,3 26,3 26 26,3

Tin,2 (oC) 26,3 26,2 26,2 26,2 26,2 26,3 25,8 26,3

Tin,3 (oC) 26,3 26,1 26,2 26,2 26,2 26,2 25,8 26,2

Tin,rata-rata (oC) 26,3 26,17 26,23 26,23 26,23 26,27 25,87 26,27

Tbase,1 (oC) 59,7 60,1 60 60 59,6 59,2 58,9 59

Tbase,2 (oC) 59,2 59,5 59,6 59,3 58,6 58,2 58 58

Tbase,3 (oC) 60,1 60,2 60,7 60,1 59,5 59,5 60 59,5

Tbase,4 (oC) 59,8 59,1 58,8 58,8 59,3 59,5 59,6 60

Tbase,5 (oC) 60,5 60,3 60,6 60,9 60,6 60,6 60,6 60,9

Tbase,6 (oC) 61,8 61,1 61,8 62,9 63,5 64,5 65 64,6

Tbase,7 (oC) 60,4 60,3 60,2 60,2 59 58,8 58,9 60

Tbase,8 (oC) 60,7 60,5 59,8 60 59,3 59,1 59,2 59,6

Tbase,9 (oC) 60,2 59,8 59,8 61,1 60,8 61,1 61,7 61,4

Tbase, rata-rata (oC) 60,43 60,2 59,93 60,43 59,7 59,67 59,93 60,33

Tout,1 (oC) 34,8 33,8 31,9 31,3 30,7 30,3 29,8 30,2

Tout,2 (oC) 34,4 32,8 31,5 30,4 30 29,6 29,5 29,7

Tout,3 (oC) 34,5 33 31,8 30,6 30,1 29,8 29,7 29,8

Tout,4 (oC) 35 34 32,9 31,7 31,2 30,9 30,3 30,6

Tout,5 (oC) 34,9 33,6 31,8 31,2 30,8 30,4 30 30,3

Tout, rata-rata (oC) 34,8 33,53 32,17 31,17 30,7 30,37 30 30,23

36

3. Spesimen 3


0,5 1 2 3 4 5 5,5 6


Arus heater (A) 1,8 2,4 3 3,4 3,7 3,8 4,1 4,3

Tegangan fan (V) 56 70 86 98 114 134 154 186

Arus fan (A) 1,1 1,3 1,35 1,65 1,75 1,85 1,95 2,05

Beda tinggi fluida manometer (mm) 0,25 0,5 1 1,5 2,25 3,5 4,25 5,25

Tin,1 (oC) 26,3 26 26,3 26,3 26,2 26,3 26,3 26,3

Tin,2 (oC) 26,2 26 26,2 26,3 26 26,3 26,2 26,2

Tin,3 (oC) 26,2 26 26,2 26,2 26 26,2 26,2 26,1

Tin,rata-rata (oC) 26,23 26 26,23 26,27 26,07 26,27 26,23 26,2

Tbase,1 (oC) 58 59,7 59 59,1 57,1 57,2 58 57,8

Tbase,2 (oC) 61,4 62,6 62,2 62,4 61,4 62 63,3 60,2

Tbase,3 (oC) 57,3 54,3 58,1 58,2 56,6 56,7 58,3 58,5

Tbase,4 (oC) 61,3 62 62 61,5 59 58,5 59,2 60

Tbase,5 (oC) 59,7 60 60 59 57 56,5 57,2 58,7

Tbase,6 (oC) 60,3 61,2 60,6 59,9 60 61,3 62,7 63,6

Tbase,7 (oC) 59,5 60,3 59,6 63,7 64,2 60,6 60,9 60,2

Tbase,8 (oC) 59,8 59,6 58,1 58,8 60,4 56 57,9 57,6

Tbase,9 (oC) 61,8 62 60,1 63 64,6 65 66,9 66,4


Tout,1 (oC) 33,2 32 31,2 30,2 29,6 29,3 29,2 29,3

Tout,2 (oC) 33 31,4 30,5 29,8 29,4 29,1 29,3 29,2

Tout,3 (oC) 33,3 31,7 30,7 30,2 29,4 29,1 29,4 29,4

Tout,4 (oC) 33,6 32,6 31,2 31,5 30,8 30,5 30,7 30,5

Tout,5 (oC) 33,4 32,3 31,4 30,5 29,7 29,4 29,4 29,4

Tout, rata-rata (oC) 33,43 32,2 31,1 30,73 29,97 29,67 29,83 29,77

37

4. Spesimen 4


0,5 1 2 3 4 5 5,5 6


Arus heater (A) 1,7 2,3 2,8 3,1 3,6 3,7 3,8 3,9

Tegangan fan (V) 56 69 86 98 113 133 154 185

Arus fan (A) 1,1 1,3 1,35 1,65 1,75 1,85 1,9 2,04

Beda tinggi fluida manometer (mm) 0,2 0,3 2 3 2,25 3,5 4 5

Tin,1 (oC) 26,5 26,6 26,2 26,1 26,4 26 26 25,8

Tin,2 (oC) 26,5 26,6 26,2 26,1 26,3 26 26 25,8

Tin,3 (oC) 26,5 26,6 26,2 26,1 26,4 26 26 25,8

Tin,rata-rata (oC) 26,5 26,6 26,2 26,1 26,37 26 26 25,8

Tbase,1 (oC) 58 58 59,5 61,3 59,4 59,3 59,2 59,2

Tbase,2 (oC) 61,1 61 60,8 59,4 60,4 60,6 60,4 60

Tbase,3 (oC) 59,2 58,5 56,9 58,6 57,4 57,8 57,8 57,9

Tbase,4 (oC) 59 61,3 61,9 61 61,8 61,6 61,3 61,1

Tbase,5 (oC) 60,5 59 58,8 58 58,7 58,6 58,4 58,3

Tbase,6 (oC) 59,2 62,4 61 61,2 62,8 64,3 63,4 63,4

Tbase,7 (oC) 61,5 61,3 62 60,8 61,4 61,2 60,8 60,6

Tbase,8 (oC) 61,8 61,2 62 61,2 62,2 62,3 62,2 62

Tbase,9 (oC) 60,5 57,2 57,2 57,1 58,5 58,1 58,2 58


Tout,1 (oC) 33 32,5 30,4 29,4 29,4 28,6 28,5 28,2

Tout,2 (oC) 32,2 31 29,6 29 29,2 28,4 28,4 28

Tout,3 (oC) 32,4 31,2 29,8 29,2 29,4 28,7 28,6 28,2

Tout,4 (oC) 33,2 32,7 32 31,2 31,4 30,4 30,3 30

Tout,5 (oC) 32,9 32,4 30,2 29,5 29,6 28,9 28,7 28,4

Tout, rata-rata (oC) 32,83 32,1 30,67 29,97 30,13 29,33 29,2 28,87

38

5. Spesimen 5

Tabel 4.5 Data hasil pengujian spesimen 5 (pelat tanpa sirip) Kecepatan aliran udara (m/s)

0,6 1,1 2,2 3,3 4,4 5,6 6,3 7


Arus heater (A) 1,1 1,5 1,9 2,1 2,5 2,8 3 3,1

Tegangan fan (V) 56 70 86 98 113 134 154 186

Arus fan (A) 1,1 1,3 1,35 1,65 1,75 1,85 1,95 2,05

Beda tinggi fluida manometer (mm) 0,1 0,15 0,3 0,5 0,75 1 1,2 1,3

Tin,1 (oC) 26,2 26,3 25,9 26,1 25,9 26,3 26 26

Tin,2 (oC) 26,2 26,2 25,9 26,1 26 26,3 26 25,9

Tin,3 (oC) 26,1 26,2 25,8 26 25,8 26,2 25,8 25,8

Tin,rata-rata (oC) 26,17 26,23 25,87 26,07 25,9 26,27 25,93 25,9

Tbase,1 (oC) 59 58,8 59,2 57,2 57,3 57,4 57,8 58,3

Tbase,2 (oC) 56,5 56,5 56,4 56,9 56,5 55,7 55,9 55,6

Tbase,3 (oC) 63,3 64,1 64,7 64,4 64,6 64,8 65 65,2

Tbase,4 (oC) 60,5 59,8 58,3 58,8 59,1 59,7 59,8 60

Tbase,5 (oC) 54,8 54,4 53,4 52,6 52,3 51,8 51,9 51,3

Tbase,6 (oC) 64,7 66,9 67,1 68,1 68,5 69,1 69,4 70,2

Tbase,7 (oC) 64,3 65 63,6 63,8 63,6 64,1 64 64,4

Tbase,8 (oC) 62 61,9 61,8 61,6 61,7 62 62 62,2

Tbase,9 (oC) 63,67 64,6 64,17 64,5 64,6 65,07 65,13 65,6

Tbase, rata-rata (oC) 26,2 26,3 25,9 26,1 25,9 26,3 26 26,4

Tout,1 (oC) 27,3 27,3 27,1 27,1 27 27 27 27

Tout,2 (oC) 26,5 26,4 26,4 26,3 26,3 26,3 26,3 26,2

Tout,3 (oC) 27,4 27,3 27 27 26,8 26,8 26,8 26,7

Tout,4 (oC) 32,6 32,3 31,1 31 31 31 30,8 30,6

Tout,5 (oC) 27,4 27,5 27,3 27,2 27,2 27,1 27,1 27,1

Tout, rata-rata (oC) 28,24 28,16 27,78 27,72 27,66 27,64 27,6 27,52

39

4.2 Perhitungan Data

Data spesimen dan seksi uji:

Panjang seksi uji (Lt) = 250 mm = 0,25 m

Tinggi sirip (H) = 75 mm = 0,075 m

Diameter sirip (d) = 12,7 mm = 0,0127 m

Panjang spesimen (L) = 200 mm = 0,2 m

Lebar spesimen (Wb) = 150 mm = 0,15 m

Contoh perhitungan:

1. Spesimen 1 (Sx/D = 2,95; Sy/D = 1,97; Nf = 28) pada kecepatan udara 0,5 m/s

Data hasil pengujian:

Tegangan heater = Vh = 41 V Tin, rata-rata = inT = 26,2 oC = 299,2 K

Arus heater = Ih = 2,2 A Tout,, rata-rata = outT = 36,5 oC = 309,5 K

Tegangan fan = Vf = 56 V Tbase, rata-rata = bT = 60,2 oC = 333,2 K

Arus fan = If = 1,1 A

Beda ketinggian fluida manometer = h = 0,5 mm

• Pumping power

ϕcosIVP fffan ..=

0,8A1,1V56 xx=

W3,94=

• Temperatur film

( )

2outin

fTT

T+

=

( )2

K309,52,992 +=

K4,043=

• Properti udara pada temperatur film

3mkg1,1469=ρ (tabel Incropera)

( ) 24 10]2107,78185,9[ xTTxxC outinp ++= −

24 10]4,304107,78185,9[ xxx −+=

kg.KJ1005,29=

40

( ) 32 10]210495,77415,3[ −− ++= xTTxxk outin

32 10]4,30410495,77415,3[ −−+= xxx

m.KW0,0266=

( ) 62 10]210483,49934,4[ −− ++= xTTxx outinµ

62 10]4,30410483,49934,4[ −−+= xxx

m.skg0,00001864=

• Luas penampang melintang saluran udara

bWHA .=

m0,15m0,075 x=

2m0,01125=

• Luas total permukaan perpindahan panas

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+=

4.... dHNdπLWA fbs

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+=

4m0,0127m0,07528m0,01273,14m0,2m0,15 xxxx

2m0,11=

• Diameter hidrolik saluran udara

PADh

4=

( )b

b

WHWH+

=2

..4

( )m0,15m0,0752m0,15m0,0754

+=

xxx

m0,1=

• Laju aliran panas dari heater

ϕcos.I.VQ hhelect =

0,8A2,2V14 xx=

W2,27=

41

• Laju aliran massa udara

VAm ..ρ=&

sm0,5m01125,0mkg1,1469 23 xx=

skg0,0065=

• Laju perpindahan panas konveksi

( )inoutpconv TTCmQ −= ..&

( )K299,2309,5kg.KJ1005,29skg0,0065 −= xx

W1,76=

• Heat losses yang terjadi pada seksi uji

%100xQ

QQQ

conv

convelectloss

−=

%100W1,67

W1,7672,2W x−=

%6,7=

• Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata

( )( )( )[ ]2...

inoutbs

inoutpa TTTA

TTCmh

+−

−=

&

( )( )( )[ ]2K2,9925,093K2,333m11,0

K2,9925,093kg.KJ29,0051skg0065,02 +−

−=

xxx

.KmW1,12 2=

• Bilangan Reynolds

µρ hDV

Re..

=

m.skg00001864,0

m0,1sm0,5mkg1469,1 23 xx=

6,3076=

42

• Bilangan Nusselt

kDh

Nu h.=

m.KW0,0266

m0,1.KmW1,12 22 x=

4,79=

• Penurunan tekanan

hgP ..ρ=∆

m0005,0sm81,9mkg800 23 xx=

Pa92,3=

• Faktor gesekan

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

2

∆2Vρ

DL

Pf

h

t

( )⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

2sm5,0mkg1469,1

m1,0m25,0

Pa92,32

3 x

9,10=

43

2. Spesimen tanpa sirip pada pumping power = 49,3 W

Data hasil pengujian:

Tegangan heater = Vh = 19 V Tin, rata-rata = inT = 26,2 oC = 299,2 K

Arus heater = Ih = 1,1 A Tout,, rata-rata = outT = 28,2 oC = 301,2 K

Tegangan fan = Vf = 56 V Tbase, rata-rata = bT = 60,2 oC = 333,2 K

Arus fan = If = 1,1 A

Beda ketinggian fluida manometer = h = 0,1 mm

• Temperatur film

( )

2outin

fTT

T+

=

( )2

K2,3012,992 +=

K2,003=

• Properti udara pada temperatur film

3mkg1,1607=ρ (tabel Incropera)

( ) 24 10]2107,78185,9[ xTTxxC outinp ++= −

24 10]2,300107,78185,9[ xxx −+=

kg.KJ1004,97=

( ) 32 10]210495,77415,3[ −− ++= xTTxxk outin

32 10]2,30010495,77415,3[ −−+= xxx

m.KW0,0262=

( ) 62 10]210483,49934,4[ −− ++= xTTxx outinµ

62 10]2,30010483,49934,4[ −−+= xxx

m.skg0,00001845=

• Luas penampang melintang saluran udara

bWHA .=

m0,15m0,075 x=

2m0,01125=

44

• Luas total permukaan perpindahan panas

bs WLA .=

m0,15m0,2 x=

2m0,03=

• Diameter hidrolik saluran udara

PADh

4=

( )b

b

WHWH+

=2

..4

( )m0,15m0,0752m0,15m0,0754

+=

xxx

m0,1=

• Laju aliran panas dari heater

ϕcos.I.VQ hhelect =

0,8A1,1V91 xx=

W7,61=

• Laju aliran massa udara

VAm ..ρ=&

sm0,6m01125,0mkg1,1607 23 xx=

skg0,008=

• Perpindahan panas konveksi

( )inoutpconv TTCmQ −= ..&

( )K299,2301,2kg.KJ1004,97skg0,008 −= xx

W3,61=

45

• Heat loss yang terjadi

%100xQ

QQQ

conv

convelectloss

−=

%100W3,61

W3,61W7,61 x−=

%4,2=

• Koefisien perpindahan panas

( )( )( )[ ]2...

inoutbs

inoutps TTTA

TTCmh

+−

−=

&

( )( )( )[ ]2K299,22,013K2,333m0,03

K2,9922,013kg.KJ97,0041skg0,0082 +−

−=

xxx

.KmW5,61 2=

• Bilangan Reynolds

µρ hDV

Re..

=

m.skg0,00001845

m0,1sm0,5mkg1607,1 23 xx=

4,3774=

• Bilangan Nusselt

kDh

Nu h.=

m.KW0,02624

m0,1.KmW5,16 22 x=

8,62=

• Penurunan tekanan

hgP ..ρ=∆

m0001,0sm81,9mkg800 23 xx=

Pa78,0=

46

• Faktor gesekan

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

2

∆2Vρ

DL

Pf

h

t

( )⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

2sm6,0

mkg1607,1

m1,0m25,0

Pa78,02

3 x

50,1=

• Unjuk kerja termal pada pin-fin assembly

( )psa hh=η

.KmW5,61.KmW1,12

2

2

=

28,1=

Selanjutnya data perhitungan untuk seluruh variasi pengujian dapat dilihat pada

lampiran C.

47

4.3 Analisis Data

4.3.1 Pengaruh Bilangan Reynolds dan Jarak Antar Titik Pusat Sirip dalam

Arah Streamwise terhadap Karakteristik Perpindahan Panas

Sirip-sirip dipasang secara vertikal pada permukaan uji sehingga

memberikan nilai-nilai Sy/D sebesar 1,97, 2,36, 2,95, dan 3,94, sedangkan nilai

Sx/D konstan sebesar 2,95. Pengaruh bilangan Reynolds terhadap karakteristik

perpindahan panas pada fin pin assembly susunan segaris (inline) dapat dilihat

pada gambar 4.2. Karakteristik perpindahan panas pada pin fin assembly dapat

dilihat pada hubungan antara koefisien perpindahan panas konveksi (h) dan duct

Reynolds number. Gambar 4.2 menunjukkan kelakuan koefisien perpindahan

panas konveksi terhadap bilangan Reynolds pada jarak antar titik pusat sirip

dalam arah streamwise yang berbeda-beda.

Gambar 4.2 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata pada Sx/D = 2,95

Dari gambar 4.2 dapat dilihat bahwa dengan kenaikan bilangan Reynolds,

maka nilai koefisien perpindahan panas konveksi semakin besar. Hal ini terjadi

pada keseluruhan nilai Sy/D, dimana nilai koefisien perpindahan panas konveksi

semakin tinggi untuk nilai Sy/D yang semakin kecil. Semakin besar nilai koefisien

perpindahan panas konveksi, maka semakin besar laju perpindahan panas

konveksi yang terjadi.

Karakteristik perpindahan panas pada pin fin assembly juga dapat dilihat

pada hubungan antara duct Nusselt number dan duct Reynolds number. Gambar

4.3 menunjukkan kelakuan bilangan Nusselt rata-rata terhadap bilangan Reynolds

0

25

50

75

100

125

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Re x 103

h (W

/m2 .K

)

48

pada jarak antar titik pusat sirip dalam arah streamwise yang berbeda-beda untuk

susunan sirip segaris (inline). Gambar 4.4 menunjukkan kelakuan bilangan

Nusselt rata-rata terhadap jarak antar titik pusat sirip dalam arah streamwise pada

bilangan Reynolds yang berbeda-beda untuk susunan segaris. Dari gambar 4.3

dapat dilihat bahwa bilangan Nusselt meningkat dengan kenaikan bilangan

Reynolds. Hal ini terjadi pada keseluruhan nilai Sy/D, dimana nilai bilangan

Nusselt semakin tinggi untuk nilai Sy/D yang semakin kecil. Ini berarti bahwa

dengan semakin kecil jarak antar titik pusat sirip dalam arah streamwise, (Sy),

maka semakin besar nilai bilangan Nusselt yang terjadi. Fenomena ini juga terjadi

pada penelitian yang dilakukan oleh Tanda (2001). Dengan semakin kecil nilai

Sy/D maka jumlah sirip semakin banyak untuk luasan base plate yang sama.

Faktor penambahan luasan permukaan perpindahan panas yang berasal dari luasan

permukaan perpindahan panas sirip memberikan kontribusi nyata terhadap

peningkatan laju perpindahan panas konveksi pada pin fin assembly susunan

segaris tersebut.

Gambar 4.3 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap bilangan Nusselt pada Sx/D = 2,95

Dari gambar 4.2 – 4.4 dapat dilihat bahwa bilangan Reynolds mempunyai

pengaruh yang kuat terhadap laju perpindahan panas. Hal ini disebabkan dengan

kenaikan laju aliran udara (kenaikan bilangan Reynolds), maka akan menurunkan

ketebalan lapis batas (boundary layer) (Bilen, 2002).

Nu

0

75

150

225

300

375

450

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Re x 103

49

Gambar 4.4 Pengaruh nilai Sy/D terhadap bilangan Nusselt pada Sx/D = 2,95

Dari data-data penelitian ini dapat diperoleh korelasi matematis untuk

karakteristik perpindahan panas dari pin fin assembly susunan segaris (inline)

dengan program SPSS 16. Dari hasil penelitian untuk plat dengan sirip-sirip pin,

korelasi antara bilangan Nusselt (Nu) dengan bilangan Reynolds (Re), jarak antar

titik pusat sirip (Sy) dan panjang spesimen uji (L) adalah sebagai sebagai berikut:

( ) 427,0633,0214,0 −= LSReNu y (4.1)

Korelasi perpindahan panas pada persamaan (4.1) berlaku valid untuk range

bilangan Reynolds 3.000 < Re < 37.500, L/Dh = 2 dan 1,97 < Sy/D < 3,94.


Arah Streamwise terhadap Karakteristik Penurunan Tekanan

Pengaruh bilangan Reynolds dan jarak antar titik pusat sirip dalam arah

streamwise terhadap penurunan tekanan (pressure drop) dan faktor gesekan pin

fin assembly susunan segaris berturut-turut dapat dilihat pada gambar 4.5 dan 4.6.

Kelakuan penurunan tekanan (∆P) terhadap bilangan Reynolds (Re) serupa

dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Yang et al (2007). Dari gambar 4.5

dapat dilihat bahwa penambahan sirip-sirip dengan susunan segaris, menyebabkan

penurunan tekanan (pressure drop) yang signifikan dibandingkan dengan

permukaan tanpa sirip-sirip (smooth surface). Kelakuan faktor gesekan terhadap

bilangan Reynolds pada gambar 4.6 serupa dengan hasil penelitian yang dilakukan

oleh Kakac et al (1987). Nilai penurunan tekanan (∆P) dan faktor gesekan (f),

0

75

150

225

300

375

450

1,75 2,25 2,75 3,25 3,75 4,25 4,75

Nu

Sy/D

50

semakin menurun dengan kenaikan nilai Sy/D. Hal ini disebabkan dengan semakin

besar nilai Sy/D, maka jumlah sirip-sirip pin akan semakin berkurang, sehingga

tahanan terhadap aliran udara (resistance to flow) akan semakin berkurang (Bilen,

2002).

Gambar 4.5 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap penurunan tekanan pada Sx/D = 2,95

Dari gambar 4.6 dapat dilihat bahwa nilai Sy/D lebih berpengaruh

dibandingkan bilangan Reynolds terhadap nilai faktor gesekan (f). Hal ini

menunjukkan bahwa kenaikan faktor gesekan (f) seiring dengan berkurangnya

nilai Sy/D pada dasarnya karena meningkatnya luas permukaan halangan dan efek

halangan (blockage effect) akibat kenaikan jumlah sirip-sirip pin.

Gambar 4.6 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap faktor gesekan pada Sx/D = 2,95

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Re x 103

∆P (P

a)

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

f

Re x 103

51

Dari data-data penelitian dapat dibuat korelasi matematis antara faktor

gesekan (f) yang dihasilkan dengan bilangan Reynolds (Re), jarak antar titik pusat

sirip (Sy) dan panjang spesimen uji (L) dengan program SPSS 16 sebagai berikut:

( ) 366,1048,1024,2597 −−= LSRef y (4.2)

Korelasi faktor gesekan pada persamaan (4.2) berlaku valid untuk range

bilangan Reynolds 3.000 < Re < 37.500, L/Dh = 2 dan 1,97 < Sy/D < 3,94.


Arah Streamwise terhadap Unjuk Kerja Termal

Dari data penelitian dapat dianalisis mengenai pengaruh jarak antar titik

pusat sirip dan susunan sirip terhadap unjuk kerja umum dari sistem dan dapat

dievaluasi perolehan energi netto karena penambahan sirip-sirip. Peningkatan

perpindahan panas disertai oleh kenaikan penurunan tekanan yang signifikan,

dimana dapat mengeliminasi perolehan energi karena peningkatan laju

perpindahan panas. Untuk tujuan aplikasi praktis, analisis unjuk kerja termal

menjadi sebuah pemikiran yang berguna untuk menentukan perolehan energi netto

karena adanya penambahan sirip-sirip.

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

Gambar 4.7 menunjukkan hubungan antara unjuk kerja termal (η) dengan

dengan bilangan Reynolds (Re) pada jarak antar titik pusat sirip dalam arah

streamwise yang berbeda-beda untuk susunan sirip segaris (inline). Perlu

ditekankan lagi disini bahwa untuk perolehan energi netto yaitu untuk

perpindahan panas yang efektif, nilai η harus lebih besar dari 1 (batas ambang

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

0 5 10 15 20 25 30 35 40

η

Re x 103

52

perolehan energi). Dari gambar 4.7 dapat dilihat bahwa nilai η menurun dengan

kenaikan bilangan Reynolds (Re), dan nilai η bervariasi antara 0,589 dan 1,28

untuk seluruh Sy/D yang diteliti. Untuk Sy/D = 1,97 pada Re > 24.900, dan Sy/D >

1,97 pada Re > 12.400, nilai η lebih kecil dari 1 dan bervariasi antara 0,589 dan

0,98. Ini berarti bahwa pemakaian pin fin assembly dengan Sy/D = 1,97 pada Re >

24.900, dan Sy/D > 1,97 pada Re > 12.400 akan menyebabkan kehilangan energi

daripada perolehan energi. Nilai η lebih besar dari 1 hanya untuk Sy/D = 1,97 pada

Re < 24.900, dan Sy/D > 1,97 pada Re < 12.400. Sehingga direkomendasikan

untuk memperbaiki efisiensi dari suatu sistem dengan menggunakan pin fin

assembly susunan segaris dibatasi pada spesifikasi Sy/D = 1,97 pada Re < 24.900,

dan Sy/D > 1,97 pada Re < 12.400. Perolehan energi netto dapat dicapai hingga 28

% untuk nilai Sy/D = 1,97 pada Re = 3.076.

53

BAB V

5 PENUTUP I

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan analisis data dan pembahasan, dapat diambil kesimpulan

mengenai pengujian karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan pada

inline cylindrical pin fin array dalam saluran segiempat sebagai berikut:

1. Sirip pin silinder susunan segaris (inline) meningkatkan perpindahan panas

dari permukaan base plate sebagai hasil dari kenaikan luasan permukaan

perpindahan panas, tetapi disertai dengan adanya penurunan tekanan

(pressure drop) yang lebih besar dalam saluran segiempat.

2. Kenaikan bilangan Reynolds (Re) meningkatkan laju perpindahan panas,

tetapi menurunkan unjuk kerja termal (η) untuk keseluruhan nilai Sy/D.

3. Faktor gesekan (f) meningkat seiring dengan berkurangnya nilai Sy/D.

4. Penurunan nilai Sy/D meningkatkan unjuk kerja termal (η).

5. Sirip pin silinder susunan segaris (inline) dapat mencapai perolehan energi

netto hingga 28 % untuk nilai Sy/D = 1,97 pada Re = 3.076.

5.2 Saran

Berdasarkan pengalaman yang diperoleh dari penelitian tentang pengujian

karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan pada inline cylindrical pin

fin array dalam saluran segiempat ini, direkomendasikan beberapa saran sebagai

berikut:

1. Temperatur udara lingkungan perlu dijaga dengan lebih baik agar

temperatur udara masuk saluran dapat lebih stabil, karena perbedaan

temperatur udara lingkungan yang terlalu tinggi sangat berpengaruh

terhadap hasil perhitungan.

2. Perlu adanya pengembangan penelitian mengenai pengaruh variasi geometri

dan jarak antar titik pusat sirip pin terhadap perpindahan panas, penurunan

tekanan, dan unjuk kerja termal dari pin fin assembly.

54

DAFTAR PUSTAKA

Bilen K., Akyol, U., and Yapici, S., 2002, Thermal Performance Analysis of A

Tube Finned Surface, International Journal of Energy Research, Vol. 26,

pp. 321-333.

Holman, J.P., 1992, Perpindahan Kalor, Edisi 6, Erlangga, Jakarta.

http://hypertextbook.com/physics/matter/density/, diakses 15 April 2009.

Incropera, F.P., and DeWitt, D.P., 2007, Fundamentals of Heat and Mass

Transfer, 6th Ed, John Willey and Sons, New York.

Kakac, S., Shah, R.K., and Aung, W., 1987, Handbook of Single Phase

Convective Heat Transfer, John Wiley and Sons, New York.

Krauss, A.D., Aziz, A., and Welty, J., 2006, Extended Surface Heat Transfer, 5th

Ed, John Wiley and Sons, Inc., England.

Lyall, M.E., 2006, Heat Transfer from Low Aspect Ratio Pin Fins, M.S. Thesis,

Departement of Mechanical Engineering, Virginia Polytechnic Institute

and State University, Blacksburg, Virginia.

Naphon P., and Sookkasem A., 2007, Investigation on Heat Transfer

Characteristics of Tapered Cylinder Pin fin Heat Sinks, Energy Conversion

and Management, Vol. 48 pp. 2671–2679.

Sahin B., and Demir, A., 2008, Thermal Performance Analysis and Optimum

Design Parameters of Heat Exchanger Having Perforated Pin Fins, Energy

Conversion and Management, Vol. 49, pp. 1684-1695.

Sahiti, N., Durst, F., and Dewan, A., 2005, Heat Transfer Enhancement by Pin

Elements, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 48, pp.

4738-4747.

Sara, O.N., 2003, Performance Analysis of Rectangular Ducts with Staggered

Square Pin Fins, Energy Conversion and Management, Vol. 44, pp. 1787-

1803.

Tahat, M., Kodah Z.H., Jarrah, B.A., and Probert, S.D., 2000, Heat Transfers from

Pin-Fin Arrays Experiencing Forced Convection, Applied Energy, Vol. 67,

pp. 419-442.

55

Tanda, G., 2001, Heat Transfer and Pressure Drop in A Rectangular Channel with

Diamond-Shaped Elements, International Jurnal of Heat and Mass

Transfer, Vol. 44, pp. 3529-2541.

Yang, K.S., Chu, W.H., Chen, I.Y., and Wang, C.C., 2007, A Comparative Study

of the Airside Performance of Heat Sinks having Pin Fin Configurations,

International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 50, pp. 4661–4667.

56

LAMPIRAN

Lampiran A. Data hasil pengujian (ada di file Microsoft Excel)

57

Lampiran B. Properti berbagai jenis material

Tabel B.1 Properti udara pada tekanan atmosfer (sumber: Fundamentals of Heat and Mass Transfer)

77

Tabel B.2 Massa jenis berbagai material (sumber: www.hypertextbook.com)

material density (kg/m3) material density

(kg/m3) acetone 790 lungs 400 acid, acetic (CH3COOH) 1050 mayonnaise, traditional 910 acid, hydrochloric (HCl) ???? mayonnaise, light 1000 acid, sulfuric (H2SO4) 1390 methane, gas, +25 °C 0.656 air, 100 K 3.556 methane, liquid, -90 °C 162 air, 200 K 1.746 milk, cow, heavy cream 994 air, 293 K 1.207 milk, cow, light cream 1012 air, 300 K 1.161 milk, cow, whole 1030 air, 500 K 0.696 milk, cow, skim 1033 air, 1000 K 0.340 mercury 13,594 alcohol, ethyl (grain) 789.2 monosodium glutamate 1620 alcohol, isopropyl (rubbing) 785.4 nickel 8900 alcohol, methyl (wood) 791.3 nitrogen (N2), gas, ~300 K 1.145 ammonia 771 nitrogen (N2), liquid, 74 K 808 aluminum 2700 oil, vegetable, coconut 924 argon, gas, ~300 K 1.449 oil, vegetable, corn 922 argon, liquid, 87 K 1430 oil, vegetable, olive 918 beer, pilsner, 4 °C 1008 oil, vegetable, palm 915 benzene 870 oil, vegetable, peanut 914 blood 1035 oil, vegetable, soya 927 body fat 918 osmium 22,500 bone 1900 oxygen (O2), gas, ~300 K 1.308 butane 551 oxygen (O2), liquid, 87 K 1155 butter 911 perchlorethylene 1600 carbon 2250 platinum 21,450 carbon dioxide, gas, +25 °C 1.799 plutonium, α 19,860 carbon dioxide, solid, −37 °C 1101 salt (sodium chloride) 2165 copper 8960 silicon 2330 corn starch, loosely packed 540 silicon dioxide (quartz) 2600 corn starch, tightly packed 630 silicone 993 corn syrup 1380 silver 10,490 diesel 800 skin 1050 formaldehyde 1130 sodium bicarbonate 2200 freon 12, liquid 1311 sugar, sucrose 1550 freon 12, vapor 36.83 titanium 4500 gasoline 803 tungsten 19,300 glycerine 1260 uranium 19,050 gold 19,300 water, liquid, 100 °C 958.40 helium, gas, ~300 K 0.164 water, liquid, 50 °C 988.03 helium, liquid, 4 K 147 water, liquid, 30 °C 995.65 hydrogen (H2), gas, 300 K 0.082 water, liquid, 20 °C 998.21 hydrogen (H2), liquid, 17 K 71 water, liquid, 10 °C 999.70 honey 1420 water, liquid, 4 °C 999.98 iron 7870 water, liquid, 0 °C 999.84 iridium 22,400 water, ice, 0 °C 916 kerosene 810 water, ice, -50 °C 922 lard 919 water, ice, -100 °C 927 lead 11,350 water, sea 1025 lithium 534 zinc 7140 lithium 6 deuteride 820

Lampiran C. Hasil perhitungan data pengujian

Tabel C.1 Perhitungan spesimen 1

No. V (m/s)

Vh (volt)

Ih (A)

Vf (volt)

If (A)

inT (K)

outT (K)

bT (K)

Pfan (W)

Tf (K)

ρ (kg/m3)

Cp (J/kg.K)

k (W/m.K)

µ (kg/m.s)

1 0,5 41 2,2 56 1,1 299,2 309,5 333,2 49,3 304,4 1,1469 1005,29 0,02655 0,00001864 2 1 53 2,8 70 1,3 299,2 307,8 333,2 72,8 303,5 1,1497 1005,22 0,02649 0,00001860 3 2 70 3,6 86 1,35 299,3 306,6 332,5 92,9 302,9 1,1516 1005,18 0,02645 0,00001857 4 3 77 4,1 98 1,65 299,4 305,5 333,1 129,4 302,4 1,1533 1005,14 0,02641 0,00001855 5 4 87 4,5 113 1,75 299,3 305,0 333,0 158,2 302,1 1,1543 1005,12 0,02639 0,00001854 6 5 93 4,9 134 1,85 299,2 304,5 333,4 198,3 301,9 1,1552 1005,09 0,02637 0,00001853 7 5,5 96 5 155 1,95 299,2 304,3 333,3 241,8 301,8 1,1555 1005,09 0,02636 0,00001852 8 6 99 5,2 205 2,15 299,2 304,1 333,3 352,6 301,7 1,1559 1005,08 0,02635 0,00001852

Tabel C.2 Perhitungan spesimen 1 (lanjutan) V

(m/s) A

(m2) As

(m2) m&

(kg/s) Qelect (W)

Qconv (W)

Qloss (%)

h (W/m2.K) Re Nu ∆P

(Pa) f η 0,5 0,01125 0,11 0,0065 72,2 67,1 7,6 21,1 3076,6 79,4 3,92 10,93 1,28 1 0,01125 0,11 0,0129 118,7 111,4 6,6 34,1 6181,1 128,7 5,89 4,10 1,22 2 0,01125 0,11 0,0259 201,6 191,0 5,5 58,5 12400,6 221,3 11,77 2,04 1,18 3 0,01125 0,11 0,0389 252,6 239,2 5,6 70,7 18651,3 267,8 15,70 1,21 1,09 4 0,01125 0,11 0,0519 313,2 300,4 4,3 88,3 24905,3 334,6 25,51 1,10 0,98 5 0,01125 0,11 0,0650 364,6 348,8 4,5 100,3 31176,8 380,4 37,28 1,03 0,92

5,5 0,01125 0,11 0,0715 384,0 365,5 5,1 105,1 34311,4 398,9 47,09 1,08 0,83 6 0,01125 0,11 0,0780 411,8 390,0 5,6 111,8 37455,1 424,2 54,94 1,06 0,76

79


No. V (m/s)

Vh (volt)

Ih (A)

Vf (volt)

If (A)

inT (K)

outT (K)

bT (K)

Pfan (W)

Tf (K)

ρ (kg/m3)

Cp (J/kg.K)

k (W/m.K)

µ (kg/m.s)

1 0,5 36 2 55 1,1 299,3 307,7 333,3 48,4 303,5 1,1497 1005,22 0,02649 0,00001860 2 1 48 2,6 69 1,3 299,2 306,4 333,1 71,8 302,8 1,1521 1005,17 0,02644 0,00001857 3 2 61 3,2 86 1,35 299,2 305,0 333,1 92,9 302,1 1,1544 1005,11 0,02638 0,00001854 4 3 70 3,6 98 1,65 299,2 304,0 333,4 129,4 301,6 1,1560 1005,08 0,02635 0,00001852 5 4 75 4 113 1,75 299,2 303,6 333,0 158,2 301,4 1,1568 1005,06 0,02633 0,00001851 6 5 80 4,2 134 1,85 299,3 303,2 333,1 198,3 301,2 1,1573 1005,04 0,02632 0,00001850 7 5,5 85 4,5 153 1,9 298,9 302,9 333,2 232,6 300,9 1,1585 1005,02 0,02629 0,00001848 8 6 88 4,6 190 2,05 299,3 303,1 333,3 311,6 301,2 1,1574 1005,04 0,02632 0,00001850


(m/s) A

(m2) As

(m2) m&

(kg/s) Qelect (W)

Qconv (W)

Qloss (%)


(Pa) f η 0,5 0,01125 0,099 0,0065 57,6 54,7 5,2 18,6 3090,7 70,3 2,35 6,55 1,13 1 0,01125 0,099 0,0130 99,8 94,8 5,4 31,7 6204,6 119,8 4,71 3,27 1,14 2 0,01125 0,099 0,0260 156,2 150,0 4,1 48,9 12455,1 185,5 9,81 1,70 0,98 3 0,01125 0,099 0,0390 201,6 188,5 7,0 60,1 18729,2 228,2 13,73 1,06 0,92 4 0,01125 0,099 0,0521 240,0 226,4 6,0 72,5 25004,1 275,2 19,62 0,85 0,81 5 0,01125 0,099 0,0651 268,8 257,3 4,5 81,9 31282,2 311,1 27,47 0,76 0,75

5,5 0,01125 0,099 0,0717 306,0 287,7 6,4 90,0 34477,9 342,5 33,35 0,76 0,71 6 0,01125 0,099 0,0781 323,8 302,6 7,0 95,3 37546,6 362,2 41,20 0,79 0,64

80


No. V (m/s)

Vh (volt)

Ih (A)

Vf (volt)

If (A)

inT (K)

outT (K)

bT (K)

Pfan (W)

Tf (K)

ρ (kg/m3)

Cp (J/kg.K)

k (W/m.K)

µ (kg/m.s)

1 0,5 34 1,8 56 1,1 299,2 306,3 332,9 49,3 302,8 1,1522 1005,16 0,02643 0,00001857 2 1 43 2,4 70 1,3 299,0 305,0 333,2 72,8 302,0 1,1547 1005,10 0,02638 0,00001853 3 2 56 3 86 1,35 299,2 304,0 333,0 92,9 301,6 1,1560 1005,07 0,02635 0,00001851 4 3 64 3,4 98 1,65 299,3 303,4 333,6 129,4 301,4 1,1569 1005,05 0,02633 0,00001850 5 4 70 3,7 114 1,75 299,1 302,8 333,0 159,6 300,9 1,1583 1005,02 0,02630 0,00001848 6 5 73 3,8 134 1,85 299,3 302,5 332,3 198,3 300,9 1,1585 1005,02 0,02629 0,00001848 7 5,5 78 4,1 154 1,95 299,2 302,6 333,5 240,2 300,9 1,1583 1005,02 0,02630 0,00001848 8 6 82 4,3 186 2,05 299,2 302,6 333,3 305,0 300,9 1,1585 1005,02 0,02629 0,00001848


(m/s) A

(m2) As

(m2) m&

(kg/s) Qelect (W)

Qconv (W)

Qloss (%)


(Pa) f η 0,5 0,01125 0,087 0,0065 49,0 46,0 6,4 17,5 3102,9 66,2 1,96 5,45 1,06 1 0,01125 0,087 0,0130 82,6 78,3 5,4 28,8 6231,1 109,1 3,92 2,72 1,03 2 0,01125 0,087 0,0260 134,4 124,6 7,9 45,5 12487,5 172,8 7,85 1,36 0,92 3 0,01125 0,087 0,0390 174,1 163,8 6,3 58,1 18757,4 220,8 11,77 0,90 0,89 4 0,01125 0,087 0,0521 207,2 194,5 6,5 69,4 25066,9 263,9 17,66 0,76 0,77 5 0,01125 0,087 0,0652 221,9 210,4 5,5 76,7 31341,9 291,6 27,47 0,76 0,70

5,5 0,01125 0,087 0,0717 255,8 242,5 5,5 85,3 34468,2 324,3 33,35 0,76 0,67 6 0,01125 0,087 0,0782 282,1 264,1 6,8 93,2 37608,9 354,4 41,20 0,79 0,63

81


No. V (m/s)

Vh (volt)

Ih (A)

Vf (volt)

If (A)

inT (K)

outT (K)

bT (K)

Pfan (W)

Tf (K)

ρ (kg/m3)

Cp (J/kg.K)

k (W/m.K)

µ (kg/m.s)

1 0,5 32 1,7 56 1,1 299,5 305,7 333,1 49,3 302,6 1,1527 1005,15 0,02642 0,00001856 2 1 41 2,3 69 1,3 299,6 305,0 333,0 71,8 302,3 1,1538 1005,13 0,02640 0,00001854 3 2 51 2,8 86 1,35 299,2 303,4 333,0 92,9 301,3 1,1571 1005,05 0,02632 0,00001850 4 3 59 3,1 98 1,65 299,1 302,7 332,8 129,4 300,9 1,1585 1005,02 0,02629 0,00001848 5 4 67 3,6 113 1,75 299,4 302,8 333,3 158,2 301,1 1,1578 1005,03 0,02631 0,00001849 6 5 71 3,7 132 1,85 299,0 302,0 333,4 195,4 300,5 1,1597 1004,99 0,02626 0,00001846 7 5,5 73 3,8 146 1,9 299,0 301,9 333,2 221,9 300,5 1,1599 1004,98 0,02626 0,00001846 8 6 74 3,9 173 2,03 298,8 301,6 333,1 281,0 300,2 1,1608 1004,96 0,02624 0,00001845


(m/s) A

(m2) As

(m2) m&

(kg/s) Qelect (W)

Qconv (W)

Qloss (%)


(Pa) f η 0,5 0,01125 0,076 0,0065 43,5 40,7 7,0 17,6 3105,3 66,6 1,57 4,36 1,0684 1 0,01125 0,076 0,0130 75,4 69,9 7,9 30,0 6221,8 113,7 2,35 1,63 1,0781 2 0,01125 0,076 0,0260 114,2 109,9 4,0 45,7 12508,4 173,6 5,89 1,02 0,9192 3 0,01125 0,076 0,0391 146,3 139,9 4,6 57,7 18804,5 219,4 11,77 0,90 0,8867 4 0,01125 0,076 0,0521 193,0 179,8 7,3 73,6 25045,6 279,7 17,66 0,76 0,8209 5 0,01125 0,076 0,0652 210,2 196,7 6,9 78,8 31403,9 299,9 27,47 0,76 0,7219

5,5 0,01125 0,076 0,0718 221,9 209,2 6,1 84,2 34553,5 320,8 31,39 0,72 0,6635 6 0,01125 0,076 0,0784 230,9 217,3 6,2 87,2 37748,7 332,1 39,24 0,75 0,5892

82


No. V (m/s)

Vh (volt)

Ih (A)

Vf (volt)

If (A)

inT (K)

outT (K)

bT (K)

Pfan (W)

Tf (K)

ρ (kg/m3)

Cp (J/kg.K)

k (W/m.K)

µ (kg/m.s)

1 0,6 19 1,1 56 1,1 299,2 301,2 333,2 49,3 300,2 1,1607 1004,97 0,02624 0,00001845 2 1,1 25 1,5 70 1,3 299,2 301,2 333,5 72,8 300,2 1,1607 1004,97 0,02624 0,00001845 3 2,2 34 1,9 86 1,35 299,1 300,8 333,1 92,9 299,9 1,1617 1004,94 0,02622 0,00001844 4 3,3 40 2,1 98 1,65 299,2 300,7 333,0 129,4 300,0 1,1615 1004,95 0,02622 0,00001844 5 4,4 47 2,5 113 1,75 299,1 300,7 333,4 158,2 299,9 1,1618 1004,94 0,02622 0,00001844 6 5,6 52 2,8 134 1,85 299,2 300,6 333,0 198,3 299,9 1,1617 1004,94 0,02622 0,00001844 7 6,3 55 3 154 1,95 299,1 300,6 333,2 240,2 299,8 1,1620 1004,94 0,02621 0,00001843 8 7 60 3,3 186 2,05 298,9 300,5 333,3 305,0 299,7 1,1624 1004,93 0,02620 0,00001843


(m/s) A

(m2) As

(m2) m&

(kg/s) Qelect (W)

Qconv (W)

Qloss (%)

h (W/m2.K) Re Nu

∆P (Pa) f

0,6 0,01125 0,03 0,0078 16,7 16,3 2,4 16,5 3774,4 62,8 0,78 1,50 1,1 0,01125 0,03 0,0144 30,0 27,8 7,9 27,8 6920,0 106,1 1,18 0,67 2,2 0,01125 0,03 0,0288 51,7 49,5 4,4 49,7 13860,0 189,6 2,35 0,34 3,3 0,01125 0,03 0,0431 67,2 64,4 4,3 65,1 20784,1 248,1 3,92 0,25 4,4 0,01125 0,03 0,0575 94,0 90,2 4,3 89,7 27726,4 342,0 5,89 0,21 5,6 0,01125 0,03 0,0732 116,5 108,4 7,5 109,1 35283,8 416,1 7,85 0,17 6,3 0,01125 0,03 0,0824 132,0 126,9 4,0 126,9 39708,9 484,2 9,42 0,16 7 0,01125 0,03 0,0915 158,4 149,0 6,3 147,9 44149,9 564,5 10,20 0,14

83

PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN …... · Investigation on Heat Transfer and Friction...

Documents

Transcript of PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN …... · Investigation on Heat Transfer and Friction...